第一章金属材料的性能特点

1、1.21.2 金属材料的性能特点 第1 1章 材料的结构与性能特点 金属材料的性能：工艺性能 使用性能。 工艺性能工艺性能 制造工艺过程中材料适应加工的制造工艺过程中材料适应加工的性能。性能。 铸造性能铸造性能、锻压性能、焊接性能、锻压性能、焊接性能、 切削加工性能、热处理性能切削加工性能、热处理性能 使用性能使用性能 材料在使用条件下表现出来的性材料在使用条件下表现出来的性能。能。 力学性能、物理性能、化学性能力学性能、物理性能、化学性能 一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。铸件的能力。铸造铸造 1 1、流动性、流动性 熔融金属的流动能力。熔融金属的流动

2、能力。 完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 2 2、收缩性、收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。少的现象。 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩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。孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。 铸造用金属材料的收缩率越小越好。铸造用金属材料的收缩率越小越好。 3 3、偏析、偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。不均匀现象。 偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的差偏析大使铸件各部分的力学性能

3、有很大的差异，降低铸件的质量。异，降低铸件的质量。1.2.1 1.2.1 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 二、锻造性能 锻造性锻造性 金属材料用锻压加工方法成形的金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。适应能力。锻造锻造 冷冲冷冲 金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属的锻造性能越好。 三、焊接性能 焊接性焊接性 金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。 获得优质焊接接头的难易程度。获得优质焊接接头的难易程度。 电弧焊电弧焊 气焊气焊 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。 低碳钢和碳的

4、质量分数低于低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %0.18 %的合金钢焊的合金钢焊接性能较好。接性能较好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。和刀具寿命来表示。 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。和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分改变钢的化学成分( (加少量铅、磷加少量铅、磷) )和进行适当和进行适当的热处理的热处理( (低碳钢正火，高碳钢球化退火低碳钢正火，高

5、碳钢球化退火) )可提高钢可提高钢的切削加工性能。的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, , 即钢接受淬火的能力。即钢接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透等合金元素的合金钢淬透性比较好性比较好, , 碳钢的淬透性较差。碳钢的淬透性较差。 铝合金的热处理要求较严。铝合金的热处理要求较严。 铜合金只有几种可以用热处理强化。铜合金只有几种可以用热处理强化。 1.2.2 1.2.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力

6、学性能：金属材料在外力（载金属材料的力学性能：金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。荷）作用时表现出来的性能。 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度 载荷的形式载荷的形式 一、强度 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。(a)(a)原始试样原始试样 （b)b)拉伸后试样拉伸后试样 圆形拉伸试样圆形拉伸试样拉伸试验拉伸试验拉伸曲线 1 1、弹性极限、弹性极限e e 材料保持弹性变形材料保持弹性变形, , 不产生永久变形的最不产生永久变形的最大应力。大应力。 2 2、屈服极限（屈服

7、强度）、屈服极限（屈服强度）s s 金属开始发生明显塑性变形的应力。金属开始发生明显塑性变形的应力。 条件屈服极限条件屈服极限0.2 0.2 铸铁等材料没有明显的屈铸铁等材料没有明显的屈服现象服现象, , 用产生用产生0.2%0.2%残余应变时的应力值表示。残余应变时的应力值表示。 3 3、强度极限、强度极限( (抗拉强度抗拉强度b b ) ) 金属受拉时所能承受的最大应力。金属受拉时所能承受的最大应力。 金属材料的强度与其化学成分和工艺有金属材料的强度与其化学成分和工艺有密切关系。密切关系。 纯金属的抗拉强度较低；纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度

8、：纯铜抗拉强度： 6060MPaMPa 铜合金抗拉强度：铜合金抗拉强度：600600MPaMPa700MPa700MPa 纯铝抗拉强度：纯铝抗拉强度： 4040MPaMPa 铝合金抗拉强度：铝合金抗拉强度：400400MPaMPa600MPa600MPa 退火状态的三种铁碳合金：退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数碳质量分数0.2%0.2%，抗拉强度为，抗拉强度为350350MPaMPa 碳质量分数碳质量分数0.4%0.4%，抗拉强度为，抗拉强度为500MPa500MPa 碳质量分数碳质量分数0.6%0.6%，抗拉强度为，抗拉强度为700700MPa MPa 碳质量分数为碳质量分数为0.4%0

9、.4%的铁碳合金：的铁碳合金： 退火：退火： 抗拉强度为抗拉强度为500MPa500MPa。 淬火淬火+ +高温回火：高温回火：抗拉强度抗拉强度700700MPaMPa800MPa800MPa。 合金钢的抗拉强度可达合金钢的抗拉强度可达10001000MPaMPa1800MPa1800MPa。 二、塑性 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。 (a)(a)原始试样原始试样 1 1、断后伸长率（、断后伸长率（） 试样拉断后试样拉断后, , 标距的伸长与原始标距的百分标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率。比称为断后伸长率。 lllll0100100%(b

10、)(b)拉伸后试样拉伸后试样 2 2、断面收缩率（、断面收缩率（） 试样拉断后试样拉断后, , 缩颈处截面积的最大缩减量与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。原横断面积的百分比称为断面收缩率。SSSSS0010100%(a)(a)原始试样原始试样 (b)(b)拉伸后试样拉伸后试样 铜、铝、铁的塑性很好。铜、铝、铁的塑性很好。工业纯铁：工业纯铁： 达达50%50%， 达达80%80%。 可拉成细丝可拉成细丝, , 轧成薄板，进行深冲成形。轧成薄板，进行深冲成形。铸铁：铸铁： 和和几乎为零，塑性很差。几乎为零，塑性很差。 不能进行塑性变形加工。不能进行塑性变形加工。金属材料

11、室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表性能名称性能名称GB/T228-2002GB/T228-2002旧标准旧标准单位单位屈服强度屈服强度- -s s N/mmN/mm2 2上屈服强度上屈服强度R ReHeHsUsUN/mmN/mm2 2下屈服强度下屈服强度R ReLeLsLsLN/mmN/mm2 2规定非比例延伸强度规定非比例延伸强度（条件屈服强度）（条件屈服强度）R Rp0. 2p0. 2p0.2p0.2N/mmN/mm2 2抗拉强度抗拉强度R Rm mb b N/mmN/mm2 2断后伸长率断后伸长率A AA A 11.311.35 5 1010% %断面收缩率断面收缩率Z

12、Z % % 三、硬度 用钢球压头时硬度用钢球压头时硬度用用HBSHBS表示表示 用硬质合金球时硬用硬质合金球时硬度度用用HBWHBW表示表示布氏硬度计布氏硬度计 1 1、布氏硬度、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, , 计算硬计算硬度值。度值。 硬度：硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度计的使用 2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 采用金刚石压头采用金刚石压头(

13、(或硬质合金球压头或硬质合金球压头) )， 加预载荷加预载荷F F0 0 ，压入深度，压入深度h h0 0 。再加主载荷。再加主载荷F F1 1 。 卸去主载荷卸去主载荷F F1 1，测量其残余压入深度，测量其残余压入深度h h。 用用h h与与h h0 0之差之差h h来计算洛氏硬度值。来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。硬度直接从硬度计表盘上读得。洛氏硬度计洛氏硬度计 根据压头的种类和根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有常用表示方式有: : HRA HRA、HRBHRB、HRCHRC洛氏硬度计的使用 铝合金和铜合金的硬度较低。铝合金和铜合金的硬

14、度较低。 铝合金的硬度一般低于铝合金的硬度一般低于150150HBHB。 铜合金的硬度范围大致为铜合金的硬度范围大致为7070HBHB200HB200HB。 退火态低碳钢硬度：退火态低碳钢硬度：120120HBHB180HB180HB 退火态中碳钢硬度：退火态中碳钢硬度：180HB180HB250HB250HB 退火态高碳钢硬度：退火态高碳钢硬度：250HB250HB350HB350HB 中碳钢淬火后硬度可达中碳钢淬火后硬度可达5050HRCHRC58HRC58HRC 高碳钢淬火后硬度可达高碳钢淬火后硬度可达6060HRCHRC65HRC65HRC 四、冲击韧度（ak） 冲击韧度：冲击韧度：材

15、料抵抗冲击载荷作用的能力。材料抵抗冲击载荷作用的能力。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。用摆锤冲击弯曲试验来测定。 测得试样测得试样冲击吸收能量（冲击吸收功）冲击吸收能量（冲击吸收功）A Ak k， 用冲击吸收功除以试样缺口处截面积用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S S0 0, , 得到材料的得到材料的冲击韧度冲击韧度a ak k。冲击试样冲击试样冲击吸收能量能量的测定韧性与材料组织有密切关系。韧性与材料组织有密切关系。碳质量分数为碳质量分数为0.45%0.45%的铁碳合金的铁碳合金 正火后正火后组织为索氏体组织为索氏体+ +铁素体铁素体, , ak值为值为500500KJ/mKJ/m2 2800K

16、J/m800KJ/m2 2。调质处理后调质处理后组织为回火索氏体组织为回火索氏体, , ak值提高到值提高到800800KJ/mKJ/m2 2-1200KJ/m-1200KJ/m2 2。铸铁的冲击韧度很低。铸铁的冲击韧度很低。 五、疲劳强度 轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为这种应力称为交变应力交变应力( (也称循环应力也称循环应力) )。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的应力低于材料的屈服点，但经过

17、较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂。工作而产生裂纹、或突然发生断裂。 这种过程称为这种过程称为金属的疲劳金属的疲劳。 交变应力越小，材料断裂时应力循环次交变应力越小，材料断裂时应力循环次数数N越大。越大。 当应力低于一定值时，试样可以经受无当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度疲劳强度 ( (疲劳极限疲劳极限) )，用用-1 表示。表示。 六、断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。生低应力脆断。 工作应力低于材料的屈服强度。工作应力低于材料的屈服强度。

18、 原因：原因： 构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。失稳扩展，导致机件破断。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。 裂纹扩展的临界状态所对应的应力场裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为强度因子称为临界应力场强度因子临界应力场强度因子。 用用K KC C 表示，单位为表示，单位为 MN/mMN/m3/23/2。 代表材料的断裂韧性。代表材料的断裂韧性。裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 表示。表示。KIY Y：系数：系数 ：外加应力：外加应力a a：

19、裂纹半长：裂纹半长低碳钢低碳钢 140 140 MN/mMN/m3/23/2中碳钢中碳钢 50 50 MN/mMN/m3/23/2高碳钢高碳钢 19 19 MN/mMN/m3/23/2铸铸 铁铁 6 619 19 MN/mMN/m3/23/2钛合金钛合金 5050118 118 MN/mMN/m3/23/2几种金属材料断裂韧性（ K KC C ）1.2.3 1.2.3 金属材料的理化性能金属材料的理化性能 一、金属的物理性能 1 1、密度、密度 密度：密度：单位体积物质的质量。单位体积物质的质量。 轻金属：轻金属：密度小于密度小于5 5 g/cmg/cm3 3 的金属。的金属。 如铝、镁、钛及

20、它们的合金。如铝、镁、钛及它们的合金。 用于航天航空器上。用于航天航空器上。 重金属：重金属：密度大于密度大于5 5 g/cmg/cm3 3的金属。的金属。 如铁、铅、钨等。如铁、铅、钨等。 2 2、熔点、熔点 熔点：熔点：金属从固态向液态转变时的温度。金属从固态向液态转变时的温度。 难熔金属：难熔金属：熔点高的金属。熔点高的金属。 如钨、钼、钒等。如钨、钼、钒等。 制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。机和喷气飞机等零、部件。 易熔金属：易熔金属：熔点低的金属。熔点低的金属。 如锡、铅等。如锡、铅等。 制造保险丝和防火安全阀零件等。制

21、造保险丝和防火安全阀零件等。 3 3、导热性、导热性 导热性用热导率衡量。导热性用热导率衡量。 热导率越大热导率越大, , 导热性越好。导热性越好。 银导热性最好银导热性最好, , 铜、铝次之。铜、铝次之。 合金的导热性比纯金属差。合金的导热性比纯金属差。 在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。 导热性好的金属材料制造散热器、热交换器导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。与活塞等零件。 4 4、导电性、导电性 传导电流的能力称传导电流的能力称导电性导电性。 用电阻

22、率来衡量。用电阻率来衡量。 电阻率越小，金属材料导电性越好。电阻率越小，金属材料导电性越好。 金属导电性以银为最好，铜、铝次之。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。 合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。 电阻率小的金属电阻率小的金属( (纯铜纯铜) )适于制造导电零件和适于制造导电零件和电线。电线。 电阻率大的金属或合金电阻率大的金属或合金( (钨、钼、铁铬铝合钨、钼、铁铬铝合金金) )适于做电热元件。适于做电热元件。 5 5、热膨胀性、热膨胀性 材料随温度变化而膨胀、收缩的特性材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。 膨胀系数大的材料制造的零件膨胀系数大的材料制造的零件, , 温度变化温度变化时时, , 尺寸和形状变化较大。尺寸和形状变化较大。 轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺寸。寸。 在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响影响, , 减少工件变形和开裂。减少工件变形和开裂。 6 6、磁性、磁性 在外磁场中表现出来的特性。在外磁场中表现出来的特性。 铁磁性材料铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。 制造