第一章金属材料主要性能x

1、第一篇 金属材料导论 第一章、金属材料主要性能 第二章、金属和合金的晶体结构与结晶 第三章、铁碳合金 第四章、钢的热处理 第一章 金属材料主要性能 使用性能: 力学 物理 化学 工艺性能: 铸造 锻造 焊接 切削加工 热处理 材料材料-组织组织-性能性能 1 1 金属材料机械性能金属材料机械性能 外力（静载、动载）（静载、动载） 材料-性能 （弹性、塑形、刚度、强度、（弹性、塑形、刚度、强度、 冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性） 是指金属材料在外力的作用下所表现出是指金属材料在外力的作用下所表现出 来的抵抗能力。来的抵抗能力。 w强度：强度：材料抵抗破坏的能力 w刚度

2、：刚度：材料抵抗变形的能力（E、G） w塑性：塑性：材料破坏时，遗留变形的大小 伸长率、断面收缩率 w硬度：硬度：材料抵抗硬物压入的能力 布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC、 维氏硬度HV 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力 疲劳极限疲劳极限-1 -1:金属材料在无数次交变载荷 作用时不破坏的最大应力。 w影响力学性能的主要因素影响力学性能的主要因素 1、含碳量含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。 2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P 3、合金元素合金元素 加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学 性能，并获得某些特殊的物理和化学性能 4、温度温度 一般，低温条件下强度

3、有所增加，塑性和冲击韧 性下降 ，高温条件下相反。 5、热处理工艺热处理工艺 拉伸试验拉伸试验 拉伸试验机拉伸试验机 强度强度 塑性塑性 液压式万能电子材料试验机 * 拉伸试样拉伸试样： 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0 d0 L0 力力伸长曲线伸长曲线 F e s b k L Fs Fb O 屈服屈服 弹弹 性性 变变 形形 缩颈缩颈 断裂断裂 塑塑 性性 变变 形形 塑性变形塑性变形: :外力外力 去除后不能消失去除后不能消失 的变形的变形 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 一、弹性一、弹性( elasticity ) 金属材料受外力作用时产生变形金属材料受外力作用时产生变

4、形, ,当外力当外力 去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 弹性变形弹性变形( elastic deformation ) 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。 弹性极限弹性极限( elastic limit ) Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N )( N ) e = ( M pa )( M pa ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)( mm2) 力力伸长曲线伸长曲线 F e s b k L Fs Fb O 屈服屈服 弹弹 性性 变变 形形 缩颈缩颈 断裂断裂 塑塑 性性 变变 形形 弹性阶段弹性阶段 弹性极限弹性极限 p

5、屈服阶段屈服阶段 屈服点屈服点 s 强度极限强度极限 b 颈缩阶段颈缩阶段 强度强度(strength) 材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。 种类种类: 抗拉强度抗拉强度 抗压强度抗压强度 抗弯强度抗弯强度 抗剪强度抗剪强度 抗扭强度抗扭强度 (2)屈服强度屈服强度( yield strength) 屈服点屈服点 S Fs s = ( M pa ) S0 试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N )( N ) 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉 伸

6、过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点s s ， ， 按按GB/T2228GB/T2228规定，可用规定，可用屈服强度屈服强度0.2 0.2来表示该材料开始产生 来表示该材料开始产生 塑性变形时的最低塑性变形时的最低 应力值。屈服强度为试样标应力值。屈服强度为试样标 距部分产生距部分产生0.2%0.2%残余伸长时残余伸长时 的应力值，即的应力值，即 0.2 0.2=F =F0.2 0.2/A /Ao o 式中式中 F F0.2 0.2 试样标距产生的试样标距产生的0.2%0.2%残残 余伸长时载荷（余伸长时载荷（N N）；）； A Ao o试

7、样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mmmm2 2）。）。 屈服强度的测定 规定残余伸长应力规定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0 s l F0.2 0.2%l0 o (3)抗拉强度抗拉强度( tensile strength ): 试样在断裂前所能承受的最大应力试样在断裂前所能承受的最大应力。 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 力 学 性 能 强度 硬度 韧性 断裂韧度 疲劳 主要指标：主要指标： 塑性 塑性塑性(plasticity) 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破

8、坏的是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的 能力。能力。 (1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction inarea) 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1的收缩量与原始横截面的收缩量与原始横截面 积积S S0 0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率) specific elongation 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L 1与原始标距与原始标距L 0之比之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料属塑性材料 长试样：10 简写为简写为 短试样：5 w

9、同一种材料的5 10 硬度硬度( hardness )( hardness ) 1.1.定义：定义： 是指材料抵抗其它更硬物体压入是指材料抵抗其它更硬物体压入 其表面的能力。其表面的能力。 2.2.硬度试验方法：硬度试验方法： （1 1）压入法）压入法 （2 2）划痕法）划痕法 （3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 维氏硬度维氏硬度HVHV 压入法压入法 ( (一一) )布氏硬度布氏硬度 HB(Brinell- HB(Brinell- hardness)hardness) 布氏硬度计布氏硬度计 1.1.压头：压头： 淬火钢球淬火钢球 HBSHBS 硬

10、质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW 2.2.试验原理：试验原理： 用一定直径的 压头（球体），以 相应试验力压入待 测表面，保持规定 时间卸载后，测量 材料表面压痕直径， 以此计算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22 布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用淬火钢球压头选用淬火钢球压头 例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS 布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 选用选用硬质合金球压头压头 例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW 3.3.标注：标注： 如如HBS120

11、HBS120或在或在符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示之前的数字表示 硬度值硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示，符号后面的数字按顺序分别表示球球 体直径体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。 如如: :120HBS120HBS1010/ /10001000/ /3030表示表示直径为直径为10mm10mm的钢的钢 球球在在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷）载荷作用下作用下保持保持 30s30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120120。 4. 4. 特点：特点： 优点 测量误差小（因压痕大），数据稳测量误差小（因压痕大），数据稳

12、定，重复性强。定，重复性强。 缺点压痕面积较大，测量费时。压痕面积较大，测量费时。 应用 常用于测量较软材料、灰铸铁、有常用于测量较软材料、灰铸铁、有 色金属、退火正火钢材的硬度。色金属、退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。 ( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness ) 1.1.压头：压头： 120120金刚石圆锥体钢球金刚石圆锥体钢球 钢球钢球 HRAHRA HRCHRC HRBHRB 2.2.试验原理：试验原理： 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直 径1.588

13、mm的淬火钢球，以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后卸除 主试验力，以测量的残余压痕深度增量 来计算出硬度值。 0 0 1 1 2 33 2 h1 h2 h3 h 1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h1 2-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h2 3-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3 最后测得：最后测得： 残余压痕深度增量 h h HR=C-h/0.002 h=h3-h1h=h3-h1 HR=h/0.002 洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示： wHRA7085 wHRB25100 wHRC2070 HRA、HRB、HRC分别测得的硬

14、度，不可直接比较大小 例如：例如： HRC50HRA 70 HRC50HRC 40 HRB50HRC 40 3.3.特点：特点： 优点优点：测量操作简单，方便快捷， 压痕小；测量范围大，能测 较薄工件。 缺点缺点：测量精度较低，可比性差， 不同标尺的硬度值不能比较。 应用应用： ( (三三) )维氏硬度维氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness ) 维 锥面夹角为锥面夹角为 136136的金刚石的金刚石 正四棱锥体正四棱锥体 1.1.压头：压头： 2.2.试验原理：试验原理： 与布氏硬度试验原理

15、基本相同。与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。只是压头改用了金刚石四棱锥体。 以一定的试验力将以一定的试验力将 压头压入试样表面，压头压入试样表面， 保持规定时间卸载后，保持规定时间卸载后， 在试样表面留下一个在试样表面留下一个 四方锥形的压痕，测四方锥形的压痕，测 量压痕两对角线长度，量压痕两对角线长度， 以此计算出硬度值。以此计算出硬度值。 用压痕两对角线的 平均长度来计算。 H V=F/S a a d 3.3.标注：标注： 与布氏硬度基本相同，如 HV 580 或在后面要标注试验条件试验 力和保持时间（1015S不标）。 例：580HV30表示用30kgf (29

16、4.2N)试验力保持1015S测 定的维氏硬度值为580。 4.4.特点：特点： 优点优点： 适用范围广，从极软到极硬材料都 可测量;测量精度高，可比性强； 能测较薄工件。 缺点缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。 应用应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄 件表面硬度检验。不适于大批生产 和测量组织不均匀材料。 韧性(toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力。的能力。 1.1.定义：定义： 冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图 2.2.金属的夏氏冲击试验金属的夏氏冲击试验: : 试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的

17、冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) g g 冲击韧性冲击韧性k k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的就是试样缺口处单位截面积上所消耗的 冲击吸收功冲击吸收功 AK k = (J/cm) S0 3.3.韧脆转变温度韧脆转变温度: : -40-20020 20 40 60 k T(c) TT，k k急剧急剧 韧性韧性脆性脆性 金属材料的韧脆转变温度金属材料的韧脆转变温度材料材料 的低温冲击韧性愈好的低温冲击韧性愈好 断裂韧度 1 1、低应力脆断、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服 点时就会发生脆性断裂。这种现象称 为低应力脆断。 式中：Y_裂纹的几何形状

18、因子; _外加应力（N/mm2）； a_裂纹的半长（mm）； K1_ 强度因子（MPam1/2或 MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时， 零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现 低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零 件安全可靠。 K K1 1= =YaYa 2 2、应力场强度因子、应力场强度因子 当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳失稳 扩展扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零 件安全可靠。 3 3、断裂韧性、断裂韧性K K1C 1C 材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧性表示。材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧性表示。 w反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的

19、能 力。 wK1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性， 与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 w为安全设计提供了一个重要的力学性能指标 常见工程材料的断裂韧性常见工程材料的断裂韧性K1C值（值（MNm-3/2） 根据K1=Ya K1C的临界判据知： 为使零件不发生脆断，设计者可以控制 三个参数：材料的断裂韧性K 1C 、名义工 作应力和零件内的裂纹长度a，它们之 间的定量关系能直接用于设计计算，可以 解决以下三方面的工程实际问题： 1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂 纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧性K1C，为正确 选材提供依据； 2）根据零件所使用的材料断裂韧性K1C及已探 伤出的零件

20、内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临 界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供 依据； 3）根据已知材料的断裂韧性K1C和零件的实际 工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为 零件的裂纹探伤提供依据。 1、疲劳现象 零件在循环应力的作用，即 使工作时承受的应力低于材料的 屈服点或规定残余伸长应力，在 经受一定的应力循环后也会发生 突然断裂，这种现象称为疲劳疲劳。 疲劳（ ） 对称循环交变应力对称循环交变应力 疲劳曲线与疲劳极限疲劳曲线与疲劳极限 w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SN曲线曲线 w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。 疲劳曲线疲劳曲线 -1 N n 2 1 N1N2NnNc 钢铁材料：107次 非铁合金：108次 2、疲劳极限-1: 表示金属材料在无数次交变载荷作表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。用而不破坏的最大应力。 部分工程材料的疲劳极限部分工程材料的疲劳极限-1 -1（ （MPaMPa） 1943年美国年美国T-2油