第一章金属的性能

1、模模 块块 一一 金属学基础知识金属学基础知识材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金属的性能金属的性能重点：重点：难点：难点：内容：内容：物理性能、化学性能、力学性能、工艺物理性能、化学性能、力学性能、工艺性能性能各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属的概念 金属：由单一元素构成的具有特殊光泽、不透明、富有延展性、导电、导热的物质。 合金：由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素熔炼而成的具有金属特性的材料。 金属材料：金属及其合金的总称。碳素结构钢球墨铸铁纯 铜变相铝合

2、金白 铜锡基轴承合金合金工具钢铸造碳钢合金结构钢纯 铝特殊性能钢铸造合金钢碳素工具钢灰铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁黄 铜青 铜铝基轴承合金铅基轴承合金铸造铝合金黑色金属有色金属碳 素 钢铸 铁合 金 钢铜及其合金铝及其合金轴承合金钛及其合金金属金属材料金属材料的性能的性能使用性能工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 1.11.1金属的物理性能和化学性能金属的物理性能和化学性能 一、金属的物理性能一、金属的物理性能金属的物理性能：指金属固有金属的物理性能：指金属固有的属性。（包括密度、熔点、的属性。（包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和导电性、导热

3、性、热膨胀性和磁性。）磁性。）1、密度：物质单位体积的质量称为密度。、密度：物质单位体积的质量称为密度。=m/V（kg/m3） 轻金属轻金属5103kg/m3（铝（铝2.7；钛；钛4.5）重金属重金属5103kg/m3（铁（铁7.8；铜；铜8.96）2、熔点：金属或合金从固态向态转变时的温度。、熔点：金属或合金从固态向态转变时的温度。易熔金属易熔金属T 700 (铝铝660 ；锡锡232 ）难熔金属难熔金属T 700 （银（银961 ；铜：；铜：1083 ；钨；钨3380 ；铁；铁1538 ；锰；锰1244 ） 熔点影响着金属的工艺性能和使用性能。熔点影响着金属的工艺性能和使用性能。3、导热性

4、能：金属材料传导热量的性能。是通过导热率来衡量，用来表示，单位是W/mK。导热性好的材料，散热也好；导热性影响着金属材料的工艺性能4、导电性：金属材料传导电流的性能。用电阻率来衡量，单位是cm，电阻率越小，金属的导电性越好。（金属的导电性是银最好，铜、铝次之，纯金属的导电性比合金的导电性好）5、热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。一般来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小）6、磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。（根据金属的磁性不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴、镍）、顺磁性材料（如锰、铬、钼）、抗磁性材料（如铜、锌、银） 居里点：又作居里温度居里温度或磁性转变点。

5、磁性转变点。是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体 ，具有磁性；当温度高于居里点时，该物质成为顺磁体（磁性消失）。 利用这个特点，人们开发出了很多控制元件.例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105 度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。 二、金属的化学性能二、金属的化学

6、性能1、耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。2、抗氧化性：金属材料加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料随着温度的升高而加速。3、化学稳定性：金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。 1.2金属的力学性能 金属的力学性能：金属的力学性能：指金属在外力作用时表现出来的性能。包括强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳强度。 力学性能是设计、制造中选用金属材料的主要依据。载荷载荷 载载 荷：荷：材料所受的外力。 根据载荷作用性质不同分为：根据载荷作用性质不同分为： 静载荷、冲击载荷、交变载荷静静 载载 荷：荷：大小不变或变动很慢的载荷冲击载荷：冲击载荷：突然增加的载荷交变载荷：

7、交变载荷：周期性或非周期性的动载荷。 （也称循环载荷） 根据作用的方式不同分为：根据作用的方式不同分为：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。变形与应力变形与应力 变形：变形：金属材料受不同载荷作用而发生的几何 形状和尺寸的变化称为变形。变形可分为弹性变形和塑性变形弹性变形：弹性变形：外力去除后能恢复原形的变形。塑性变形：塑性变形：外力去除后不能恢复原形的变形。 内力：内力：金属材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。 应力：应力：单位截面积上的内力称为应力。=F/S一、强度与塑性一、强度与塑性拉伸过程经历四个阶段：拉伸过程经历四个阶段：1.

8、弹性变形弹性变形（OS）Oe段：直线阶段，完全段：直线阶段，完全弹性变形弹性变形eS段：极微量塑性变形段：极微量塑性变形弹性变形：弹性变形：去除外力后去除外力后能完全恢复到原来的形能完全恢复到原来的形状。状。塑性变形：塑性变形：外力消除后外力消除后仍存在的永久变形仍存在的永久变形2屈服（屈服（s点）点）3均匀塑性变形阶段：均匀塑性变形阶段：（sb）4缩颈（缩颈（bk）-局部集中局部集中塑性变形塑性变形 应力应力:=F F/ /A A0 0 （MPa）应变应变:= =L L/ /L L0 0材料开始明显塑性变形的抗力材料开始明显塑性变形的抗力 ，即，即产生屈服现象时的应力。产生屈服现象时的应力。

9、 s=F s/A 0 材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。e=F e/A 0（一）强度（一）强度金属材料被拉断前所能承受的最大应力。金属材料被拉断前所能承受的最大应力。b=F b/A 0 注：注：中、高碳中、高碳钢和其他脆性金钢和其他脆性金属材料无明显屈属材料无明显屈服现象，国家标服现象，国家标准以产生准以产生0.2%塑性变形的应力塑性变形的应力来表示屈服强度，来表示屈服强度，即：即：0.20.2= =F F0.20.2/ /A A0 0 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义择、评定金属材料

10、时有重要意义 。 机机械零件多械零件多s以作为强度设计的依据。以作为强度设计的依据。对于脆性材料在强度计算时，则以对于脆性材料在强度计算时，则以b为依据。为依据。（二）塑性（二）塑性(1) 伸长率伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：式中：L0试样原标距的长度（试样原标距的长度（mm） L1试样拉断后的标距长度（试样拉断后的标距长度（mm） (2) 断面收缩率断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。截面积的相对收缩值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中：A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2） A1试样断

11、面处的最小截面积（试样断面处的最小截面积（mm2） 和和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。金属材料进行塑性加工的必要条件。练习题一练习题一 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%练习题二练习题二 某工

12、厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解： 根据试验结果计算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MP5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。二、硬度二、硬度 硬度：硬度

13、：指材料抵抗其他硬物体压入其表指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力（金属材料抵抗局部变形，特面的能力（金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）。别是塑性变形、压痕或划痕的能力）。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。切削加工性。 硬度测定方法：压入法硬度测定方法：压入法 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。 1、布氏硬度、布氏硬度式中：F试验力，N； D压头的直径,mm

14、HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值压头直径（mm2）试验力保持 时间（s） 试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120根据压头

15、形式和载荷不同有三种根据压头形式和载荷不同有三种标度（标度（HRA, HRB,HRC） ，能能够测试从软到硬各种硬度的材料，够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC应用最广，可用于测硬度应用最广，可用于测硬度很高的材料。很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002当硬度在当硬度在200600HB, HRC1/10HB硬度一般不标单位，如硬度一般不标单位，如200HB, 55HRC2洛氏硬度洛氏硬度(HR) （以压痕深度表示）（以压痕深度表示）硬度硬度符号符号压头类压头类型型载荷载荷F/k g 硬度有效范围硬度有效范围使用范围使用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体6070 08585适用于

16、测量硬质合金、钢表、淬火适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢球钢球10025100100（相当（相当6060230230HBHB）适用于测量非铁金属退火、适用于测量非铁金属退火、退退火等火等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体150206767( (相当相当HB230HB230700)700)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬

17、度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围表示方法：002. 0hkHR布氏硬度与布氏硬度与洛氏硬度洛氏硬度的特点比较的特点比较 布氏硬度的特点：布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，但值的代表性较全面，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在般在HB450以上的就不能使用。以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢洛氏硬度的特点：洛氏硬度

18、的特点： 洛氏硬度洛氏硬度HRHR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。最多。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。复性也差。 三、冲击韧度（三、冲击韧度（ak） 冲击韧度：冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。能力。 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，

19、金属材料试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度强度。 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。方法。 韧性的变化规律：随着加载的速度提高、温度的降韧性的变化规律：随着加载的速度提高、温度的降低，应力集中程度的加剧而减小。是抗冲击的能力低，应力集中程度的加剧而减小。是抗冲击的能力，它与材料的强度和塑性有关。，它与材料的强度和塑性有关。 夏比冲击试验夏比冲击试验 式中：式中：Ak折

20、断试样所消耗的冲击功（折断试样所消耗的冲击功（J） A试样断口处的原始截面积（试样断口处的原始截面积（cm2） 对于脆性材料试样一般不开缺口对于脆性材料试样一般不开缺口冲击韧度冲击韧度K =AK/A （四） 疲劳极限交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小于屈服点甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）完全断裂）疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。 疲劳曲线：疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。的曲线关系。 实际的疲劳强度值，规定钢进行107次，有色金属进行108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该材料的疲劳强度-1。 疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系，如碳素钢-1 （0.40.55） b ，灰铸铁-1 0.4b ，有色金属-1 （