机械基础 第三版 课件 单元1 金属材料的性能

机械基础模块二机械零件的材料

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单元一金属材料的性能金属材料及应用金属材料的热处理单元二单元三教学目标一、目标和要求（1）明确机械零件对材料的要求；（2）掌握金属材料的力学性能和工艺性能；（3）了解金属材料的物理和化学性能；二、重点和难点金属材料的力学性能指标第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的工艺性能第三节金属材料的物理和化学性能

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案例导入泰坦尼克号(Titanic)：20世纪初，由英国白星航运公司制造的一艘巨大豪华客轮。是当时世界上最大的豪华客轮，被称为是“永不沉没的”或是“梦幻客轮”。但却在1912年4月15日从南安普顿至纽约的处女航中，在北大西洋撞上冰山而沉没，由于缺少足够的救生艇，1500人葬生海底，造成了迄今为止最著名的一次航海事故。在后面对这次事故的分析调查中，技术人员认为，沉船事故与船体使用的材料有很大的关系。首先当时的炼钢技术并不十分成熟，炼出的钢铁在现代的标准根本不能造船，泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多化学杂质硫化锌，加上长期浸泡在冰冷的海水中，使得钢板更加脆弱。另外，因为当时还没有焊接技术，所有的船体都是铆钉结构的制造工艺而成的，导致整体刚度增强，但是抗弹性形变的的能力下降，再加上当时正是冬季的北大西洋，温度很低导致金属变脆也有一定的关系。因此，掌握材料的性能和应用，对我们起着至关重要的作用。第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的工艺性能第三节金属材料的物理和化学性能

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金属材料的性能金属材料在机械制造中应用最为广泛，为正确、合理地使用金属材料，必须了解金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。金属材料的使用性能指在使用过程中所表现出来的性能,包括物理性能、化学性能和力学性能。金属的物理性能是金属固有的属性,包括密度、熔点、导电、导热性等;金属的化学性能是在化学介质作用下所表现出来的性能,包括耐腐蚀性、化学稳定性等；金属的力学性能是在外力的作用下所表现出来的性能,包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。金属材料的工艺性能指在材料被加工成零件的难易程度,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。金属材料的力学性能金属材料在机械制造中应用最为广泛，为正确、合理地使用金属材料，必须了解金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。金属力学性能是评定金属材料质量的主要依据，也是金属构件设计时选材和强度计算的主要依据。强度1.强度概念强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。载荷是指金属材料所受的外力，静载荷是指载荷大小或方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。金属材料受到载荷作用时，发生几何尺寸和形状的变化称为变形。金属材料的变形可分为弹性变形和塑性变形。所谓弹性变形，是指材料受到载荷作用时产生变形，载荷卸除后恢复原状的变形；而塑性变形则是指材料在载荷作用下发生变形，且当载荷卸除后不能恢复的变形，故也叫永久变形。强度强度是材料的一项重要力学性能指标，当材料承受的载荷超出其强度范围时，其结构将发生破坏，导致机器无法运转，甚至造成严重的事故，如自行车、连杆由于强度不足而发生断裂的现象强度2.拉伸试验金属材料的强度有专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验，拉伸实验是指用静拉伸力，对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和相应的伸长量，测量其力学性能的试验。材料进行拉伸时，需要使用拉伸试验机和特制的试样。常用试验的结构如图，其中，d0表示原始直径，L0表示原始标距长度，d1表示断后直径，L1表示断后标距长度。拉伸前拉伸后强度2.拉伸试验进行拉伸试验时，将试样两端分别固定在拉伸试验机上，逐步增加轴向拉力（又称拉伸力），连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据，可以绘制拉伸力和伸长量之间的关系曲线，称为拉伸曲线。

低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线中，横坐标表示试样的形变量△L,纵坐标表示拉伸力F强度2.拉伸试验

低碳钢拉伸曲线阶段曲线特征力学性能弹性变形阶段(Ob段)直线Oa段试样变形完全是弹性的，如果撤去外力，试样就会恢复原来的形状和尺寸。ab段：不完全弹性变形，有微量塑性变形，撤去外力，试样不能完全恢复，而保留一部分残余变形。Fa为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力屈服阶段(bc段)上下波动当载荷增加到Fb，时，图上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。屈服阶段，一般以比较稳定的下屈服力FeL作为材料的屈服载荷。强化阶段(cd段)非线性增大在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化(或称加工硬化)，此阶段试样的变形是均匀发生的。Fm为试样拉伸试验时的最大载荷。颈缩阶段(de段)下降当载荷达到最大值Fm时，试样的抗拉能力下降，先进行局部塑性变形颈缩，达到e点时，试样在缩颈处被拉断。强度3.强度指标材料抵抗拉伸力的强度指标主要有屈服强度Re、规定残余延伸强度Rr和抗拉强度Rm等。(1)屈服强度屈服强度是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服强度用符号Re表示，单位是N/mm2或MPa。屈服强度包括上屈服强度ReH和下屈服强度ReL.。由于上屈服极限的数值与试样形状、加速度等因素有关，一般不稳定，而下屈服极限则比较稳定，能反应材料的性能，通常把下屈服极限ReL称为屈服强度。强度3.强度指标材料抵抗拉伸力的强度指标主要有屈服强度Re、规定残余延伸强度Rr和抗拉强度Rm等。(1)屈服强度对于高碳钢、铸铁等材料，在进行拉伸试验时，没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要规定一个相当于屈服强度的强度指标，即规定残余延伸强度。规定残余延伸强度是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距的百分比达到规定值时的应力，用符号Rr表示。一般用规定残余延伸率为0.2%时的应力作为高碳钢、铸铁等无明显屈服现象的材料的屈服强度，记作Rr0.2。强度（2）抗拉强度抗拉强度是指拉伸试样拉断前承受的最大应力。抗拉强度用符号Rm表示，单位是N/mm2或MPa。Rm可下式计算：式中：Fm-试样所受最大拉力，单位NS0-试样的横截面积，单位mm2常用的应力单位为MPa，存在换算关系：断裂是零件最严重的失效形式，铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度，所以，抗拉强度Rm也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。塑性

塑性

硬度硬度是指材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度能够衡量金属材料软硬程度，是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好，材料表面越不容易产生压痕或划痕。工业中通常利用硬度试验来测定材料的硬度。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测试所得的硬度，分别为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏测试法维氏测试法洛氏测试法硬度测试法硬度1.布氏硬度布氏硬度的符号用HB表示。用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F，在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。硬度2.洛氏硬度洛氏硬度的符号用HR表示。用有一定顶角（例如120°）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕，由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为最常用。硬度3.维氏硬度维氏硬度的硬度符号用HV表示，以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV），如图所示。硬度三种硬度比较：冲击韧性冲击韧性是指金属材料断裂前吸收变形能量的能力。冲击韧性越好，材料的抗冲击能力愈强，发生断裂的可能性越小。冲击韧性是金属材料的一项重要力学性能，许多金属零件和机械设备在工作中需要承受冲击载荷的作用，如发动机的活塞、锻压机床的锻锤等，为了保证他们的正常工作，在选择材料时，必须要考虑材料的冲击韧性。金属材料的冲击韧性通常用冲击吸收功来衡量。冲击韧性，可以通过一次摆锤冲击试验来测定。疲劳强度所谓交变载荷，是指力的大小和方向呈周期性变化的载荷。疲劳破坏事先没有明显的征兆，往往会造成严重事故，如汽车的轴颈、缸盖、齿轮、弹簧等零件的损坏失效，大部分属于疲劳破坏。疲劳强度是指材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力，常用符号R-1表示。通常将钢铁材料应力循环次数为107次，有色金属应力循环次数为108次不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。疲劳强度疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，所以疲劳破坏容易造成很严重的后果。齿轮断裂

曲轴断裂

第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的工艺性能第三节金属材料的物理和化学性能

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金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能反映了金属材料加工难易程度。良好的工艺性能表示材料的加工难度小。工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。铸造性能焊接性能锻造性能工艺性能切削加工性能铸造性能铸造是将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得一定尺寸、形状和力学性能的铸件或零件的成形方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力，称为金属材料的铸造能力，它反映了金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度。金属材料融化成液体时的流动性越好，冷凝时的收缩性越小，凝固后的偏析性（指各化学成分的不均匀性）越小，则获得铸件的质量越好。

（a）暖气片

（b）钢管

（c）管接头

（d）车床底座铸造性能一、 铸造性能铸造是将熔化了的金属液浇入已经制好的铸型型腔，经冷却凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件的一种加工方法。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。（1）流动性熔融金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。（2）收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。（3）偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。铸造性能工业生产中，灰铸铁具有良好的铸造性能，因而被广泛用于制造各种结构较复杂、大型的机械零件。如叶轮、机床底座、汽车变速箱等，如图2-11所示。另外，用于铸造的有有色金属及铸钢。（a）拨叉

（b）箱体典型铸造零件压力加工性能金属在外力的作用下变形成为零件的加工方法称为压力加工，常分为冷压力加工和热压力加工两种类型。压力加工性能是指材料是否易于用压力加工方法制成零件的性能，常用的金属压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等，（a）轧制

（b）挤压

（c）冷拔

（d）锻造

（e）冷冲压常用压力加工方法压力加工性能金属材料在压力加工过程中成型的难易程度称为金属材料的压力加工性能。它主要与材料的塑性有关，塑性越好，其压力加工性能就越好。同时，压力加工性能还与金属材料的成分及加工条件有关。例如，锻钢在加热到一定温度时，容易锻造成型，而铝合金在室温下就很容易锻造加工。焊接性能焊接是通过加热或加压，或者两者并用，使两个分离的金属达到原于结合，连接成一个整体的加工方法。焊接是一种不可拆连接，它不仅可以连接各种同类的金属，也可以连接各种不同类金属。焊接常用的方法有电弧焊、气焊、自动焊等手工电弧焊自动焊气焊焊接方法焊接性能常用焊接方法切削加工性能切削加工是机械工业中应用最为广泛的零件加工方法，常见的切削加工方法有车削、铣削、磨削、钻削等。切削加工性能是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量、工时等。金属材料的切削加工性能，主要受金属材料的化学成分、硬度、塑性等性能的影响。通常情况下，可以通过热处理来提高钢件的切削加工性能。切削加工性能（a）车削加工

（b）铣削加工（c）磨削加工

（d）钻削加工

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第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的工艺性能第三节金属材料的物理和化学性能金属材料的物理性能金属材料的物理性能是指金属材料在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下所表现出来的性能或固有的属性。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。导热性导电性物理性能熔点热膨胀性密度磁性密度金属材料的密度是指单位体积金属的质量。密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。在体积相同时，金属材料的密度越大，其质量越大。一般将密度小于5×103KG/M2的金属材料称为轻金属,将密度大于5×103KG/M2的金属称为重金属。金属材料的密度是零件设计过程中需要考虑的性能之一，如航天构件常采用密度小的铝合金、钛合金、铝镁合金进行制造。熔点金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的质量分数不同，其熔点也不同。熔点对于金属材料的冶炼、铸造、焊接等是重要的工艺参数。熔点高的金属材料称为难熔金属（如钨、钼、钒），可用来制造耐高温零件，在火箭，导弹，燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属材料称为易熔金属（如锡、铅等），可用来制造印刷铅字（铅与锑的合金）、熔断器和防火安全阀等零件。导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。金属材料的导热能力，常用热导率（亦称导热系数）λ来表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合金好。金属材料的导热能力以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属材料，其散热性能也较好，可用来制造散热器、热交换器交换器。导电性金属材料能够传导电流的能力称为导电性。金属材料的导电性常用电阻率ρ来表示，其单位是Ω.m。金属材料的电阻率越小，其导电性越好。导电性与导热性一样，是随化学成分的复杂化而降低，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝作为导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金制作电热元件。热膨胀性金属材料随温度变化而膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属材料受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。金属材料的热膨胀性可用线胀系数α1和体胀系数αV来表示，体胀系数近似为线胀系数的三倍。在实际工作中需要考虑热膨胀性的地方很多，如轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸.磁性金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料又分为铁磁性材料和非铁磁性材料。铁磁性材料是指在外磁场中能被磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。非铁磁性材料是指在外磁场中能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料如金、银、铜、铅、锌等。铁磁性材料可以被磁铁吸引，铁及其合金（包括钢与铸铁）是常见的铁磁性