第二章金属材料的性能

1、金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 第二章 金属材料的性能 21 金属材料的损坏与塑性变 形 22 金属的力学性能 23 金属的工艺性能 24 力学性能实验 金属材料的性能是零件设计中选材的主要依据，也 是技术工人在加工过程中合理选择加工方法、正确刃磨 刀具、合理选择切削用量的重要保证。 金属材料的性能 使用性能 工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 金属材料在使用条 件下表现出来的性能 金属材料在制造工 艺过程中适应加工的能 力 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 机械零件常见的损坏形式 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 因摩擦而使零

2、件尺寸、表面形 状和表面质量发生变化的现象，称 为磨损。 磨损 零件在外力作用下发生开裂或 折断的现象，称为断裂。 断裂 零件在外力作用下形状和尺寸 发生的变化称为变形。变形分为弹 性变形（外力消除后能够恢复的变 形）和塑性变形（外力消除后不能 恢复的永久变形）。造成零件损坏 的变形通常为塑性变形。 铁钉的弯曲 变形 说明图样分类 齿轮的磨损 断裂的机械零件 21金属材料的损坏与塑性变形 合理地利用塑性变形有利的一面，可 以作为零件成形和强化的重要手段。 轧 制挤 压冷 拔锻 压冷 冲 压 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 一、与变形相关的几个概念 1、载荷 金属材料在加工

3、及使用过程中所受 的外力称为载荷。 （1）根据载荷作用性质不同： 大小不变或变化过 程缓慢的载荷 在短时间内以较高速度作 用于零件上的载荷 大小、方向或大小和方向随时 间发生周期性变化的载荷 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 载荷 静载荷 冲击载荷 交变载荷 （2）根据载荷作用形式不同： 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 载 荷 拉伸载荷压缩载荷 弯曲载荷剪切载荷扭转载荷 2、内力 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 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。 内力的大小与外力相

4、等，且作用于材料内部 3、应力 应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。 S F R R：应力，Pa； F：外力，N； S：横截面面积，m2。 应力的计算公式：应力的计算公式： 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 二、金属的变形 弹性变形弹性变形 弹塑性变形弹塑性变形 断裂断裂 金属变形实验 金属塑性变形的影响因素：金属塑性变形的影响因素： 1晶粒位向的影响 2晶界的作用 3晶粒大小的影响 滑移与位错 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化 金属的塑性变形，在

5、外形变化的同时，晶粒的形状 也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。 塑性变形后的金属组织 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化 外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶 格畸变加剧，从而使 形变强化（加工硬化）形变强化（加工硬化） 金属随着变形量的 增加，使其强度、硬度提高，而塑性、 韧性下降，这种现象称为形变强化或加 工硬化。 22金属的力学性能 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 任何机械零件或工具， 在使用过程中，往往要受到 各种形式外力的作用，这就 要求金属材料必须具有一种 承受机械载荷而不超过许可 变形或不破坏

6、的能力，这种 能力就是材料的力学性能力学性能。 一、强度 二、塑性 三、硬度 四、冲击韧性 *五、疲劳强度 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 一、强度 （一）强度的概念 1. 定义 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能 力。 2. 应用 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用 过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （二）强度的测定拉伸实验 1. 拉伸试样（GB/T228-2010） 长试样：长试样：L L0 0= =1010d d 短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d d试样直径

7、试样直径 Lo标距长度标距长度 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例） l 弹性变形阶段 l 屈服阶段 l 强化阶段 l 缩颈阶段 力拉伸曲线 A B C 强化强化 低碳钢拉伸试验 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比） L F 0 0 脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （三）强度指标 1 1、屈服强度当金属材料出现屈服现象时，在实验期 间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈

8、服强度ReH和下屈服强度ReL。 ReL 试样的下屈服强度，N/mm2； FeL 试样屈服时的最小载荷，N； So 试样原始横截面面积，mm2。 （ 大多数金属材料没有明显屈服现象，这些材料规定产生0.2残余伸长时 的应力为条件屈服强度条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度条件（名义）屈服强度。） 零件设计时常以屈服强度（ ReL 或 Rp0.2 ）作为选用金属材料的依据 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 2抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力。 Rm 抗拉强度，抗拉强度，MPa； Fm 试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明试样在屈服阶段后所能抵抗

9、的最大力（无明 显屈服的材料，为试验期间的最大力），显屈服的材料，为试验期间的最大力）， N； So 试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mm2 。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 二、塑性 塑性塑性材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。 1断后伸长率A 试样拉断后，标距的伸长量与原 始标距之比的百分率。 uo o LL A L ou o 1 0 0 % S S Z S L0试样原始的标距长度，mm Lu试样拉断后的标距长度，mm 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 2断面收缩率Z Z 试样拉断后，缩颈处面积变化量 与原始横截面面积比值的百分率。 o

10、u o 100% SS Z S S0试样原始的横截面面积，mm2 Su试样拉断后所经出的横截面面积， mm2 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 【例例】有一直径 d =10mm，Lo=100mm 的低碳钢试样， 拉伸实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm， Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。 解题过程 结论：金属材料的伸长率和断面收缩率越高，其塑性 越好。塑性好的材料易于变形加工，而且在受力过大时， 首先发生塑性变形而不致断裂，比较安全。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 三、硬度 硬度材料抵抗局部变形，特

11、别是塑性变 形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬 度试验机上实验测得的。 布氏硬度试验机 洛氏硬度试验机 维氏硬度试验机 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 1布氏硬度（HBW） 布氏硬度原理布氏硬度原理 布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平 均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符号 HBW表示： 22 2 0.102 () FF HBW S D DDd (1) 原理 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （2）表示方法 布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及 实验力保持时间表示。当保持时间为1015s时可不标。 例： （a）170

12、HBW10/1000/30： 直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验 力作用下，保持30 s时测得的布氏硬度值为170。 （b）600HBW1/30/20： 直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的试验 力作用下，保持20 s时测得的布氏硬度值为600。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （3）应用范围： 主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、 调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。 （4）优缺点： 压痕大，测量准确，但不能测量成品件。 布氏硬度试验布氏硬度试验 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 2洛氏硬度（HR） (1) 原理

13、洛氏硬度原理洛氏硬度原理 加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值 HR=100 002. 0 h 洛氏硬度试验原理 洛氏硬度计表盘 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （2）表示方法 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。 （3）应用范围： 常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围 硬度 标尺 压头类型 总测试 力(N) 硬度值 有效范围 应用举例 HRC120金刚石圆锥体1471.02067HRC一般淬火钢 HRB 1.5875mm 硬质合金 球 980.72

14、5100HRB 软钢、退火钢、铜合金 等 HRA 120金刚石圆锥体 588.46085HRA 硬质合金、表面淬火钢 等 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 （4）优缺点： 优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成 品件及高硬度 的材料。 缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。 洛氏硬度试验洛氏硬度试验 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 四、冲击韧性 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不 破坏的能力。（材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定） 1、冲击试样 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 2、冲击试验原理及方法 试验原理：试样

15、被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收 功（K ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。(用U形和V形缺口 试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示。) 冲击实验冲击实验 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 *五、疲劳强度 由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽 低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产 生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳疲劳 断裂断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力 称为疲劳强度疲劳强度。疲劳极限用符号R1表示。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 23金属材料的工艺性能 冶炼铸造 铸件 铸锭 热锻 热轧 焊接

16、机加工 冷轧、冷拔、冷冲 板料、棒材、 型材、管材 机加工 机加工 零 件 金属材料的工艺性能金属材料对不同加工工艺 方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工 性能和焊接性能、热处理性能等。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 一、铸造性能 铸造性能：金属在铸造成形的过程中，获得外形准确、内部 健全的铸件的能力。主要取决于金属的流动性、收缩性和偏 析倾向等。 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 1、流动性:熔融金属的流动能力称为流动性。 2、收缩性：铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过 程中，体积和尺寸减少的现象称为收缩性。 3、偏析倾向：金属凝固后

17、，内部化学成分和组织不 均与的现象称为偏析。 砂型铸造砂型铸造 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 二、锻压性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为 锻压性能 。常用塑性和变形抗力两个指标来综合 衡量。 世界最大的18500吨油压机油压机锻压得到的各种零件 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 特点：塑性越好，变形抗力越小，金属的锻压性能 越好：碳素钢中含碳量越低，锻压性能越好：合金 钢中合金元素的种类和含量越多，锻压性能越差， 钢中的硫会降低锻压性能。 锻造加工锻造加工 金属材料与热处理多媒体课件 第二章 金属材料的性 能 三、焊接性能 焊接性能：焊接性能是指金属材料对焊接加工的 适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得 优质焊接接头的难易程度 。 对碳钢和低合金钢而 言，焊接性能主要与 其化学成分有关（其 中碳的影响最大）。 如低碳钢具有良好的