第四章金属材料性能

1、第二篇第二篇 轮机工程材料轮机工程材料金属键金属键分子键和共价键分子键和共价键离子键、共价键离子键、共价键多种结合键多种结合键工程材料的分类工程材料的分类 按材料性质和结合键的性质分为按材料性质和结合键的性质分为一、金属材料一、金属材料 用量最大、应用最广泛用量最大、应用最广泛黑色金属：铁、锰铬或以它们为主形成的合金黑色金属：铁、锰铬或以它们为主形成的合金有色金属：除黑色金属以外的所有金属及其合金，铜、有色金属：除黑色金属以外的所有金属及其合金，铜、铝及其合金等。铝及其合金等。二、陶瓷材料（无机非金属材料）二、陶瓷材料（无机非金属材料）一种或多种金属元素与一种非金属元素的化合物。一种或多种金属

2、元素与一种非金属元素的化合物。包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。主要原料是硅酸盐矿物，又称硅酸盐材料。主要原料是硅酸盐矿物，又称硅酸盐材料。三、高分子材料三、高分子材料按来源分为天然高分子材料按来源分为天然高分子材料( (蛋白、淀粉蛋白、淀粉、纤维素等、纤维素等) )和人工高分子材料和人工高分子材料( (合成塑合成塑料、合成橡胶、合成纤维料、合成橡胶、合成纤维) )。按性能及用途可分为塑料、橡胶、胶粘按性能及用途可分为塑料、橡胶、胶粘剂、涂料剂、涂料。四、复合材料四、复合材料由基体材料增强材料复合而成。基体材由基体材料增强材料复合而成。基体材料有金属、陶瓷、塑

3、料等，增强材料有料有金属、陶瓷、塑料等，增强材料有各种纤维和无机化合物等。各种纤维和无机化合物等。烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯玻璃纤维增强高分玻璃纤维增强高分子复合材料子复合材料材料的性能材料的性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 力学性能力学性能 热处理性能热处理性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能锻造性能锻造性能切削加工性能切削加工性能冲压性能等冲压性能等 (指金属材料在指金属材料在使用过程中表现使用过程中表现出的性能出的性能)(指金属材料在指金属材料在加工过程中表现加工过程中表现出的性能出的性能)材料的性能材料的性能载荷载荷 金属所受的外力称载荷

4、，可载荷分为：金属所受的外力称载荷，可载荷分为： 1、静、静 载载 荷：大小不变或变化缓慢的载荷；荷：大小不变或变化缓慢的载荷； 2、冲击载荷：、冲击载荷：在短时间内以较高速度突然增加的在短时间内以较高速度突然增加的载荷；载荷； 3、交变载荷：大小或方向随时间作周期性变化的、交变载荷：大小或方向随时间作周期性变化的载荷。载荷。 根据载荷作用形式不同，可分为拉伸、压缩、弯根据载荷作用形式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等几种形式。曲、剪切和扭转等几种形式。 第一节金属材料的机械性能（力学性能）第一节金属材料的机械性能（力学性能） -是指金属材料在各种载荷作用下所是指金属材料在各种载荷作用

5、下所表现出来的抵抗变形或失效的能力。表现出来的抵抗变形或失效的能力。思考思考如果把铁丝和钢如果把铁丝和钢丝折弯有何区别丝折弯有何区别? 1.常温下的机械性能指标有常温下的机械性能指标有：刚度、强度、塑性、硬度、：刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。冲击韧度和疲劳强度等。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择：是选择和使用金属材料的重要依据和使用金属材料的重要依据常用的试验常用的试验：拉伸试验、冲击试验、硬度试验和疲劳试验：拉伸试验、冲击试验、硬度试验和疲劳试验试件断裂试件断裂k点点试件产生颈缩试件产生颈缩b点点试件在均匀塑性试件在均匀塑性变形阶段变形阶段cb段段试件在弹性变形阶段试

6、件在弹性变形阶段后后oa段，卸载后的形状段，卸载后的形状 oeoe段：段：弹性变形弹性变形 阶段；阶段； e e 点弹性极限；点弹性极限； ekek段：段：塑性变形塑性变形 阶段。阶段。包括：包括：eses段：段：微量塑性变形微量塑性变形阶段阶段 ss ss段：段：屈服屈服阶段；阶段； s sb b段：段：强化强化阶段；阶段； bk bk段：段：颈缩颈缩阶段；阶段；b b点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”； k k点：试样断裂；点：试样断裂； 变形过程变形过程kbFeslsPePbPo s应力与应变曲线应力与应变曲线应力应力 ：单位面积上试样承受的单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷载

7、荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积除以试样的原始横截面积F0表示表示: F = ( M pa ) F0应变应变：单位长度的伸长量。这里单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原用试样的伸长量除以试样的原始标距表示始标距表示: L = L0应力应变曲线应力应变曲线（ - 曲线）曲线） 形状和拉伸曲线基本相同，单位形状和拉伸曲线基本相同，单位不同不同思考思考怎样比较不同材料抵怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？抗外力能力的大小？kbFeslsPePbPo s（1）刚度）刚度 是金属材料在外力作用时抵抗是金属材料在外力作用时抵抗弹性变形的能力。弹性变形的能力。E越大，材料刚度越大，

8、即在一定应力作用下产生的弹性变形量越小；越大，材料刚度越大，即在一定应力作用下产生的弹性变形量越小；E的大小反应金属材料弹性变形的难易程度，主要取决于材料的本身的性质的大小反应金属材料弹性变形的难易程度，主要取决于材料的本身的性质E随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小；金化等对弹性模量的影响很小；可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。E与材料金属本性、晶格类型和原子间距有关系，而与材料的显微组织无关与材料金属本性

9、、晶格类型和原子间距有关系，而与材料的显微组织无关 E衡量材料刚度的指标是弹性模量：衡量材料刚度的指标是弹性模量：（2）强度）强度 金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力形和断裂的能力 屈服强度也称屈服极限屈服强度也称屈服极限（ s ）指材料抵抗微量塑性变形的能力指材料抵抗微量塑性变形的能力0.2:规定产生规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服强塑性变形时的应力作为条件屈服强度度0()ssPMPaS材料屈服时的外力（材料屈服时的外力（N）很重要，大多数很重要，大多数零件不允许有塑零件不允许有塑性变形性变形对有明显屈服现象对有明显屈服现象的材料特

10、有的指标的材料特有的指标对无明显屈服现对无明显屈服现象的材料象的材料抗拉强度又称强度极限抗拉强度又称强度极限(b) 金属材料抵抗断裂的能力金属材料抵抗断裂的能力材料从开始受力到断裂为止所能承受的最大应力值材料从开始受力到断裂为止所能承受的最大应力值0()bbPMPaS试样在断裂时所承受的最大拉力（试样在断裂时所承受的最大拉力（N）屈服强度与抗拉强度的比值 S S / b称为屈强比屈强比。屈强比小小，工程构件储备强度越大储备强度越大，可靠性高可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。一般制造弹性零件的材料具有较高的屈强比，通常0.8%（3）塑性）塑性 金属材料在外力作用

11、下产生塑性变形而金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。不破坏的能力。衡量金属材料塑性的指标有衡量金属材料塑性的指标有： 延伸率延伸率和和断面收缩率断面收缩率延伸率延伸率0100%oLLL试样拉断后的标距（试样拉断后的标距（mm）LoL 试样原始标距（试样原始标距（mm）断面收缩率断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）F oF 试样原始截面积（试样原始截面积（mm2）00100%FFF塑性对材料的意义塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性提高安全性:因为零件在工作时万一超因为零件

12、在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂免突然断裂 （4）硬度：）硬度：随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同，随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同，工程上常用的硬度指标有：工程上常用的硬度指标有：是金属表面抵抗局部塑形变形的能力；是金属表面抵抗局部塑形变形的能力；是衡量金属材料软硬程度的指标。是衡量金属材料软硬程度的指标。布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV）显微硬度（显微硬度（HM）各种硬度指标的值之各种硬度指标的值之间，可以换算。间，可以换算。 布氏硬度测定原理布氏硬度计布氏硬度计(

13、)PHBMPaF计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBW：硬质合金作压头；适用于450HB650HBHB值越大，材料越硬。值越大，材料越硬。布氏硬度压痕布氏硬度压痕 布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。 应用：应用：适于测量普通钢、灰铸铁、有色金属以及经适于测量普通钢、灰铸铁、有色金属以及经退火、正火、调质处理的钢材等材料。退火、正火、调质处理的钢材等材料。二、洛氏硬度测定原理钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏

14、硬度压痕符号符号压头类型压头类型总实验力总实验力N 应用范围应用范围应用范围应用范围HRA120金刚金刚石圆锥体石圆锥体588.470 08585HRAHRA硬质合金、表面淬火钢或渗碳钢硬质合金、表面淬火钢或渗碳钢HRB直径为直径为1.588mm钢钢球球980.725100100HRBHRB有色金属或退火、正火钢等有色金属或退火、正火钢等HRC120金刚金刚石圆锥体石圆锥体147120 6767HRCHRC调质钢、淬火钢、工具钢等调质钢、淬火钢、工具钢等HRD120金刚金刚石圆锥体石圆锥体980.7406767HRDHRD薄钢板、中等厚度的表面硬化零薄钢板、中等厚度的表面硬化零件件试验时，根据

15、被测的材料不同，压头的类型、试验力及按下表选试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按下表选择，对应的洛氏硬度标尺为择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC、HRD四种四种表表4-1 洛氏硬度的试验条件及应用范围洛氏硬度的试验条件及应用范围符号HR表示方法硬度值+HR例： 52HRC 70HRA适用范围洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬可以用于硬度很高的材料，在钢件热处度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。理质量检查中应用最多。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测 。缺点:准确性不够。HBS220,HRC:HB=1:10维氏硬度测定原理用一定的试验力用一定的试验力

16、P，将顶角为将顶角为1360的金刚的金刚石四棱锥压入金属表石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后面，保持一定时间后卸去试验力，然后测卸去试验力，然后测出压痕对角线长度出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求），并求出压痕对角线的平均出压痕对角线的平均值值d。 维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕计算公式计算公式21891. 0dFHV 表示方法表示方法硬度值硬度值+HV+试验力试验力/保持时间保持时间如：如：640HV30/20适用范围适用范围适用于测定薄件或经处理的表面层硬度，可测适用于测定薄件或经处理的表面层硬度，可测定从极软到极硬的各种材料，但操作麻

17、烦，一定从极软到极硬的各种材料，但操作麻烦，一般用于科研。般用于科研。显微硬度 利用显微硬度计测定材料内部的组织或相组成物的硬度，显微硬度用HM表示。（5）冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试

18、样打断，并摆过支点升到然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为功为Ak。试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J)冲击韧度冲击韧度a k： 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力冲击吸收功和冲击韧度冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。冲击吸收功冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、

19、作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。2(/)kkAaJ cmF1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越来越低冲击韧度随温度下降越来越低冷脆现象冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度

20、越低，说明低温冲击性能越好料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好 a ak k不参与零（构）件的设计计算过程，只做不参与零（构）件的设计计算过程，只做选材时的参考；选材时的参考； 材料的材料的值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的值愈小，材料的脆性愈大值愈小，材料的脆性愈大 a ak k随温度下降而减小随温度下降而减小 在某一温度范围内在某一温度范围内a ak k值显著下降的现象称冷值显著下降的现象称冷脆或脆性转变，发生脆性转变的温度范围称脆或脆性转变，发生脆性转变的温度范围称脆性转变温度；脆性转变温度； 材料的使用温度应高于脆性转变温度材料的使用温度应高于脆性转变温度 材料

21、的脆性转变温度越低，材料的低温冲击材料的脆性转变温度越低，材料的低温冲击性越好。性越好。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用近代船用钢板钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板船体钢板硫磷含量过高船体钢板硫磷含量过高 （6 6）疲劳强度）疲劳强度n工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的低于材料的 s ，但经过一定循环周次

22、后仍会发生断裂，这样的断裂，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为现象称之为疲劳。疲劳。 n据统计，约据统计，约80%80%的机件失效为疲劳破坏。的机件失效为疲劳破坏。n当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为裂，称此应力值为疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限（-1） 1N0N钢：有色金属：N0 循环基数疲劳曲线疲劳曲线 疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因： 材料内部缺陷、表面划痕、残余应力及其他能材料内部缺陷、表面划痕、残余应力及其他能引起应力集中的缺陷引起应力集中的缺陷应力集中应力集中

23、微裂纹微裂纹扩展扩展断裂破坏。断裂破坏。影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等内部缺陷、表面划痕、残留应力等2.高温下的机械性能指标蠕变蠕变：金属材料长时间在高温和一定应力作用下，即使应力小于s ,也会发生缓慢的塑性变形，此种现象称为蠕变蠕变。说明： 温度越高，蠕变越严重，甚至导致零件断裂破坏；温度越高，蠕变越严重，甚至导致零件断裂破坏； 通常当材料温度超过通常当材料温度超过(0.3(0.30.4)Tm0.4)Tm时，蠕变才显著时，蠕变才显著金属材料高温下的力学性能指标有：（1）高温强度高温强度(热强度）热强度）:应力、应变和时间综合作用的反映包括 蠕变极限和持久

24、强度蠕变极限(蠕变强度）： 金属材料长期在高温和应力作用下的抵抗塑性变形的能。金属材料长期在高温和应力作用下的抵抗塑性变形的能。 表示在一定的温度表示在一定的温度T下，一定的时间下，一定的时间t内，产生一定塑性内，产生一定塑性变形量变形量时所承受的最大应力。时所承受的最大应力。 MPa持久强度：持久强度： 金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力 表示在一定的温度表示在一定的温度T下，工作一定得时间下，工作一定得时间t后产生断裂的应力后产生断裂的应力/TtTt（2 2）热硬性（红硬性或高温硬性）热硬性（红硬性或高温硬性）：金属材料在高温下仍具有较

25、高硬度的性能。说明：是高温下工作的零件的重要高温性能指标。第二节金属材料的工艺性能一、工艺性能一、工艺性能：材料对各种加工工艺的适应能力 材料的物理、化学和力学性能的综合体现；材料的物理、化学和力学性能的综合体现； 直接影响零件的加工方法、加工质量和制造成本；直接影响零件的加工方法、加工质量和制造成本；金属材料的工艺性能主要包括：金属材料的工艺性能主要包括：铸造性、可锻性、可焊性、热处理性、切削加工性、铸造性、可锻性、可焊性、热处理性、切削加工性、管材与型材的冷变形工艺性管材与型材的冷变形工艺性（1 1）铸造性）铸造性指材料用铸造方法获得完好铸件的能力指材料用铸造方法获得完好铸件的能力流动性流动性材料溶化后进行浇铸时具有很好的填充铸型材料溶化后进行浇铸时具有很好的填充铸型的能力的能力收缩率收缩率液态金属在铸型内冷却过程中，内部产生缩液态金属在铸型内冷却过程中，内部产生缩孔和铸件形状尺寸缩小的程度孔和铸件形状尺寸缩小的程度偏析偏析液态金属凝固后化学成分