《机械制造基础》第2版 课件 第1章 金属材料的性能

《机械制造基础》（第2版）全国机械行业高职院校优质规划教材江苏省高等学校重点教材《机械制造基础》课程导入《机械制造基础》第1篇

机械工程材料Chapter金属材料的性能1第1章

金属材料的性能

案例导入a）

b）

c）

d）

e）

f）图1-1低碳钢拉伸试验形变过程a)屈服强化阶段b)、c)、d)颈缩阶段e）断裂瞬间f)断裂后截面形状第1章

金属材料的性能

初步分析低碳钢的拉伸试验过程：

载荷的增加

→试样伸长量↑

直径↓

载荷增加到一定程度→试件变细↓，外加载荷明显↓

→试样被拉断金属材料的力学性能及其组织结构1.1金属材料的力学性能

力学性能的概念力学性能：是指金属材料在外力作用下，所表现出来的抵抗

变形和破坏的能力。力学性能指标：金属在常温时的力学性能指标有强度、塑性、

硬度、冲击韧度、疲劳强度和断裂韧度等1.1金属材料的力学性能

强度和塑性拉伸试样a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性力-伸长曲线图1-3低碳钢试样的力-伸长曲线oc—弹性变形阶段ce

—屈服阶段em

—缩颈与断裂阶段mk

—缩颈与断裂阶段1.1金属材料的力学性能

强度和塑性强度材料的强度，就是材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

1.1金属材料的力学性能

强度和塑性⑵强度判据拉伸试验可用于测量屈服强度和抗拉强度等。1)屈服强度和条件屈服强度2)抗拉强度⑶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，故屈服强度是机械设计强度计算的主要依据1.1金属材料的力学性能

强度和塑性塑性

金属材料在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。⑴塑性判据

可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率来表示，如图1-2所示。1)断后伸长率

试样断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率，用符号A表示。a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性塑性

金属材料在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。⑴塑性判据

可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率来表示，如图1-2所示。断面收缩率断面收缩率Z是指，断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率。a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性⑵塑性意义

金属材料的伸长率与断面收缩率数值愈大，说明其塑性愈好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。1.1金属材料的力学性能

强度和塑性表1-1材料的伸长率数值大小与材料的塑性好坏关系一览表材料伸长率数值范围材料性质材料性质举例>2%塑性材料铜、钢。如纯铁的伸长率几乎可达50%；又如低碳钢的伸长率约为20%~30%，断面收缩率约为60%。<2%脆性材料铸铁、混凝土。如普通生铁的伸长率达不到1%。1.1金属材料的力学性能

硬度1.硬度表示硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的能力。2.硬度判据

常用的硬度指标是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。图1-6布氏硬度试验原理示意图图1-7洛氏硬度试验原理图1-在初试验力下的压入深度2-由主试验力引起的压入深度3-卸除主试验力后的弹性回复深度4残余压入深度5-试样表面6-测量基准面7-压头位置1.1金属材料的力学性能

硬度表1-2常用洛氏硬度符号、试验条件和应用举例（摘自GB/T230.1-2018）标尺硬度符号压头型号初试验力（）+主试验力()=总试验力(F/N)常用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07+490.3=588.3720~95HRA碳化钢、硬质合金、表面淬火等BHRBW直径1.5875mm碳化钨合金球98.07+882.6=980.6710~100HRBW非铁金属、退火钢、铜合金等等CHRC金刚石圆锥98.07+1373=1471.0720~70HRC淬火钢、调质钢等………………………………1.1金属材料的力学性能

硬度⑶维氏硬度

维氏硬度和布氏硬度的测定原理基本相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。不同的是所用的压头为锥面夹角为的金刚石正四棱锥体。图1-8维氏硬度试验原理示意图1.1金属材料的力学性能

硬度3.硬度的意义

由于硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，因此，材料硬度与强度之间有一定内在联系，强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高；反之硬度高不一定强度高。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；硬度是衡量金属软硬的判据，直接影响材料的耐磨性和切削加工性。如机械制造中各种刀具要有足够的硬度，才能保证使用的性能和寿命。1.1金属材料的力学性能

冲击韧度1.韧性表示

韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。2.冲击韧性判据

夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性指标的动态试验方法。a)b)c)图1-9摆锤式冲击试验（夏比冲击试验）原理示意图a)-U形缺口试样b)-试样安放位置c)-夏比冲击试验机势能测定1.1金属材料的力学性能

冲击韧度冲击韧性的意义

一般将值低的材料称为脆性材料，值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口比较平整，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，没有金属光泽。还应指出，长期的生产实践证明，值对材料的组织缺陷十分敏感，能够灵敏的反映出材料的品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶金质量和热加工质量的有效办法之一。1.1金属材料的力学性能

疲劳强度材料在循环载荷的作用下，即使所受应力低于屈服强度也常发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂，尤其是高强度材料在断裂之前一般没有明显的塑性变形，难以检测和预防，所以有很大的危险性。图1-10疲劳曲线示意图1.1金属材料的力学性能

疲劳强度1.疲劳强度疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用以表征材料抵抗疲劳断的能力。2.疲劳强度测试测试材料的疲劳强度的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得的材料所受循环应力与其断裂前的应力循环次数的关系曲线称为疲劳曲线，如图1-10所示。3.有效提高疲劳强度的途径疲劳极限除与选用材料的本性有关，还可通过以下途径来提高疲劳极限。⑴在零件结构设计方面尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹。⑵降低零件表面粗糙度值，提高表面加工质量；同事尽可能减少能成为疲劳源的表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面损伤（刀痕、擦伤、生锈等）。⑶采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火与喷丸、滚压等表面塑性变形加工，不仅可提高零件表层的疲劳极限，还可获得有益的表层残余压应力，以抵消或降低产生疲劳裂纹的啦应力。1.2材料的物理、化学及工艺性能物理性能材料的物理性能材料的物理性能属于材料的固有属性，主要包括材料的熔点、密度、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。⑴熔点

材料在缓慢加热时由固态转变为液态时的融化温度称为熔点。金属有固定的熔点，合金的熔点取决于成分。⑵密度

密度是某种材料单位体积的质量。材料的密度直接关系到制成零件或构件的重量。⑶导电性

导电性是指材料传到电流的能力。工程中常采用纯铜和纯铝制造导电材料，导电性差的材料制作电热元件。⑷导热性

导热性是指材料传导热量的能力。合金的导热性比纯金属差，纯金属中银和铜的导热性能最好，铝次之。⑸热膨胀性

热膨胀性是指材料随着温度变化而产生的体积膨胀或收缩的现象。常温下工作的普通机械零件可以不考虑材料的热膨胀性，但工程中如滑动轴承材料、内燃机活塞的材料、精密仪器仪表的材料都要求热膨胀系数要小。⑹磁性

磁性是指材料在磁场中导磁或被磁化的能力，磁性材料从材质和结构上分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类，电机的铁芯所用的磁性材料一般用硬磁铁氧体，磁化后不易退磁，对磁通的阻力小。1.2材料的物理、化学及工艺性能化学性能⑴耐蚀性

耐蚀性是指材料在室温时抵抗其周围介质腐蚀破坏的能力。不同介质中工作的材料其耐腐蚀性要求不同，如海洋设备要耐海水和海洋大气的侵蚀，储存和运输酸类的容器和管道要有较高的耐酸性。⑵抗氧化性

抗氧化性是指材料在高温下抵抗氧化的能力。在高温下工作的锅炉、加热炉、内燃机零件等要求具有良好的抗氧化性。1.2材料的物理、化学及工艺性能工艺性能工艺性能是指金属材料对零件制造工艺的适应性，包含着铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。工艺性能直接影响零件的制造工艺和质量，是选择金属材料时必须考虑的因素之一。1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑴晶体与非晶体固态物质按其原子排列的特征分为晶体和非晶体两大类。a)b)图1-11晶体和非晶体的原子排列示意图a)-晶态金属中的原子排列b)-非晶态金属中的原子排列1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑵晶格与晶胞1)晶格把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格。2)晶胞晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑶常见金属晶格类型：常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶⑴冷却曲线与过冷度

1)冷却曲线

冷却曲线是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线，如图1-17所示。图1-17纯金属的冷却曲线1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶2)纯金属的结晶温度由图1-17可知，随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，温度并不随冷却时间的增长而降低，在冷却曲线上出现了一个恒温的水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属的结晶温度（或熔点）。3)理论结晶温度液态金属在及其缓慢地冷却条件下测得的结晶温度称为理论结晶温度，用符号表示。4)实际结晶温度在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都是相当快的，此时金属要在理论结晶温度以下某个温度才开始结晶，这一温度称为实际结晶温度，用符号表示。5)过冷现象实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。6)过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用符号表示，即1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶⑵纯金属的结晶过程

1)结晶过程

结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。经历了“形核→长大→形核→长大”的过程，如图1-18所示。b)c)d)图1-18纯金属的结晶过程示意图a)—液态金属b)—形核c)—晶核长大d)—完全结晶1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶2)晶核形成晶核形成包含着自发形核与非自发形核的过程。①晶核与自发形核

金属在过冷的条件下，液态金属中某些局部微小的区域内的原子自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核。②非自发形核

当金属液中有细微的固态颗粒（自带或人工加入）时，也可以成为结晶的核心，这种形核方式称为非自发形核。3)晶核长大

金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。

1.3金属的晶体结构和相图金属的同素异构1.同素异构转变当温度、压力等外界条件改变时，少数固态金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）的晶体结构由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即固态相变。2.纯铁的同素异构转变过程纯铁在固态下会发生同素异构转变。其转变过程如下：1.3金属的晶体结构和相图合金的晶体结构纯金属一般具有较好的导电性、导热性，但其提炼困难，力学性能较低，因此在使用上受到了限制。工业上大量使用的金属材料都是合金。合金具有较高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能。碳钢、合金钢、铸铁、黄铜、硬质合金等材料都是合金。1.基本概念⑴合金由两种或两种以上的金属元素（或金属元素和非金属元素）组成的具有金属特性的物质。

⑵组元

通常组元就是组成合金的元素。⑶合金系合金系是指两种或两种以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。⑷相图合金的结晶过程比纯金属复杂，为研究方便，通常以温度和成分作为独立变量的相图来分析