金属材料的性能

金属学与热处理 Metallographyandheat treatment 多媒体教学课件 课时 50教材 金属学与热处理 1 2 1 考核成绩构成平时成绩50 考试成绩50 2 参考资料 1 金属学原理 侯增寿主编 2 金属学与热处理 陈慧芬主编 3 材料科学基础 石德珂主编 课程介绍 3本课程主要内容 金属学 第一 第六章金属热处理 第七 第八章金属材料学 第九章 第十章 2 2020 4 24 第一章金属材料的性能 1金属材料的概论 2金属材料力学性能 3金属材料的物理和化学性能 3 2020 4 24 机械工程材料 用于机械制造的各种材料的总称 1金属材料的概论 1 1工程材料的分类 工程材料 制造工程构件和机械零件 工具 特殊性能材料 耐蚀 耐高温 4 2020 4 24 分类 按原子间结合键的性质分一 金属材料 黑色金属 铁和以铁为基的合金 纯铁 钢 铸铁 铁合金占工程材料的90 有色金属 黑色金属以外所有金属 合金 轻金属 难熔金属 贵金属等 金属键 过渡金属含少量共价键 1金属材料的概论 1 1工程材料的分类 5 2020 4 24 二 陶瓷材料 陶瓷定义 由一种或多种金属元素 含半金属元素如Si等 同一种非金属元素形成的化合物 CaO TiO2 Al2O3 SiC Si3N4CaTiO3 MgAl2O4 传统 硅酸盐类材料现今 各种无机非金属材料的统称 不含碳氢氧结合的化合物 6 2020 4 24 陶瓷材料 无机非金属材料 以离子键和共价键为主 熔点高 硬度大 导电性差 多为脆性材料 如Al2O3 SiO2 金刚石等 陶瓷材料的键型及性能特点 7 2020 4 24 离子键为主 硬度高 脆普通陶瓷 硅 铝氧化物的硅酸盐材料特种陶瓷 高熔点的氧化物 碳化物 氮化物 硅化物等的烧结材料金属陶瓷 金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品发展 纳米技术 陶瓷增韧 8 2020 4 24 三 高分子材料 有机合成材料 聚合物 大分子化合物 共价键 分子键较高强度 良好的塑韧性 较强的耐腐蚀性 优良的绝缘性 工程塑料 合成纤维 合成橡胶 四 复合材料 金属基复合材料 非金属基复合材料目前非金属材料的应用 5 6 金属材料仍是最主要的工程材料 9 2020 4 24 材料的结合键 高分子材料 链间以分子键结合 链内组成分子的是共价键和氢键 熔点低 强度和硬度低 如塑料 橡胶 合成纤维等 高分子材料的键型及性能特点 10 2020 4 24 金属材料的性能可分为 使用性能和工艺性能 使用性能是指为保证机械零件或工具正常工作 材料具备的性能 它包括力学性能 物理性能和化学性能等 工艺性能是指在制造机械零件或零件的过程中 金属材料适应各种冷热加工的性能 它包括铸造性能 压力加工性能 焊接性能 切削加工性能 以及热处理性能等 金属材料的性能 11 2020 4 24 一研究对象 任务和目的1研究的对象 金属和合金 什么是金属 什么是合金 1 金属的性质 高的导电性和导热性 金属光泽 良好的延展性 塑性 不透明 1金属材料的概论 1 2金属材料简介 12 2 即 具有正的电阻温度系数 电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别 t 0 1 T 某些纯金属在绝对零度附近的超导电性 材料的电阻率 t随温度变化的规律为 t 0 1 t 其中 称为电阻温度系数 0是材料在t 0 时的电阻率 在一定的温度范围内 是与温度无关的常量 金属的电阻一般随温度的增加而增加 具有正温度系数 而某些非金属如碳等则相反 具有负温度系数 利用具有正负温度系数的两种材料的互补特性 可制成阻值在一定温度范围内不随温度变化的电阻 13 2 2 金属与合金的定义 金属定义 具有正的电阻温度系数的物质 合金定义 一种金属元素与另一种或几种其它元素 经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质 14 2 3 金属中原子的结合方式 这种由金属正离子和自由电子之间的互相作用称为金属键 金属键无方向性和饱和性 15 2020 4 24 金属材料 主要以金属键结合 个别的有共价 如四价灰锡 和离子键 如金属化合物Mg3Sb2 的特点 具有良好的导电性 导热性和塑性 延展性 并具有金属光泽 金属材料的键型及性能特点 根据金属键解释固态金属的一些特性 16 2020 4 24 非金属中 离子键 共价键等 结合键强 具饱和性 较高硬度 结合键极强 方向性 很高硬度 无塑性 17 2020 4 24 2本课程的主要任务 研究金属与合金的化学成分 加工工艺 组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律 此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是性能 18 2020 4 24 举例 b MPa 铝合金400 600铜合金600 70040钢 退火态 50040钢 调质态 800 性能取决于什么因素呢 化学成分不同 性能不同 纯铝40纯铜60纯铁200 19 2020 4 24 化学成分相同 处理方式不同 性能不同 0 8 C的钢锯条 800 冷却方式不同一根出炉后水冷 性硬而脆 一弯就断 另一根随炉缓慢冷却 性软 弯曲90 不断 又如 石墨和金刚石均由碳原子构成 但性能迥异 原因 碳原子的空间排列方式不同即内部组织结构不同 20 2020 4 24 提高材料性能的主要途径 一方面改变材料的化学成分 另一方面改进材料的生产工艺 进而改变材料内部的组织结构与性能 材料科学研究的四要素及相互关系线 性能Performance 21 2020 4 24 故材料性能包含使用性能与工艺性能两方面 1 使用性能 在使用条件下所表现的性能力学性能 强度 硬度 塑性 韧性等 物理性能 光 电 磁等 化学性能 抗氧化性 抗腐蚀性等 其它性能 耐磨性 热硬性 消振性等 22 2020 4 24 2 工艺性能 在制造机械零件的过程中 材料适应各种冷 热加工和热处理的性能 铸造性能 流动性 收缩 偏析等 锻造性能 等 压力加工性能 冷加工性能 锻造性能等 切削加工性 焊接性 热处理性能 等等 23 2020 4 24 合金相形貌 金属多晶体结构 显微组织 3 组织结构 显微组织 在不同放大倍数放大镜 显微镜下观察到的金属的内部形貌 24 2020 4 24 1 原子结构 取决于原子种类 什么是组织结构 材料不同层次的结构 2 晶体结构 原子在空间的排列方式 25 2020 4 24 1 原子种类 2 内部原子排列的方式 3 合金元素的存在方式 4 内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的组织结构取决于 3目的利用上述四要素关系和规律 1 进行科学研究 2 指导生产实践 3 研制新合金材料 26 2020 4 24 2金属材料力学性能 金属材料加工过程 冶炼 铸造 铸锭 板棒型管 焊接 机加工 冷轧冷拔 深冲 锻件 铸件 机加工 车 铣 刨 磨 零件或构件 热轧 热锻 工艺性能 使用性能 27 2020 4 24 强度与塑性的测定 借助应力应变曲线 2 1金属材料的力学性能金属的力学性能是指金属抵抗外力作用的能力 外力也称载荷 它按外力可分为静载荷 冲击载荷和交变载荷 常用的力学性能指标有 强度 塑形 硬度 冲击韧性 疲劳强度等 2金属材料力学性能 28 2020 4 24 作用在机件上的外力 载荷 F F MPa 外力 内力 应力 静载荷 动载荷 1 应力 应力 物体内部任一截面单位面积上的相互作用力 同截面垂直的称为 正应力 或 法向应力 同截面相切的称为 剪应力 或 切应力 1应力应变曲线 拉伸实验测定 2金属材料力学性能 29 2020 4 24 F F 拉伸前 拉伸后 应变 物体形状尺寸所发生的相对改变 物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为 线应变 2 应变 30 2020 4 24 1 弹性变形 材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 3 两种基本变形 31 2020 4 24 2 塑性变形 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 32 2020 4 24 拉伸试验 F F L 拉伸前 拉伸后 3 2拉伸试验 33 2020 4 24 k m m 极限载荷点 F p p 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 o 材料的拉伸曲线 1 op段 直线 弹性变形 2 ps段 曲线 弹性变形 塑性变形 5 m点出现缩颈现象 即试样局部截面明显缩小 试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 而后降低 但变形量增大 K点时试样发生断裂 3 ss 段 水平线 略有波动 明显的塑性变形屈服现象 作用的力基本不变 试样连续伸长 4 s m曲线 弹性变形 均匀塑性变形 s 34 2020 4 24 变形三阶段 1 弹性变形 2 塑性变形 3 断裂 35 2020 4 24 低碳钢应力应变曲线 1 弹性变形 特点 应力撤消后 变形消失 应力与应变成正比关系 总变形量很小 1 主要性能指标 弹性极限 e 保持弹性变形的最大应力 MPa弹性模量E E 36 2020 4 24 2 塑性变形 应力撤消后 变形仅部分消失 存在残余 永久性的变形 特点 1 变形具永久性 不可逆性 2 应力与应变非正比关系 3 变形量较大 可以塑性加工的原因 37 2020 4 24 塑性变形中的重要指标 承受的应力大小 断裂前塑性变形量的大小 抗拉强度 b 抵抗最大均匀塑性变形的应力值 屈服强度 s 抵抗微量塑性变形的应力值 断后伸长率 断面收缩率 38 2020 4 24 2 3力学性能及指标 一 强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度 按外力作用的性质不同 分为 屈服强度 e 抗拉强度 b 抗压强度 bc 抗剪强度 b等 39 2020 4 24 1 屈服强度 屈服极限 屈服点 当载荷增达到s点时 拉伸曲线出现了平台 即试样所承受的载荷几乎不变 但塑性变形不断增加 这种现象称为屈服 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力 用 s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 40 2020 4 24 条件屈服强度 0 2有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段 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 0 2 脆性材料拉伸试验的屈服点 试样卸除载荷后 其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0 2 时的应力 用符号 0 2表示 41 2020 4 24 应用 s和 0 2常作为零件选材和设计的依据 脆性材料的屈服点 L F 0 F0 2 计算公式 2 3力学性能及指标 42 2020 4 24 工业上使用的某些金属材料 如高碳钢 铸铁等 在拉伸过程中 没有明显的屈服现象 无法确定其屈服点 s 按GB T2228规定 可用屈服强度 0 2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值 屈服强度为试样标距部分产生0 2 残余伸长时的应力值 即 0 2 F0 2 Ao式中F0 2 试样标距产生的0 2 残余伸长时载荷 N Ao 试样的原始横截面积 mm2 屈服强度的测定 2 3力学性能及指标 43 2020 4 24 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 2 抗拉强度 强度极限 材料承受最大载荷时的应力 用 b表示 44 2020 4 24 屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择 评定金属材料时有重要意义 材料不能在超过其 s的条件下工作 否则会引起机件的塑性变形 更不能超过其 b的条件下工作 否则会导致机件的破坏 2 3力学性能及指标 45 2020 4 24 二 硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 是指金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 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 金属材料的硬度可用硬度仪来测试 常用的硬度指标有布氏硬度HBW 洛氏硬度 HRA HRB HRC等 和维氏硬度HV 1 布氏硬度HB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S 压痕面积 布氏硬度试验原理图 46 2020 4 24 计算公式 压头是直径为D的钢球或硬质合金球 HBS 压头为钢球 用于测量 450HBS HBW 压头为硬质合金 用于测量 450HBW 650HBW 布氏硬度计 压印钢球 钢材 47 2020 4 24 特点 布氏硬度因压痕面积较大 HB值的代表性较全面 而且实验数据的重复性也好 由于淬火钢球本身的变形问题 不能试验太硬的材料 一般测HB450以下的材料 硬质合金可测HB450以上的材料 由于压痕较大 不能进行成品检验 通常用于测定较软材料 铸铁 有色金属 低合金结构钢等材料的硬度 通常碳素钢 b HB 2 3力学性能及指标 48 2020 4 24 实验时是根据测量到的压入深度 转变成刻度盘上的数据 2 洛氏硬度HR用金刚石圆锥或钢球作压头 在规定的预载荷和总载荷下 压入材料 卸载后 测其深度 由公式求出 可在洛氏硬度计上直接读出 无单位 特点 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料 而且压痕很小 几乎不损伤工件表面 在钢件热处理质量检查中应用最多 洛氏硬度由于压痕较小 硬度代表性就差些 如果材料中有偏析或组织不均匀的情况 则所测硬度值的重复性也差 49 2020 4 24 1 首先加载初试验力F0 将压头 金刚石圆锥压头或球压头 压入试件表面 计初始位移h0 2 然后加载主试验力F1 保持一定时间 此时压头位移为h1 之后卸除主试验力F1 3 保持初试验力F0 测量此刻的压头位移h2 4 按下述公式 计算出洛氏硬度值 式中位移单位为mm 标尺应用公式 A D CHR 100 h2 h0 0 002E B G H F K P M L R S VHR 130 h2 h0 0 002N THR 100 h2 h0 0 001 50 2020 4 24 常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围 符号HR前面的数字表示硬度值 HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺 例 45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45 2 3力学性能及指标 51 2020 4 24 洛氏硬度标尺的选择 HRA 硬质材料的洛氏硬度 如硬质合金 很薄很硬的钢材 表面硬化层较薄的钢材 HRB 低合金钢 软合金 铜合金 铝合金及可锻铸铁等中 低硬度材料 HRC 一般钢材 硬度较高的铸件 淬火回火的合金钢等 HRN HRT 测极薄工件及氮化层 金属镀层的表面硬度 替代GB T1818 1994 2 3力学性能及指标 52 2020 4 24 维氏硬度 压痕单位表面积上所承受的平均压力值 金刚石正四棱锥体压头 硬度表示方法 HBS200HBW400HRA55HRB30HRC45HV900HV1100 F 3维氏硬度 53 2020 4 24 2 3力学性能及指标 54 2020 4 24 肖氏硬度 试验是一种动载试验法 其原理是将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面 根据重锤回跳的高度来表征测量硬度值大小 符号为HS 重锤回跳得越高 表面测量越硬 A90属金刚钻的硬度 D45属淬火钢的硬度 4肖氏硬度 2 3力学性能及指标 55 2020 4 24 材料抵抗另一硬物压入其内的能力 即受压时抵抗表面局部塑性变形的能力 衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系 1 布氏硬度 HB 较软材料 有色金属 灰口铸铁等 2 洛氏硬度 HR 硬度中等 钢铁材料具体 HRA HRB HRC其中HRC 软硬范围较宽 应用最广 3 维氏硬度 HV 较硬材料 4 肖氏硬度 HS 测定精密量具和大型金属件 2 3力学性能及指标 二 硬度 56 2020 4 24 三 动载时材料的力学性能1 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度 常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度 2 3力学性能及指标 57 2020 4 24 试验时 将试样放在试验机两支座上 把质量为m的摆锤抬到高H 使摆锤具有位能为mHg 摆锤落下冲断试样后升至h高度 具有位能为mhg 故摆锤冲断试样推动的势能差为mHg mhg 这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK 即AK mg H h 用试样的断口处截面积SN cm2 去除AK J 即得到冲击韧性 用ak表示 单位为J cm2 aK AK SN 58 2020 4 24 在冲击载荷下工作的零件 很少是受大能量一次冲击而破坏的 往往是受小能量多次重复冲击而破坏的 试验表明 在冲击能量不太大的情况下 其承受反复冲击的能力主要取决于强度 而不是很高的冲击韧性ak 材料韧性判据为冲击韧性ak 低值为脆性材料 高值为韧性材料 2 3力学性能及指标 59 2020 4 24 金属的 k与温度直接相关 1 T k 2 存在韧脆转变温度Tk 当T Tk时 金属为脆性状态 k 脆性区 韧性区 60 2020 4 24 当外力应力或裂纹尺寸增加到一定值时 裂纹突然快速扩展 最终使材料脆断 这个应力强度因子的临界值 称为断裂韧性 2断裂韧性 2 3力学性能及指标 61 2020 4 24 当材料内部存在裂纹缺陷时 断裂韧度KIc 裂纹尖端产生应力集中 应力被放大 62 2020 4 24 当 a达到某临界值时 裂纹失稳扩展 此时的KI称为断裂韧度KIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能 引入应力场强度因子 应力大小 裂纹尺寸 裂纹形状 63 2020 4 24 四 疲劳概念 基本概念载荷 金属材料在加工及使用过程中所受的外力 根据载荷作用性质的不同分 1 静载荷 大小不变或变化过程缓慢的载荷 2 冲击载荷 在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷 3 交变载荷 大小 方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷 内力 工件或材料在受到外部载荷作用时 为保持其不变形 在材料内部产生的一种与外力相对抗的力 称为内力 应力 假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布 单位横截面积上的内力 2 3力学性能及指标 64 2020 4 24 对称循环交变应力 1 疲劳断裂虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度 但在长时间运转后也会发生断裂 这种现象称为疲劳断裂 四 疲劳概念 65 2020 4 24 2 疲劳强度许多零件如曲轴 齿轮 连杆 弹簧等在交变载荷作用下工作 发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度 这种现象叫疲劳破坏 据统计 80 机件失效是由于疲劳破坏 疲劳强度 金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力 2 3力学性能及指标 66 2020 4 24 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线 即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系 有色金属N 108 钢材N 107不疲劳破坏疲劳曲线疲劳破坏原因 材料有杂质 表面划痕 能引起应力集中 指受力构件由于几何形状 外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象 导致微裂纹 裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏 不断裂 断裂点 断裂 67 2020 4 24 3 疲劳曲线与疲劳极限 试验证明 金属材料所受最大交变应力 max愈大 则断裂前所受的循环周次N 定义为疲劳寿命 愈少 这种交变应力 max与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或 N曲线工程上规定 材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限 以符号 1表示 2 3力学性能及指标 68 2020 4 24 钢铁材料 107次非铁合金 108次 据统计 机械零件断裂中有80 是由于疲劳引起 2 3力学性能及指标 69 2020 4 24 部分工程材料的疲劳极限 1 MPa 2 3力学性能及指标 70 2020 4 24 4产生疲劳破坏的原因 材料有杂质 表面划伤等缺陷 应力集中 微裂纹 裂纹扩展 破坏 2 3力学性能及指标 71 2020 4 24 5提高材料疲劳极限的途径 1 设计方面尽量使用零件避免交角 缺口和截面突变 以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹 2 材料方面通常应使晶粒细化 减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷 如疏松 气孔和表面氧化等 3 机械加工方面要降低零件表面粗糙度值 4 零件表面强化方面可采用化学热处理 表面淬火 喷丸处理和表面涂层等 使零件表面造成压应力 以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性 2 3力学性能及指标 72 2020 4 24 五 塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力 1 伸长率 试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比 L断后 L原始 L原始 L L0 2 断面收缩率 试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比 A原始 A断后 A原始 A A0 2 3力学性能及指标 73 2020 4 24 越高 材料的塑性越好通常 5 脆性材料塑性的意义 成形安全 2 3力学性能及指标 74 2020 4 24 3金属材料的物理和化学性能 一 金属材料的物理性能是指金属材料在重力 温度 电磁等物理作用下表现出的性能 包括 密度 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 导磁性等 1 密度 是物体的质量与其体积的比值 2 熔点 是指金属材料从固态转变为液态的转变温度 3 导电性 是指金属传导电流的能