金属材料的性能

1、1 1 n 金属材料内部的微观形貌称做显微组织（简称组织）。金属材料内部的微观形貌称做显微组织（简称组织）。n 组织由组织由和和方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。单相组成，也可以由多相组成。 例如例如, , 图（图（a a）为纯铁的室温平衡组织。这种组织叫铁素体，由颗粒状的单相）为纯铁的室温平衡组织。这种组织叫铁素体，由颗粒状的单相相相( (也称铁素体相也称铁素体相) )组成。图（组成。图（c c）是碳质量分数为）是碳质量分数为 0.77%0.77%的铁碳合金的室温平衡组织的铁碳合金的室温平衡组织, , 叫珠光体。它

2、是由粗片状的叫珠光体。它是由粗片状的相和细片状的相和细片状的FeFe3 3C C相两相相间所组成，等等。相两相相间所组成，等等。 （a）500 （b）500 (c) 500 (d)500 w(c)=0.01%(F) w(c)=0.45%(F+P) w(c)=0.77%(P) w(c)=1.0%(P+Fe3C) 四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织2 2 不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。 纯铁经冷拔后纯铁经冷拔后, , 其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶

3、粒。其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。碳含量为碳含量为0.77% 0.77% 的铁碳合金经球化退火后的铁碳合金经球化退火后, , 得到的组织为球状珠光体。这种组织与室得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样。温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样。 金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。金属材料的化学成分一定时金属材料的化学成分一定时, , 工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。3 3 图为三种不同组织的灰口铸铁。灰口铸铁（图为三种不同组织的灰口铸铁。灰

4、口铸铁（ a a）的组织为铁素体和片状石墨；灰）的组织为铁素体和片状石墨；灰口铸铁（口铸铁（ b b）的组织为铁素体和团絮状石墨）的组织为铁素体和团絮状石墨; ;灰口铸铁（灰口铸铁（c c）的组织为铁素体和球状石）的组织为铁素体和球状石墨。它们的基体都是铁素体墨。它们的基体都是铁素体, , 但石墨的形态不同但石墨的形态不同, ,使它们的抗拉强度相差很大。（使它们的抗拉强度相差很大。（a a（b b）、（）、（c c）三种灰口铸铁的抗拉强度分别为）三种灰口铸铁的抗拉强度分别为 150 MPa150 MPa、350 MPa350 MPa和和420420 MPa MPa。冲击。冲击韧性最高的是灰口铸

5、铁（韧性最高的是灰口铸铁（c c）, , 其次为（其次为（b b）, , 最低的是（最低的是（a a）。）。 (a) (b) (a) (b) (c)(c)灰口铸铁的组织灰口铸铁的组织4 4 纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形, , 同时其内部位错密度等晶体缺陷增多同时其内部位错密度等晶体缺陷增多, , 其强度其强度与硬度均比未变形前要高得多。纯铁经变形度为与硬度均比未变形前要高得多。纯铁经变形度为 80%80%的冷拔变形后的冷拔变形后, , 其抗拉强度由冷其抗拉强度由冷拔前的拔前的 180MPa 180MPa 提高到提高到500MPa500MPa。冷变形对纯铁的物理、化学

6、性能也有较大的影响。冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响, , 如如导电性、耐蚀性降低。导电性、耐蚀性降低。 碳含量为碳含量为0.77%0.77%的铁碳合金的铁碳合金, , 室温平衡组织中含有片状的室温平衡组织中含有片状的FeFe3 3C C相相, , 其硬度高达其硬度高达800HB800HB。切削加工时。切削加工时, , 车刀要不断切断车刀要不断切断FeFe3 3C C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后, , FeFe3 3C C相变为分散的颗粒状，切削时对刀具的磨损较小相变为分散的颗粒状，切削时对刀具的磨损较小, , 使切削性能得到提高。使切削性

7、能得到提高。n 金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定; ;n 金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定; ;n 不同组织结构的材料具有不同的性能不同组织结构的材料具有不同的性能; ;5 5 金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。n 工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能；焊接性能、切削加工性能和热处理性能；n 使用性能是指金属材

8、料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。和化学性能。金属材料性能金属材料性能工艺性能工艺性能使用性能使用性能力力学学性性能能铸铸造造性性能能物物理理性性能能化化学学性性能能锻锻造造性性能能焊焊接接性性能能热热处处理理性性能能切切削削加加工工性性能能6 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。来衡量。 熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型

9、，从而获得外形完整、尺寸精确金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。、轮廓清晰的铸件。 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好材料的收缩率越小越好。 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能

10、有很大的差异，降低铸件的质量。件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。 7金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。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。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含

11、量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于量分数低于0.18 %0.18 %的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性焊接性能越差。能越差。 8 材料切削加工性能是指材料是否适合切削加工的性能材料切削加工性能是指材料是否适合切削加工的性能 切削加工性能评价切削加工性能评价: :n 切削后的表面质量切削后的表面质量n 刀具寿命刀具寿命 金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分钢的

12、化学成分( (如加入少量铅、磷等元素如加入少量铅、磷等元素) )和进行适当的热处理和进行适当的热处理( (如低碳钢进行正火，高如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火碳钢进行球化退火) )可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。 n 钢的热处理工艺性能主要考虑其钢的热处理工艺性能主要考虑其, , 即钢接受淬火的能力即钢接受淬火的能力; ;n 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透性比较好等合金元素的合金钢淬透性比较好, , 碳钢的淬透性较差。铝合金的热碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严处理要求较严; ;n 铜合金只有几种

13、可以用热处理强化铜合金只有几种可以用热处理强化; ; 9 金属材料的机械性能既是指力学性能金属材料的机械性能既是指力学性能, ,是金是金属材料在外力作用时表现出来的性能。属材料在外力作用时表现出来的性能。包括：包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。等。10 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, 材料的强度用拉伸试验测定。材料的强度用拉伸试验测定。 金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个： 表示材料保持弹性变形表示材料保持弹性变形, , 不产生永久变形的最大不产生永久变形的最大应力应

14、力, , 是弹性零件的设计依据。是弹性零件的设计依据。 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, , 铸铁等铸铁等材料没有明显的屈服现象材料没有明显的屈服现象, , 则用条件屈服点（则用条件屈服点（0.20.2）来表示来表示: : 产生产生0.2%0.2%残余应变时的应力值。残余应变时的应力值。 表示金属受拉时所能承受的最大应力（断裂之前表示金属受拉时所能承受的最大应力（断裂之前所承受的最大应力）。所承受的最大应力）。 屈强比屈强比 越小越安全越小越安全bs11e e 、0.20.2 、b b是机械零件和构件设计和选材的的主要依据。是机械零件和构件设计和选材的的主

15、要依据。金属材料的强度与其化学成分和工艺，尤其是热处理工艺密切相关。金属材料的强度与其化学成分和工艺，尤其是热处理工艺密切相关。退火状态的三种碳钢抗拉强度：退火状态的三种碳钢抗拉强度：n 含碳量含碳量0.4%0.4%的碳钢调质（淬火加高温回火）后，抗拉强度的碳钢调质（淬火加高温回火）后，抗拉强度700700800MP800MP；n 合金钢的抗拉强度合金钢的抗拉强度100010001800MP1800MP；n 纯金属抗拉强度：铁纯金属抗拉强度：铁200MP200MP、铜、铜60MP60MP、铝、铝40MP40MP；n 铜合金和铝合金的抗拉强度：铜合金铜合金和铝合金的抗拉强度：铜合金6006007

16、00MP700MP、铝合金、铝合金400400600MP600MP；成分（含碳量）成分（含碳量）0.2%0.2%0.4%0.4%0.6%0.6%抗拉强度抗拉强度350MP350MP500MP500MP700MP700MP12 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性, , 用用和和来表示。 在拉伸试验中在拉伸试验中, , 试样拉断后试样拉断后, , 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 试样拉断后试样拉断后, , 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称

17、为断面收缩率。（塑性好的金属在压力加工时的变形能力强，但切削加工性不好，因为切削加工时要（塑性好的金属在压力加工时的变形能力强，但切削加工性不好，因为切削加工时要保持一定的硬度，因此一般在加工之前采用一定的热处理方式提高其硬度。）保持一定的硬度，因此一般在加工之前采用一定的热处理方式提高其硬度。） 金属材料的金属材料的和和数值越大，表示材料的塑性越好；数值越大，表示材料的塑性越好；llAA13 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。 及及的不同可分为的不同可分为: : 布氏硬度（布氏硬度（HBHB

18、）、洛氏硬度（）、洛氏硬度（HRHR）、维氏硬度（）、维氏硬度（HVHV）、肖氏硬度（）、肖氏硬度（HSHS）等多种。）等多种。前三种都是静载荷压入法。肖氏硬度是动载荷压人法也称为弹性回跳法，适用于对大前三种都是静载荷压入法。肖氏硬度是动载荷压人法也称为弹性回跳法，适用于对大型构件现场测量。型构件现场测量。 硬度值不仅可直接反映出材料的硬度，而且可以间接地反映出材料的强度。硬度值不仅可直接反映出材料的硬度，而且可以间接地反映出材料的强度。 HRCHVHB10HSHB6 14 用符号用符号HBS(HBS(当用钢球压头时当用钢球压头时) )或或HBW(HBW(当用硬质合金球时当用硬质合金球时) )

19、来表示。来表示。 22dDDDFHB 2一定直径的球体一定直径的球体( (钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球) )在一定载荷作用下压入试样表面，保持一在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径定时间后卸除载荷，测量其压痕直径, , 计算硬度值。计算硬度值。：退火状态的钢材、铸铁、有色金属等也用于调制处：退火状态的钢材、铸铁、有色金属等也用于调制处理的机械零件。铝合金和铜合金的硬度低，铝合金硬度一般低于理的机械零件。铝合金和铜合金的硬度低，铝合金硬度一般低于150HBS150HBS，铜合金的，铜合金的硬度范围大约是：硬度范围大约是：70HBS70HBS200HBS200H

20、BS，退火低碳钢、中碳钢、高碳钢的硬度大致为：，退火低碳钢、中碳钢、高碳钢的硬度大致为： 120HBS120HBS180HBS180HBS、 180HBS180HBS250HBS250HBS、 250HBS250HBS350HBS350HBS。15洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。 压痕越深表示材料硬度越低压痕越深表示材料硬度越低, ,根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有示方式有HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC三种。三种。 洛氏硬度的压痕小直接读数、

21、操作简单，可测量低洛氏硬度的压痕小直接读数、操作简单，可测量低硬度、高硬度硬度、高硬度应用广泛。应用广泛。用于试验各种钢铁原材料、有色金属、淬火后工件及硬质合金等。用于试验各种钢铁原材料、有色金属、淬火后工件及硬质合金等。 中碳钢淬火后硬度可达：中碳钢淬火后硬度可达：50HRC50HRC58HRC58HRC，高碳钢，高碳钢60HRC60HRC65HRC65HRC。 16 维氏硬度是用正四棱锥金刚石的压头测量的。维氏硬度是用正四棱锥金刚石的压头测量的。 硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力，不同的是硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力，不同的是压痕形状是正四棱锥。维氏硬度代号压痕形状是正四棱锥。维氏硬度代号HVHV。 优点：仅用一种压头配以适当的试验力就可以对薄厚不同的工件从高硬度到低硬优点：仅用一种压头配以适当的试验力就可以对薄厚不同的工件从高硬度到低硬度进行较大范围的测量。克服了布氏硬度不适宜用于测量高硬度和洛氏硬度不适合测度进行较大范围的测量。克服了布氏硬度不适宜用于测量高硬度和洛氏硬度不适合测量太低硬度的的不足。量太低硬度的的不足。17 许多机械零件和工具在工作中许多机械零件和工具在工作中, , 往往要受到冲击载荷的作用往往要受到冲击载荷的作用, , 如活塞销、锤杆、