第1章 金属材料

机械工程材料及热处理 教学主要内容 金属材料的性能 教学目的和要求 掌握金属材料的力学性能指标及含义 掌握金属材料的其他性能 教学重点与难点 金属材料的力学性能 学时分配 2学时 第1章金属材料的性能 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类 所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中 金属材料在所定的冷 热加工条件下表现出来的性能 金属材料工艺性能的好坏 决定了它在制造过程中加工成形的适应能力 由于加工条件不同 要求的工艺性能也就不同 如铸造性能 可焊性 可锻性 热处理性能 切削加工性等 所谓使用性能是指机械零件在使用条件下 金属材料表现出来的性能 它包括机械性能 物理性能 化学性能等 金属材料使用性能的好坏 决定了它的使用范围与使用寿命 1 1金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境因素 温度 介质 下 承受外加载荷作用时所表现的性能 这种性能通常表现为变形和断裂 因此 金属材料的力学性能可以理解为金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力 也称为金属材料的机械性能 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据 外加载荷性质不同 例如拉伸 压缩 剪切 扭转和弯曲等 对金属材料要求的机械性能也将不同 常用的机械性能包括 强度 塑性 硬度 冲击韧性 多次冲击抗力和疲劳极限等 下面将分别讨论各种机械性能 一 强度与塑性 1 强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力 由于载荷的作用方式有拉伸 压缩 弯曲 剪切等形式 所以强度也分为抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度等 各种强度间常有一定的联系 使用中一般以抗拉强度作为最基本的强度指标 2 塑性塑性是指金属材料在载荷作用下发生不可逆变形的能力 也就是金属材料在断裂前发生塑性变形的能力 衡量金属材料塑性能力的指标是延伸率和断面收缩率 金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试验机上通过拉伸试验测得 液压式万能材料试验机 拉伸试样的形状通常有圆形和板状两种类 在国家标准GB6397 1986 金属拉伸试样 中 对试样的形状 尺寸及加工要求均有明确规定 长试样 L0 10d0 短试样 L0 5d0 拉伸曲线 低碳钢力 伸长曲线 O 屈服 弹性变形 缩颈 断裂 塑性变形 塑性变形 外力去除后不能消失的变形 拉伸试样的颈缩现象 试件从拉伸到断裂经过的4个阶段 1 弹性变形阶段 试件变形随载荷的作用而产生 随载荷的去除而消失 在弹性阶段中 应力与应变成正比 呈线性关系 这种关系称胡克定理 当载荷超过FP时材料还将产生微量的塑性变形 它不能随载荷去除而消失 2 屈服变形阶段 当载荷增加到FS时保持不变 试件的变形继续增加 这种现象称为材料的屈服 这时在拉伸曲线上出现锯齿形水平线段 3 冷变形强化阶段 材料过屈服阶段后 又重新出现了抵抗变形的能力 这时继续增加应力 应变也增加 但已不成正比关系不再服从虎克定律 到达最高点b时 试件局部变细形成颈缩现象 4 缩颈与断裂阶段 由于颈缩 局部截面将迅速减小 拉力开始下降 直至k点试件断裂 Fb是试件拉断前能承受的最大载荷 称为极限载荷 1 强度指标 金属材料的强度是用应力来表示的 即材料承受载荷后内部产生一个与载荷相平衡的内力 我们将单位面积上的内力称应力 用 表示 为了保证机械零件的正常工作 我们必须知道金属材料的强度指标 它通常是指金属材料的弹性极限 屈服点和抗拉强度 这些参数可以计算 也可以查阅相关技术资料 1 弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力 拉伸曲线e点对应的应力 e为弹性极限 e Fe S0式中 e 弹性极限 MPa Fe 试样产生完全弹性变形时的最大载荷 N S0 试样原始横截面积 mm2 MPa与Pa的换算 我国法定压力单位为帕斯卡 简称帕 符号为Pa 1Pa 1N m2 由于Pa太小 工程上常用其倍数单位MPa 兆帕 来表示 1兆帕 MPa 1000000帕 Pa Mpa 也是压强单位 读作兆帕 也就是百万 M 帕斯卡 Pa 1MPa 1000000Pa 1 00牛 平方毫米 1 9 8 0 102 千克力 平方毫米 2 屈服点屈服点 即试样在拉伸过程中力不增加 保持恒定 仍能继续伸长 变形 时的应力 在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点 s Fs S0式中 s 屈服点 MPa Fs 试样开始产生屈服现象时的载荷 N S0 试样原始横截面积 mm2 条件屈服强度 高碳钢 铸铁等脆性材料在拉伸图中没有明显的水平阶段 即屈服现象 也不产生颈缩 而直接被拉断 为了衡量这些材料的屈服特性 规定产生永久残余变形等于一定值 一般为原长度的0 2 时的应力 称为条件屈服强度或简称屈服强度 用符号 0 2表示 计算公式 应用 制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据 计算公式 3 抗拉强度 强度极限 材料承受最大载荷时的应力 用 b表示 2 塑性指标 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 称塑性 塑性是金属材料的主要力学性能指标 衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率 塑性 1 伸长率即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比 L1 L0 L0 100 式中 伸长率 L1 试样拉断后标距 mm L0 试样原始标距 mm 2 断面收缩率 即试样拉断后 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比 S0 S1 S0 100 式中 断面收缩率 S1 试样的原始截面积 mm2 S0 试样拉断后缩颈处的最小横截面积 mm2 材料的塑性指标对机械零件的加工和使用具有重要意义 金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大 表示材料的塑性越好 二 硬度 Hardnss 代号H 硬度是材料抵抗硬的物体压入其内的能力 是材料性能的一个综合物理量 表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形 塑性变形或破断的能力 在产品设计图样的技术条件中 硬度是一顶主要技术指标 金属材料的硬度可用硬度仪来测试 常用的硬指标有布氏硬度 洛氏硬度等 硬度视频演示 1 布氏硬度 HB 布氏硬度 HB 载荷与压痕面积之比 单位为Kmf mm2 N mm2 1kgf 9 806N 0 102 用直径D的淬火钢球或硬质合金球 在一定压力P下 将钢球垂直地压入金属表面 并保持压力到规定的时间后卸荷 测压痕直径d HB F S N mm2 单位一般不写F 载荷 N kgf S 压痕面积 布氏硬度试验原理图 布氏硬度试验的F D2值的选择 根据被测金属材料的种类和试样厚度 选用不同大小的球体直径D 施加的试验力F和试验力保持时间 按表1 1所列的布氏硬变试验规范正确选择 淬火钢球做压头时 符号用HBS表示 硬质合金球做压头时 符号用HBW表示 布氏硬度标注 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值 除了采用钢球直径D为10mm 试验力为3000kgf 保持时间为10sr试验条件外 在其它试验条件下 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径 载荷及载荷保持时间 如 150HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150 布氏硬度的特点及应用 优点 试验时使用的压头直径较大 在试样表面上留下压痕也较大 所测得值也较准确 HB与 b之间有一定的近似关系 因此可以按布氏硬度值近似确定金属材料抗拉强度 b KHB k 0 36 0 34 缺点 对金属表面的损伤较大 不易测试太薄工件的硬度 也不适于测定成品件硬度 适用测定HB 450的金属材料 应用 布氏硬度试验常用来测定原材料 半成品和性能不均匀材料 如铸铁 有色金属 等的硬度 在实际应用中 布氏硬功硬度一般不用计算法求得 而是用专门的放大镜量出压痕直径 从专门的硬度表中查出相应的硬度值 见附表1 2 洛氏硬度 HR 洛氏硬度试验是用一个锥角为120 的金刚石锥体或直径为1 588mm 1 16 的淬火钢球 在规定的载荷作用下压入被测金属表面 由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值 洛氏硬度试验是简便 迅速的硬度测试方法 洛氏硬度试验方法广泛应用于生产制造 科学研究的各个领域 洛氏硬度计 h0 h1 h2 e 1 1初载10kgh0 2 2总载150kgh1 3 3卸载140kgh2 最后测得 残余压痕深度增量e HR k e 0 002 e h2 h0 试验方法洛氏硬度试验是用标准型压头 先后两次对被试材料表面施加试验力 初试验力F0与总试验力F0 F1 在试验力的作用下压头压入试样表面 在总试验力保持一定时间后 卸除主试验力F1 保留初始试验力F0的情况下测量压入深度 以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入深度之差 即所谓的残余压入深度 来表征硬度的高低 残余压入深度值越大 硬度值越低 反之亦然 洛氏硬度试验时 硬度值可以从硬度计上的刻度盘直接读出 洛氏硬度HR K e s式中 K为给定标尺的硬度常数 用金刚锥体压头驻时 k 0 2mm 用钢球压头时 k 0 26mm S为给定标尺的单位 通常以0 002为一个硬度单位 硬度标尺洛氏硬度试验采用三种试验力 三种压头 它们共有9种组合 对应于洛氏硬度的9个标尺 HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH和HRK 这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料 最常用标尺是HRC HRB和HRF 其中HRC标尺用于测试淬火钢 回火钢 调质钢和部分不锈钢 这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法 HRB标尺用于测试各种退火钢 正火钢 软钢 部分不锈钢及较硬的铜合金 HRF标尺用于测试纯铜 较软的铜合金和硬铝合金 HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属 但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料 洛氏硬度的分类及应用 洛氏硬度标注洛氏硬度的特点 洛氏硬度值为一无名数 根据国家标准规定 硬度数值写在符号HR的前面 HR后面为使用的标尺 如50HRC 表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50 洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验 其特点是 硬度试验压痕小 对试件表面损伤小 常用来直接检验成品或半成品的硬度 试验操作迅速简便 可以直接从试验机上读出硬度值 当采用不同标尺时 可测量出从极软到极硬材料的硬度 主要缺点是 由于压痕小 对内部组织和硬度不均匀的材料 所测结果不够准确 因此 在测试时在被测金属的不同三点测出硬度 取其平均数 洛氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系 3 维氏硬度 HV 基本原理维氏硬度试验也是一种压痕试验方法 是将一个相对面夹角为136 的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力 F 压入试验表面 经规定保持时间后卸除试验力 测量压痕两对角线平均长度d 计算出压痕面积S 求出单位面积上的平均压力 称维氏硬度 用符号HV表示 表示方法维氏硬度值用符号 HV 表示 HV前面为硬度值 后面按 试验载荷 载荷保持时间 10 15S不标注 的顺序用数值表示试验条件 例如 640HV30 20表示用294 21N 30kgf 试验载荷 保持20S 测定的维氏硬度值为640 布氏硬度常用试验力及其适用范围 维氏硬度试验所用试验力视其试样大小 薄厚及其他条件 可在49 03 980 7N的范围内选择试验力 常用的试验力有49 03N 98 07N 196 1N 294 2N 490 3N 980 7N 维氏硬度试验适用范围宽 尤其适用测定金属镀层 薄片金属及化学热处理的表面层 渗碳层 渗氮层等 硬度 其结果精确可靠 试验优缺点优点 与布氏 洛氏硬度试验比较 维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束 也不存在压头变形问题 压痕轮廓清晰 采用对角线长度计量 精确可靠 硬度值误差较小 缺点 其硬度值需要先测量对角线长度 然后经计算或查表确定 故效率不如洛氏硬度试验高 三 冲击韧性 以加速度作用于工件上的载荷 称冲击载荷 许多机械零件和工具在工作时要承受一定的冲击载荷 如冲床的冲模 锻造的锻模 内燃机的活塞销 风动工具等 对这些零件 不仅要满足在静载荷下的强度 塑性 硬度等要求 还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力 金属材料抵抗冲击载荷的能力 称冲击韧性 为了评定金属材料的冲击韧性 需要进行大能量一次冲击试验 一次冲击试验通常在摆锤式冲击机上进行 摆锤式冲击实验机 冲击试样 冲击试样有夏比V型缺口试样和夏比U型缺口试样两种 试验时 将试样放在试验机两支座上 把质量为G的摆锤抬到高H 使摆锤自由落下 摆锤落下冲断试样后升至h高度 则摆锤冲断试样推动的位能 就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK 即AK Gg H h 用试样的断口处截面积SN cm2 去除AK J 即得到冲击韧度 用Ak表示 单位为J 焦耳 cm2 aK AK S式中S 试样缺口处面积 cm2 冲击试验的实际意义 1 韧脆转变温度材料在低于某温度时 AK值急剧下降 使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口 因此 这个温度范围称为韧脆转变温度范围 韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一 韧脆转变温度愈低 材料的低温冲击性能就愈好 对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构 如运输机械 桥梁 输送管道尤为重要 冲击吸收功 温度曲线 2 衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量 冲击吸收功对原材料内部结构 缺陷等具有较大敏感性 很容易揭示出材料中某些物理现象 如晶粒粗化 冷脆 回火脆性及夹渣 气泡 偏析等 目前常用冲击试验来检验冶炼 热处理及各种热加工工艺和产品的质量 冲击韧性试验除了大能量冲击试验外 有时还需要进行小能量多次冲击试验 小能量多次冲击试验是在落锤式试验机上进行的 试验时带有双冲点的锤头以一定的冲击频率冲击试样 直至冲断 多次冲击抗力指标一般是以在某冲击功Ak作用下的冲击