金属材料与热处理第1章金属材料的性能

项目一

金属材料的性能本章内容1金属材料的物理性能2金属材料的化学性能3金属材料的力学性能4金属材料的工艺性能项目概述要正确、合理地选择和使用金属材料，必须首先了解其性能。金属材料的性能主要包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的性能；工艺性能是指金属材料在加工过程中所表现出来的性能。项目目标【知识目标】①了解金属材料的物理性能、化学性能、工艺性能，以及它们的影响因素。②掌握金属材料的常用力学性能及测试方法。【能力目标】①理解各种材料性能指标的概念、本质、意义，掌握测试技术及实际应用。②掌握根据材料性能所采取的防止零件失效的措施和注意事项，能利用所学知识科学解决生产、生活中遇到的实际问题。任务一金属材料的物理性能相关知识

金属材料的物理性能是指材料在各种物理条件下所表现出的性能，主要包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。（1-1）

密度是指单位体积物质的质量，用符号表示，即一、密度式中：——物质的密度，；

m——物质的质量，g；V——物质的体积，。根据密度的大小不同，材料可分为轻金属和重金属两大类。密度小于的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金；密度大于的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。二、熔点

熔点是指金属从固态向液态转变时的温度，是金属和合金冶炼、铸造、焊接过程中的重要工艺参数。纯金属都有固定的熔点。根据熔点的不同，金属一般可分为难熔金属和易熔金属。将熔点高的金属（如钨、钼、钒等）称为难熔金属，多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应用广泛；将熔点低的金属（如锡和铅等）称为易熔金属，多用于制造保险丝和防火安全阀零件等。

导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率

来衡量。热导率越大，导热性越好。大多数金属材料都具有良好的导热性，其中，银、铜、铝的导热性最好。纯金属的导热性比合金好，合金的导热性比非金属好。三、导热性金属的导热性会影响焊接、锻造和热处理等工艺。导热性好的金属散热也好。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成大的内应力，导致工件变形或开裂。四、热膨胀性热膨胀性是指金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。一般来说，金属受热时膨胀，体积增大；冷却时收缩，体积缩小。热膨胀性的大小可用线膨胀系数和体膨胀系数表示，体膨胀系数近似为线膨胀系数的三倍。膨胀系数越大，金属热胀冷缩的程度就越大。金属材料的热胀冷缩性质在机械制造的选材、加工、装配中非常重要。五、导电性

导电性是指金属材料传导电流的能力，通常用电导率来衡量。电导率越大，金属材料的导电性越好。所有金属材料都具有导电性，其中以银最好，铜、铝次之。纯金属的导电性比合金好。工业上，常用导电性好的金属（纯铜和纯铝）制造导电零件和电线，用导电性差的金属或合金（如钨、钼、铁、铬等）制造加热炉的电阻丝和仪表零件等。六、磁性

磁性是指金属材料能导磁的性能。金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。其中，铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机和测量仪表等；温度升高到一定数值时，铁磁性材料的磁畴会被破坏，变为顺磁性材料，这个转变温度称为居里点。抗磁性材料可用于制造要求避免电磁场干扰的零件，如航海罗盘等。部分金属材料的物理性能及机械性能如表1-1所示。表1-1部分金属材料的物理性能及机械性能任务二金属材料的化学性能相关知识

金属材料的化学性能是指金属材料在常温或高温下，抵抗外界介质侵蚀的能力，一般包括耐腐蚀性和抗氧化性。一、耐腐蚀性

耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。常见的钢铁生锈、铜生铜绿等就是腐蚀现象。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好，铝合金和铜合金也有较好的耐腐蚀性。金属的本性和介质都会影响金属腐蚀，例如金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀；如果金属中能导电的杂质不如该金属活泼，则容易形成原电池而使金属发生电化学腐蚀。二、抗氧化性

抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化过程会随其温度的提高而加速。例如，钢铁在铸造、焊接和热处理时都会发生明显的氧化和脱碳，使金属损耗和造成缺陷。所以，工业锅炉、加热设备和汽轮机等设备上在高温下工作的零件，要求所用零件材料具有良好的抗氧化性。任务三金属材料的力学性能相关知识金属材料的力学性能是指金属材料在承受外加载荷时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。一、强度强度是指材料抵抗塑性变形或断裂的能力。机械制造中常用抗拉强度作为材料力学性能的主要指标。根据载荷性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。1．拉伸试验和力—伸长曲线抗拉强度可以通过拉伸试验进行测定。国家标准GB/T228.1—2010中规定了拉伸试验的方法和拉伸试样的制作标准。试验前，将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，如图1-3所示。图1-3圆形标准拉伸试样图中，

为原始标距，

为圆形横截面试样平行长度的直径，

为原始横截面积，

为断后标距，

为圆形横截面试样断裂后缩颈处最小直径，

为断后最小横截面积。试验时，将标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢进行拉伸。随着拉伸力的不断增加，试样将发生弹性变形、塑性变形直至断裂。试验机会自动记录拉伸过程中载荷与伸长量之间的关系，绘制出力—伸长曲线。图1-4低碳钢的力—伸长曲线图如图1-4所示为低碳钢的力—伸长曲线图。由图可以看出，低碳钢试样的拉伸过程可以分为以下几个阶段。①Oe段为弹性变形阶段。在这个阶段中，试样变形完全是弹性的，变形量与外加载荷成正比，去掉载荷后，变形完全消失，试样恢复到原来的形状和尺寸，这种变形称为弹性变形。②

eeL段为屈服阶段。在这个阶段中，试样不仅发生弹性变形，还发生塑性变形，即去掉载荷后，一部分变形恢复，还有一部分变形不能恢复，这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。载荷增大到

时，载荷保持不变而试样的变形继续增加，这种现象称为屈服。此时，在拉伸曲线上出现水平或锯齿形线段。③eLm段为强化阶段。在这个阶段中，为使试样继续发生塑性变形，载荷必须不断增加，直到

。④mz段为缩颈阶段。当载荷达到

后，试样开始发生局部收缩，称为缩颈。此时，变形所需的载荷逐渐降低。当变形达到z点时，试样在缩颈处断裂。2．强度指标金属材料的强度通常是用应力来度量的。应力是指试样单位横截面积上所受的力，用符号R表示。常用的强度指标有屈服强度、规定塑性延伸强度（旧国家标准中称为规定非比例延伸强度）、抗拉强度。（1-2）1）屈服强度

屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。屈服强度应区分为上屈服强度

和下屈服强度，一般用下屈服强度作为衡量指标，其计算公式为屈服强度和规定塑性延伸强度是大多数机械零件设计计算时的主要依据之一，同时也是评定材料质量的重要指标。有些材料（如铸铁、高碳钢等）没有明显的屈服现象，很难测出屈服强度数值，可用规定塑性延伸强度

来表示。使用

时，应附以下脚注说明所规定的百分率。例如，

表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。（1-3）抗拉强度

是指相应最大力的应力，其计算公式为抗拉强度表明了材料在拉伸条件下单位截面积上所能承受的最大应力。2）抗拉强度机器零件工作时，所承受的拉应力不允许超过

，否则就会产生断裂，所以，抗拉强度也是机械设计计算和选材的重要指标之一，特别是对于脆性材料，拉伸过程中几乎不发生塑性变形，也常常难以测定，故脆性材料没有屈服强度指标，只有抗拉强度指标。工程上，把与的比值称为屈强比。其值越高，材料强度的有效利用率越高，但会降低零件的安全可靠性。断后伸长率A是指断后标距长度的残余伸长量与原始标距之比的百分率，其计算公式为（1-4）二、塑性塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性性能指标包括断后伸长率和断面收缩率。1．断后伸长率（1-5）2．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，即金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z

数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料，不仅可用轧制、锻造、冲压等方法加工成形，而且在工作时若超载，可因其发生塑性变形而避免突然断裂，提高了工作安全性。三、硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入的能力，或者说材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标。由于硬度试验设备简单，操作迅速、方便，通常不会破坏零件或构件，而且大多数金属材料的硬度与其他的力学性能（如强度、耐磨性）及工艺性能（如可加工性、焊接性等）存在一定的对应关系，所以在工程上常被用来检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。硬度的测定方法很多，常用的有布氏硬度测定法（主要用于检验原材料）、洛氏硬度测定法（主要用于检验热处理后的产品）、维氏硬度测定法（主要用于检验薄板材料及材料表层的硬度）、显微硬度（主要用于检验金属材料的显微组织及各组成相的硬度）等。在此主要介绍生产上常用布氏硬度和洛氏硬度。图1-5布氏硬度的测定1．布氏硬度布氏硬度的测定原理如图1-5所示。用一定直径的硬质合金球作为压头，施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。布氏硬度值与试验力除以压痕表面积所得的商成正比，即（1-6）式中：F——试验力，N；D——球体直径，mm；d——压痕平均直径，mm。由式（1-6）可以看出，当F和D一定时，布氏硬度仅与d有关。d越小，布氏硬度值越大，材料的硬度越高；反之，材料的硬度越低。在实际测定时，应根据被测金属材料的种类和试件厚度，按规范正确选择压头直径、试验力和保持时间。只要先测出d，即可根据d值查表得出布氏硬度值，不需进行计算。布氏硬度用符号HBW表示，其表示方法为：硬度数值位于符号前面，符号后面的数值依次是球体直径（mm）、试验力（kgf）和试验力保持时间（10～15s不标注）。例如，“350HBW5/750”表示用直径为5mm的硬质合金球在750kgf试验力下保持10～15s测定的布氏硬度值为350；“600HBW1/30/20”表示用直径为1mm的硬质合金球在30kgf试验力下保持20s测定的布氏硬度值为600。布氏硬度值的测量稳定、准确，常用于各种退火状态下的钢材、铸铁及有色金属等，也可用于调质处理的机械零件。但因测量费时，压痕较大，不适合测量成品零件，特别是有较高精度要求配合面的零件、小件和薄件，也不适合测量太硬的材料。图1-6洛氏硬度的测定2．洛氏硬度洛氏硬度的测定原理如图1-6所示。在初试验力

和主试验力的先后作用下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经过规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h，用h的大小判断材料的硬度。h越大，硬度越低；反之，硬度越高。实际测定时，可在硬度计上的表盘读出硬度值的大小。为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可采用不同类型的压头、试验力和硬度公式，组成不同的洛氏硬度标尺来测量。常用的洛氏硬度标尺有HRA，HRB，HRC，其中HRC在生产中应用最多。洛氏硬度的表示方法为：硬度值标在硬度符号前，如50HRC，60HRA等。三种常用洛氏硬度的试验规范如表1-3所示。表1-3三种常用洛氏硬度的试验规范洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初试验力F0/N主试验力F1/N总试验力F/N适用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.3588.420～88硬质合金、表面淬火层、渗碳层等BHRB直径

1.5875mm球98.07882.6980.720～100有色金属，退火、正火钢等CHRC金刚石圆锥98.071373147120～70淬火钢、调质钢等洛氏硬度测定简单，方便快捷，压痕小，对工件表面损伤小，适宜大量生产中的成品件检验。同时由于压痕小，易受金属表面不平或材料内部组织不均匀的影响，因此，测量时需在被测表面的不同部位测量数点，取平均值。洛氏硬度没有单位，各个标尺之间没有直接的对应关系。

韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。韧性的常用指标是冲击吸收能量K（J）。冲击吸收能量采用夏比摆锤冲击试验测定。四、韧性式中：——试样缺口横截面积，mm2。1．冲击韧度冲击韧度是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。夏比摆锤冲击试验的原理如图1-8所示。摆锤一次冲断试样所消耗的能量用表示，它可从试验机刻度盘上直接读出。材料的冲击韧度的计算公式为图1-8夏比摆锤冲击试验原理对于一般的钢材，测得的吸收能量越大，材料的韧性越好。但由于吸收能量还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织、缺陷以及环境温度有关，由及该值计算出的冲击韧度不能真正反映材料的韧脆性质。因此，一般只用于选材参考，并不直接用于强度计算。2．断裂韧度低应力脆断是指金属材料在远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂。这种情况可能发生在高强度材料的机件，中、低强度的重型机件、大型构件等。突然折断类事故大多都属于低应力脆断。研究和试验表明，低应力脆断与材料内部的裂纹及其扩展有关。衡量材料是否容易断裂的一个重要指标就是裂纹是否容易扩展。如图1-9所示，裂纹扩展可以分为三种基本形式：张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型），其中张开型最容易引起脆性断裂，也就最危险。（a）张开型（b）滑开型（c）撕开型图1-9裂纹扩展的三种基本形式如果材料中存在裂纹，在外力的作用下，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加的应力F（称为名义应力）、裂纹长度a以及距裂纹尖端的距离有关，该应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场。应力场的应力值随着名义应力F和裂纹长度a

的增大而增大，裂纹也会随之自动扩展。在零（构）件安全设计上，断裂韧度可为其提供重要的力学性能指标，它是强度和韧性的综合体现。断裂韧度主要取决于材料的成分、内部组织和结果，而与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。五、疲劳许多零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧等）都是在交变应力（循环应力）作用下工作的。在交变应力作用下，虽然零件所承受的最大应力通常都低于材料的屈服强度，但经过一定时间的工作后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂的现象，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂前，零件无明显塑性变形，具有很大的危险性，常常会造成严重事故。据统计，大部分机械零件的损坏都是由疲劳引起的。图1-10疲劳曲线材料在循环应力作用下经受无数次循环而不断裂的最大应力值称为材料的疲劳极限或疲劳强度。由疲劳曲线示意图（见图1-10）可知，应力值R越低，断裂前的循环次数越多。实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。通常规定，钢铁材料的N

取107次，有色金属的N取108次，不锈钢及腐蚀介质作用下的N取106次。影响疲劳极限的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度和进行表面热处理（表面淬火、化学热处理、表面复合强化等）也可提高材料的疲劳极限。任务四金属材料的工艺性能相关知识用金属材料制造各种零件和构件时，首先需要对其进行各种加工。因此，在了解金属材料力学性能的同时，还必须了解其各种加工工艺性能。根据不同的工艺方法，金属材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。一、铸造性能铸造性能是指金属材料铸造成形获得优良铸件的能力，它主要取决于材料的流动性、收缩性和偏析倾向。1．流动性流动性是指熔融金属的流动能力。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。流动性的好坏主要与金属材料的化学成分、浇注温度和熔点有关。同一种金属材料，浇注温度越高，流动性越好。2．收缩性

收缩性是指铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象。铸件收缩不仅会影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、缩松、内应力等缺陷，在冷却过程中容易产生变形，甚至开裂，因此，铸造用金属材料的收缩率越小越好。3．偏析倾向偏析是指金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织不均匀的现象。偏析现象会使铸件各部分的组织和性能不一致，从而引起强度、塑性和抗蚀性等下降，降低铸件质量。二、锻造性能锻造性能是指金属材料用锻压加工方法成形的能力。它主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属材料的化学成分与加工条件对锻造性能的影响很大。例如，铜合金和铝合金在室温下就具有良好的锻造性能；