金属材料的性能

1、第一讲第一讲 金属的性能金属的性能工业生产中所使用的材料属于工程材料。主要包括：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料和复合材料四 大类。钢铁生产过程钢的冶炼金属材料是现代制造机械的最主要材料。金属材料以合金为主，很少使用纯金属。合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料。最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。材 料 的 性 能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能切削加工性能载荷是指制造零件、部件的金属材料在加 工及使用过程中所受的外力。根据载荷作用的性质不同，它可以

2、分为静载荷、冲击载荷、及交变载荷三种：1、静载荷 是大小不变或变化过程很缓慢的载荷。2、冲击载荷 是指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。3、交变载荷 是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据作用形式不同，载荷分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。应力应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。用“”表示。 变形变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化，“弹性变形”和“塑性变形” 弹性变形去除外力后，物体能完全恢复原状的变形。 塑性变形当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。 金属的力学性能的金属的力学性能的定义定义力学性能是指在力的作用

3、下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。 力 学 性 能强度硬度疲劳塑性韧性强度和塑性强度强度:材料在力的作用下抵抗变形和破材料在力的作用下抵抗变形和破 坏的能力。坏的能力。种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。塑性塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变是指材料在载荷作用下产生塑性变 形而不被破坏的能力。形而不被破坏的能力。抗拉强度与塑性测量抗拉强度与塑性测量 拉伸试验拉伸试验：GB/T228-1987（新标准，（新标准，GB/T228-200

4、2）。采用万能材料试验机，）。采用万能材料试验机，给拉伸试验缓慢施以拉力，测出拉力与变给拉伸试验缓慢施以拉力，测出拉力与变量的关系。可用于测量材料在拉力作用下量的关系。可用于测量材料在拉力作用下的强度和塑性。的强度和塑性。拉伸试验拉伸试验液压式万能电子材料试验机* 拉伸试样：长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0d0L0拉伸试验过程拉伸试验过程拉伸曲线的形成LFesbZFsFbO屈服点屈服点弹性弹性变形变形阶段阶段缩颈缩颈断裂断裂发生发生塑性塑性变形变形屈服屈服阶段阶段强化强化阶段阶段FeLFesFsO屈服点屈服点弹性弹性变形变形阶段阶段发生发生塑性塑性变形变形屈服屈服阶段阶段pFpFe

5、“oe”为纯弹性变形阶段，卸去载荷时，试样能恢复原状 。“e”点对应应力的比例极限为e = Fe = Fp p /S S0 0 Fp试样非比例伸长为规定量时的拉力( N )。 S0试样原始横截面积( mm2)弹性弹性: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形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性。的性。弹性变形弹性变形: 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: Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)LFsbZFsFbO屈服点屈服点缩颈

6、缩颈断裂断裂强化强化阶段阶段“s”点试样出现“塑性变形”现象 ，称为屈服点。 “sb”为强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化 “b”点为最大载荷，试样出现“缩颈”现象 “Z”点试样被拉断 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 )试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)(3)抗拉强度抗拉强度: 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

7、截面积( mm2)规定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o 对于无明显屈服现象的材料，按国标GB/T2281987规定可用规定残余伸长应力0.2表示。0.2表示试样卸除载荷后，其标距部分的残余率达到0.2%时的应力，也称为屈服强度。下式中： 0.2规定残余伸长应力MPa； F0.2残余伸长率达到0.2%时的载荷，N； S0试样原始横截面积，2。强度意义：强度意义：一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点s是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。工程上还通过计算屈强比（s /b，屈

8、服点与抗拉强度的比值）来判别材料强度的利用率，屈强比高，材料性能使用效率高，一般材料的屈强比以0.75为宜。(1)断面收缩率断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1的的收缩量与原始横截面积收缩量与原始横截面积S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 塑性(2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率) : 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与与原始标距原始标距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 同一种材料的5 10n 、愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金

9、属材料进行塑性加工的必要条件。硬度硬度1.1.定义定义： 是指材料抵抗其它更硬物体是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。压入其表面的能力。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 硬度测量的应用：硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样（非破坏性试验）；硬度能综合反映材料的强度等其他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。 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

10、( (一一) )布氏硬度布氏硬度HBHB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硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW2.2.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。布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用选用淬火钢球淬火钢球压头压头例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS测定布氏硬度值测定布氏硬度值钢球选用钢球选用: :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：550HBW550

11、HBW 600HBW 600HBW3.3.标注：标注： 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如荷保持时间。如: :120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保载荷作用下保持持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。4. 特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用： 常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于

12、测量成品零件或薄件的硬度。观看布氏硬度观看布氏硬度( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR HR 1.1.压头：压头：120120金刚石圆锥体金刚石圆锥体钢球钢球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.试验原理：试验原理： 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm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。0011h122h233h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3最后测得：最后测得：

13、残余压痕深度增量 h hHR=K-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1常用的洛氏硬度标尺是A，B，C三种，其中C标尺应用最为广泛。其优点是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可以测定成品及较薄工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的金属材料。如下表所示 硬度标尺压头类型总试验力F/N硬度值有效范围应用举例HRA120金刚石圆锥体588.47085HRA硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588钢球980.725100HRB软钢、退火钢、铜合金HRC120金刚石圆锥体1471.02067HRC一般淬火钢件HRA、HRB、HRC分别测得的度不可直接比较大小例如：例如： 50HR

14、C70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 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：观看洛氏硬度观看洛氏硬度韧性 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.金属的夏比冲击试验金属的夏比冲击试验: :试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功Ak为为: A k = G H G h (J)g g 冲击韧度冲击韧度a ak k 就是试样缺口处单

15、位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。 AK a k = (J/cm) S03、小能量多次冲击能力工程实际中，多为小能量多次重复冲击（活塞、冲模的冲头等）。对于这类情况应采用小能量多次重复冲击实验来测定冲击耐性。其一般取决于材料的强度和塑性。疲劳强度疲劳现象：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 。1、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。疲劳曲线2、疲劳极限的测量：、

16、疲劳极限的测量： 疲劳试验测定疲劳极限，给试样施加不同大小的循环力F，测量在不同交变应力作用下，试样断裂时循环力作用的次数N，并画出疲劳曲线（-N曲线）钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 1083、提高疲劳极限途径、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状改善零件的结构形状降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面强化采取表面强化常用的力学性能指标及其含义力学性能性能指标含义符号名称单位强度bs0.2抗拉强度屈服点规定残余伸长应力MPaMPaMPa试样拉断前所能承受的最大应力拉伸过程中，力不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时

17、的应力规定残余伸长率达0.2%时的应力塑性伸长率断面收缩率标距的伸长与原始标距的百分比缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比硬度HBSHBWHRCHRBHRAHV布氏硬度布氏硬度C标尺洛氏硬度B标尺洛氏硬度A标尺洛氏硬度维氏硬度球形压痕单位面积上所承受的平均压力用洛氏硬度相应标尺刻度满程与压痕深度之差计算的硬度值正四棱锥形压痕单位表面积上所承受的平均压力冲击韧性ak冲击韧度J/2冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功疲劳强度-1疲劳极限MPa试样承受无数次（或给定次）对称循环应力仍不断裂的最大应力物理性能物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能 熔点； 热容； 热膨胀；热传导（三）电学性能 电阻率；