金属材料的常温机械性能

第一章：金属学基本知识金属材料的性能金属的晶体结构金属的结晶金属的塑性变形铁碳合金相图内容金属材料的性能Content:1、金属材料的常温力学性能强度、塑性；硬度；冲击韧性；疲劳强度；断裂韧性2、金属材料的工艺性能Request:1、掌握常温力学性能指标及其意义

2、掌握硬度的测定方法

3、了解工艺性能指标金属材料的常温力学性能力学性能：金属材料在外力作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力-----金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力一、强度(strength)——金属材料开始产生屈服现象时的应力抵抗塑性变形的能力s

Sbz

•屈服极限yieldstrength（s

）•强度极限

tensilestrength（b）:材料在拉断前能承受的最大应力：抵抗断裂的能力

Sbzs

b

•条件屈服极限（0.2）：塑性应变量为0.2%时的应力二、塑性plasticity——金属材料在外力作用下能产生塑性变形而不破坏的能力1、延伸率：试样拉断后，伸长的长度与原始长度之比的百分率2、断面收缩率：试样拉断后，断面缩小的面积与原截面面积之比的百分率或越大，材料的塑性越好通常以来区别塑性的好坏:25%的材料为塑性材料

25%的材料为脆性材料三、硬度hardness——金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力1、布氏硬度（HB）原理：在直径D的球体上施加一定负荷F使钢球压入被测金属表层，经一定时间后卸除载荷，测定压痕直径d，球冠形压痕单位面积所承受的平均负荷即为布氏硬度值HB=0.102×金属种类布氏硬度值范围

试样厚度

（mm）负荷F（kgf）与钢球直径D的

相

互

关

系钢球直径D（mm）负荷F（N（kgf））负荷保持时间

（秒）钢铁140~4506~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)10<140>66~3<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)10非铁金属>1306~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)3036~1309~33~6<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)308~35>66~3<3F=2.5D210.05.02.52452(250)613(62.5)153(15.2)60

表1-1测定布氏硬度应遵守的条件布氏硬度的书写表示方法①硬度数据；②布氏硬度符号；③球体直径；④试验力；⑤试验力保持时间（1015s不标注）。压头为钢球（用于HB≤450的材料）HBS；压头为硬质合金球（用于HB=450650的材料）HBW。例如，120HBS10/1000/30，表示直径10mm的钢球在1000kg(9.807kN)试验力的作用下，保持了30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的特点测值准确；操作麻烦；不能测HBS>450、成品、大量需逐件检验的材料硬度一般用于原材料的硬度测定2、洛氏硬度

用压痕凹陷的深度h确定硬度值HR=(K-h)/0.002金刚石圆锥压头：K=0.2钢球压头：K=0.26原理：洛氏硬度的特点：操作简便；测值离散性大。一般用于热处理后材料硬度的测定表1-2常

用

洛

氏

硬

度

值

符

号及

试

验

条

件

标尺硬度符号压头型号初载+主载=总载荷（N（kgf））常用范围应用举例AHRA金钢石圆锥98.07+490.3=588.4(10+50=60)70~85碳化物、硬质合金、表面淬火钢BHRB钢球1.588mm98.07+882.6=980.7(10+90=100)25~100软钢、退火钢、铜合金等CHRC金钢石圆锥98.07+1373=1471(10+140=150)20~67淬火钢、调质钢等HL=3、里氏硬度特点：精度高；体积小，易于操作；可以从任何方向测试工件，可测试复杂的大型工件；但对于小、轻、薄或形状特殊复杂的工件，测试有一定的困难或测试误差较大。原理：在一定试验力的作用下，使装有碳化钨球的冲击测头冲击被测金属表面，测量冲击测头距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度。Va——冲击测头冲击速度Vb—冲击测头回跳速度四、冲击韧性impacttoughness——材料抵抗冲击载荷作用的能力冲击功Ak=G(h1-h2)（J）冲击韧性k=Ak/S0(J/cm2)脆性转变温度（Tr或tQ）

——材料由韧性状态转变为脆性状态的温度TkTr影响脆性转变温度的因素

1、合金的成分：C脆性转变温度

Mn、Ni脆性转变温度

2、晶粒度：晶粒越细小脆性转变温度五、疲劳强度（疲劳极限）fatiguelimit金属的疲劳——金属材料在远低于其屈服极限的交变应力的作用下发生的断裂现象疲劳破坏过程：表面产生疲劳裂纹（应力集中严重或强度低的部位）裂纹扩展突然断裂疲劳断口特征疲劳强度：材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力疲劳曲线LnNr影响疲劳强度的因素：内因：强度、塑性（强度和塑性好，疲劳强度高）、组织结构（淬火及回火后的组织结构，疲劳强度高）、材质（有夹杂物等使疲劳强度降低）外因：零件的几何形状及表面质量（表面粗糙、结构上有应力集中均使疲劳强度降低）、工作环境（在腐蚀性介质中工作，腐蚀介质加速裂纹的形成和扩展）提高疲劳强度的措施——表面强化处理（表面淬火、喷丸、滚压）六、断裂韧性KⅠC：导致裂纹失稳扩展而使材料脆断的应力强度因子的临界值应力强度因子Y：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的一个无量纲的系数（一般为1～2）；：外加应力（N/mm2）；A：裂纹的半长（mm）KⅠC表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在时，材料抵抗脆性断裂的能力。金属材料的工艺性能

流动性好、收缩率小和偏析（金属材料凝固后化学成分不均匀的现象）小的材料铸造性能好。可锻性能：金属材料在压力加工时，能承受一定程度的变形而不产生裂纹的能力铸造性能：液体金属浇铸成型的能力钢能承受锻造、轧制、拉拔、挤压等加工，可锻性好焊接性：金属材料获得优质焊接接头的能力以焊接有无裂纹、气孔等缺陷以及焊接接头的力学性能来衡量焊接性好坏碳当量当Ce0.4％时，焊接性优良，焊接时可不预热当Ce＝0.4％～0.6％时，焊接性较差，焊接时需采用适当预热等工艺措施当Ce0.6％时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热温度和较严格的工艺措施切削性能：金属材料承受切削加工的难易程度切削性能不但包括能否得到高的切削速度，是否容易断屑，还包括能否获得较高的表面质量等160-230HBS切削加工性能较好作业

1、P291题

实验：硬度测定控