《金属材料与热处理》项目1金属材料的基本性能

主讲人：金属材料与热处理金属材料的基本性能1金属的晶体结构与结晶2铁碳合金相图3钢的热处理4目录contents钢5铸铁6非铁金属及其合金7金属材料的基本性能01金属材料的基本性能主要包括使用性能和工艺性能两部分。其中，使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性能，主要包括物理性能、化学性能和力学性能等；工艺性能是指金属材料在加工过程中表现出来的性能，主要包括铸造性能、焊接性能和切削加工性能等。本项目主要介绍金属材料的基本性能及其在实际生产中的意义。通过本项目的学习，学生应能够对金属材料的基本性能有一定了解。项目导读【知识目标】掌握金属材料的物理性能。

了解金属材料的工艺性能。掌握金属材料的化学性能。掌握金属材料的力学性能。

【技能目标】能区分金属材料的物理性能和化学性能。能正确测定金属材料的力学性能。项目目标【素质目标】养成脚踏实地、认真负责、求真务实的工作作风。弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。践行服务集体、服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。项目目标

项目导航掌握金属材料的物理性能和化学性能掌握金属材料的力学性能和工艺性能一二点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务一：掌握金属材料的物理性能和化学性能任务引入居里效应是由法国物理学家皮埃尔·居里在1895年发现的。居里效应是指当磁性材料的温度升高至某一温度点时，磁性材料失去磁性的现象，这温度点就是居里点。任务引入根据这一发现，人们研制了很多控制元件，如电饭锅的温控开关。电饭锅的底部中央有一块居里点为103℃的铁氧体材料和一块永久磁铁，当电饭锅通电加热时，铁氧体材料会被永久磁铁吸引，形成一个闭合回路。当温度升高至103℃时，铁氧体材料因达到居里点而失去磁性，被永久磁铁释放，断开回路，电饭锅则停止加热。要正确利用磁性材料的居里效应，就必须先确定磁性材料的居里点。那么，应如何测定磁性材料的居里点呢？任务引入知识与技能要求任务内容掌握金属材料的物理性能和化学性能学习程度识记理解应用学习任务金属材料的物理性能

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金属材料的化学性能

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实训任务测定铁磁性材料的居里点

●自我勉励

一、金属材料的物理性能金属材料的物理性能是指材料在各种物理条件下表现出来的性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。在日常生活中，你所接触到的金属材料的物理性能有哪些？谈一谈一、金属材料的物理性能1．密度

一、金属材料的物理性能1．密度密度最小的金属材料是锂，它的密度为0.534g/cm3金属材料轻金属密度小于4.5g/cm3的金属如铝、镁、钛及它们的合金重金属密度大于4.5g/cm3的金属如铁、铅、钨等根据密度的不同密度最大的金属材料是锇，它的密度为22.59g/cm3一、金属材料的物理性能1．密度材料的密度直接影响所制造设备的自重与效能。汽车制造业和航空制造业为了减轻汽车和飞行器的自重，大多采用密度较低的材料。如图所示，飞机材料常选用钛及钛合金，以降低自重。节能减排已成为汽车行业的长远发展趋势，轻量化是汽车行业实现节能减排的重要手段和方法。在汽车行业中，由于铝合金的密度为钢的

1/3，因此其是轻量化的首选材料，目前已有车企实现了汽车全铝车身的应用。知识链接一、金属材料的物理性能2．熔点金属材料由固态变为液态时的温度称为熔点。一、金属材料的物理性能2．熔点金属材料易熔金属熔点低于700℃如锡、铅、锌等常用来制造保险丝和防火安全阀等难熔金属熔点高于700℃如钨、钼、钒等多用来制造耐高温零件，如火箭、喷气式飞机等的零件。根据熔点的不同一、金属材料的物理性能3．导热性导热性是指金属材料传导热量的性能。导热性通常用导热系数（也称热导率）λ

来表示，导热系数越大，导热性越好。一般情况下，金属材料的纯度越高，导热性越好。

导热性由高到低：纯金属>合金>非金属。在金属材料中，银的导热系数最好，但成本较高；纯铜次之，但极易氧化、质量大、不耐腐蚀。一、金属材料的物理性能3．导热性导热性好的金属，往往吸热快，散热也快。因此，在制订焊接、铸造、锻造、热处理等工艺时，应考虑材料的导热性，以防止材料在加热或冷却时因内外温差过大而变形或开裂。铜的导热性比铝好，为什么很多电脑在制造时仍然选用铝制鳍片散热器呢？首先，铝的比热容较高，温度每上升或下降1℃，吸收或散发的热量比铜多，不会造成热量积累。其次，铜的密度比铝高，若用铜制作导热板，质量相对较大，对主板的压力也较大。最后，铜的价格至少是铝的3倍，但性能却相差不大。因此，目前市场上铝制鳍片散热器应用较多。知识链接一、金属材料的物理性能4．导电性

金属材料导电性的应用工业上，常选用导电性较好的纯铜、纯铝制作电线，常选用导电性较差的铜合金、铁铬合金等制作电阻丝或仪表零件。一、金属材料的物理性能5．热膨胀性

在加工生产时要考虑金属材料的热膨胀性。例如，在铺设钢轨时，在钢轨衔接处要留有一定的间隙，防止钢轨因材料受热、膨胀过大而受到损坏；精密仪器和精密车床需要在规定的温度下进行测量和加工，以减小误差。一、金属材料的物理性能6．磁性磁性是指金属材料在磁场中被磁化而呈现的磁学相关的性能。一、金属材料的物理性能6．磁性金属材料铁磁性材料容易被外磁场磁化如铁、镍、钴等可用于制造变压器、电动机、测量仪表等顺磁性材料在外磁场中只能被微弱地磁化如锰、铬、铝等抗磁性材料不仅不会被外磁场磁化，还会削弱磁场的作用如铜、锌、铅等可用于制造防磁结构件，如仪表外壳、航海罗盘等。根据在磁场中受到磁化程度的不同一、金属材料的物理性能常见金属的主要物理性能金属

名称元素

符号熔点/℃色泽银Ag10.49960.78418.6019.701.59白铜Cu8.961083393.50171.67（20

℃）玫瑰红铝Al2.70660.32221.9023.602.66银白镁Mg1.74650153.7024.304.47银白钨W19.303380166.204.60（20

℃）5.10银白镍Ni8.90145392.1013.406.84白铁Fe7.84153875.4011.769.78灰白锡Sn7.30231.9162.802.3011.50银白铬Cr7.191903676.2012.90银白钛Ti4.51167715.248.2042.10～47.80暗灰锰Mn7.4312444.98（-192

℃）37185（20

℃）灰白二、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指材料因受到外界条件变化的影响或与某些侵蚀性介质接触而产生化学反应，导致结构和使用性能发生变化的性能，一般包括耐腐蚀性和抗氧化性。二、金属材料的化学性能1．耐腐蚀性腐蚀不仅会使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件发生损坏，常见的钢铁生锈、铜生铜绿等就是腐蚀现象。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。金属材料的耐腐蚀性与其组成成分有关碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差钛合金、铝合金、铜合金、不锈钢等的耐腐蚀性较好。金属腐蚀的分类二、金属材料的化学性能1．耐腐蚀性为防止或降低腐蚀带来的危害，人们通过很多方法来提高金属材料的耐腐蚀性。在金属材料表面覆盖保护层，主要采用喷涂油漆、镀层、化学钝化处理等方法，使金属材料表面与外界隔绝；改变金属内部结构，如将金属制成合金等。二、金属材料的化学性能2．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着温度的升高而加速。因此，在金属材料的铸造、焊接等热加工过程中，人们会采取一些措施来降低氧化作用对金属材料的影响。例如，焊接不锈钢时常采用氩气保护；热处理加工时采用真空炉进行加热。二、金属材料的化学性能头脑风暴：想一想，生活中常见的自行车运用了哪些抗氧化的措施呢？课堂小结金属材料物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性化学性能耐腐蚀性抗氧化性课堂检测1.根据在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可以分为哪几种？2.有哪些方法可以提高金属材料的耐腐蚀性？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务二：掌握金属材料的力学性能和工艺性能任务引入1912年4月10日，号称“世界工业史上的奇迹”的豪华客轮泰坦尼克号开始了它的首航。两天后的晚上，泰坦尼克号撞上了冰山，船体的铆钉因承受不了撞击而损坏，导致泰坦尼克号沉没。那么，应如何测定金属材料的硬度呢？任务引入人们对泰坦尼克号的残骸进行分析，发现其中含有大量的硫化锌杂质，这种杂质是制造者为了增加钢材强度而增加的矿渣。泰坦尼克号的制造者一味地增强钢材的强度，却忽略了钢材的韧性。人们将残骸的金属碎片与现代造船钢材进行对比，发现以泰坦尼克号沉没地点的水温为准，现代造船钢材受到撞击后可弯成V形，而泰坦尼克号使用的钢材则因韧性不够而发生断裂，最终导致了灾难的发生。因此，在制造金属工件时，不能只是提高金属材料的硬度，还要兼顾金属材料的韧性。任务引入知识与技能要求任务内容掌握金属材料的力学性能和工艺性能学习程度识记理解应用学习任务金属材料的力学性能●

金属材料的工艺性能●

实训任务测定金属材料的硬度

●自我勉励

一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳等。一、金属材料的力学性能1．强度金属材料抵抗外界变形或断裂的能力称为强度。强度抗拉强度金属材料力学性能的主要指标可用静力拉伸试验测定抗压强度抗弯强度抗剪强度抗扭强度根据载荷性质的不同一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线试验前，应将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样。圆形标准拉伸试样原始标距圆形横截面试样平行长度的原始直径原始横截面积断后标距圆形横截面试样断裂后缩颈处的最小直径断裂后的最小横截面积一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线

拉伸过程弹性变形屈服塑性变形缩颈弹性变形屈服塑性变形缩颈低碳钢的拉伸曲线一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线该阶段近似为一条倾斜的直线，即拉伸力与伸长量之间呈正比。

弹性变形一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线屈服该阶段既存在弹性变形，也存在塑性变形。

一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线塑性变形随着拉力的不断增加，试样被均匀拉长。在该过程中，材料的塑性变形不断增加，所需的拉力不断变大，强度逐渐增大。

一、金属材料的力学性能1．强度1）静力拉伸试验与拉伸曲线

此时即便施加的拉力减小，试样仍能继续变形，直至断裂（z点）。

缩颈一、金属材料的力学性能实际中，常用于衡量强度的指标有屈服强度、抗拉强度等。（1）屈服强度1．强度2）衡量强度的指标

一、金属材料的力学性能（1）屈服强度1．强度2）衡量强度的指标

我国的舰船和海工钢铁材料体系经过几十年的发展，已取得很大突破。宝钢集团浦钢公司采用正火工艺开发了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平台钢板；采用调质工艺研发了屈服强度为690MPa的高强度海洋平台齿条钢。河北钢铁集团舞阳钢铁公司生产的D36-Z35海工钢，被用于我国第一个世界级的深水项目——位于南海东部1500m深海区域的”荔湾3-1“气田中；该公司生产的A514GrQ齿条钢最大厚度为215mm，超出了国外齿条钢的最大厚度，成功实现自升式平台升降机构齿条钢、半圆板的国产化。知识链接一、金属材料的力学性能（2）抗拉强度1．强度2）衡量强度的指标

一、金属材料的力学性能（2）抗拉强度1．强度2）衡量强度的指标

抗拉强度通常铸铁、高碳淬火钢等低塑性材料在拉伸过程中不发生缩颈，抗拉强度即材料的断裂强度。抗拉强度是零件的重要指标之一，也是评定金属材料强度的重要指标之一。一、金属材料的力学性能1．强度工程上，常把屈服强度和抗拉强度的比值称为屈强比，其范围在0～1之间。屈强比是衡量材料脆性的指标之一，屈强比越大，表明材料越不易发生塑性变形，材料的脆性就越好，材料就越容易发生断裂。2）衡量强度的指标头脑风暴：起重机的钢丝绳一般选用什么材料制造？为什么？一、金属材料的力学性能2．塑性塑性是指金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。塑性指标断后伸长率断面收缩率一、金属材料的力学性能2．塑性

1）断后伸长率金属材料的断后伸长率与原始标距有关，同一类型的金属材料，短试样比长试样的断后伸长率大。提示一、金属材料的力学性能2．塑性

2）断面收缩率

一、金属材料的力学性能3．硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属材料抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。金属材料的硬度能反映出内部组织结构和热处理状态的差异。硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度一、金属材料的力学性能3．硬度将直径为D的碳化钨合金球作为压头压入被测金属表面，并施加一定大小的载荷，保持一定的时间t后不再施加试验力。用读数显微镜测量压痕直径d，并计算出布氏硬度的值。1）布氏硬度布氏硬度的测定原理一、金属材料的力学性能3．硬度

1）布氏硬度实际测量时不需要计算硬度值，用读数放大镜测量直径d后，即可根据d查表得出布氏硬度的值。提示

一、金属材料的力学性能3．硬度布氏硬度测定的压痕面积比较大，测量结果较准确。布氏硬度常用于测定灰铸铁、非铁金属等的硬度；但操作过程较复杂，压痕面积较大，不适合测定成品及薄件的硬度。1）布氏硬度

直径为5mm的硬质合金球在700kgf试验力下保持10～15s测定布氏硬度的值为300一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度

洛氏硬度的测定原理0—0面为圆锥压头未与试样接触的位置1—1面为施加初试验力时，圆锥压头在试样内的位置2—2面为施加总试验力（初试验力和主试验力之和）并保持一定的时间后，压头所在的位置3—3面为卸除主试验力后，压头所在的位置。试样实际产生塑性变形的深度为h，该深度称为残余压痕深度一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度洛氏硬度的测定原理测量时应根据h判断材料的硬度，h越大，硬度值越小；反之，硬度值越大。实际测定硬度时，可从硬度计上的表盘读出硬度值的大小。提示一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度

用金刚石作为压头时，N为100

一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度洛氏硬度针洛氏硬度针电动洛氏硬度计数显表面洛氏硬度计为了能够使用同一洛氏硬度计测定不同软硬或薄厚的试样，可采用由不同压头和载荷组合形成的洛氏硬度标尺。一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度洛氏硬度标尺AHRABHRBWCHRC在生产中使用最多洛氏硬度无单位，常用的表示方法是在硬度符号前标出硬度值，如30HRC、70HRA等。一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度标尺硬度

符号压头类型适用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.3588.420～95HRA硬质合金、表面淬火层、渗碳层等BHRBW98.07882.6980.710～100HRBW有色金属，退火钢、正火钢等CHRC金刚石圆锥98.071373147120～70HRC淬火钢、调质钢等三种常用的洛氏硬度测试条件和应用举例一、金属材料的力学性能3．硬度2）洛氏硬度洛氏硬度测定的硬度范围较大，操作简单，压痕较小，而且几乎不损伤工件表面，可测定成品及薄件的硬度；但由于压痕小，结果不准确，因此需要测定工件的不同位置，然后取平均值。一、金属材料的力学性能3．硬度3）维氏硬度将相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头，在规定的试验力下压入被测金属表面，保持一定时间后，卸除试验力，利用压痕对角线长度来计算硬度。实际测定时，维氏硬度的值不需要计算，可根据压痕对角线长度查表得出。提示维氏硬度的测定原理一、金属材料的力学性能3．硬度3）维氏硬度

维氏硬度测定的硬度范围较大，压痕较小，精度准确，能测定金属镀层及薄件的硬度。但维氏硬度的操作较洛氏硬度复杂，效率较低。一、金属材料的力学性能4．韧性金属材料在断裂前吸收塑性变形能量的能力称为韧性，常用冲击韧度评定其好坏。金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗变形、破坏的能力称为冲击韧度，常采用夏比摆锤冲击试验测定。夏比摆锤冲击试验的原理一、金属材料的力学性能4．韧性

一、金属材料的力学性能4．韧性

与吸收能量有关的因素尺寸表面粗糙度内部组织缺陷环境温度形状

提示一、金属材料的力学性能4．韧性脆性材料吸收能量值低的材料在断裂前不会产生明显的塑性变形，断裂处呈晶状或瓷状，有金属光泽。韧性材料吸收能量值高的材料在断裂前会产生塑性变形，断裂处呈纤维状，无光泽一、金属材料的力学性能4．韧性

吸收能量K与温度T的关系曲线一、金属材料的力学性能4．韧性吸收能量K与温度T的关系曲线吸收能量随温度的降低而减小，当吸收能量在某个温度区间内急剧下降时，材料由韧性材料转变为脆性材料，这种现象称为低温脆性或冷脆，该温度区间称为韧脆转变温度范围。

一、金属材料的力学性能4．韧性韧脆转变温度越低，金属材料的抗低温脆性越好。在寒冷地区架设的桥梁和公路等结构材料必须有较低的韧脆转变温度，否则可能发生低温脆性破坏。但并不是所有的金属材料都有低温脆性。例如，铝和铝合金就没有低温脆性。提示一、金属材料的力学性能5．疲劳许多零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧）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，但工作一定时间后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂前，零件无明显的塑性变形。因此，疲劳断裂是一种突然发生的脆性断裂，是反复应力作用下的脆性破坏。金属疲劳一、金属材料的力学性能5．疲劳

一、金属材料的力学性能5．疲劳疲劳曲线

一、金属材料的力学性能5．疲劳

疲劳曲线

提示一、金属材料的力学性能5．疲劳延长零件的使用寿命选择疲劳强度高的材料合理设计零件的形状和尺寸，避免尖角、缺口和截面突变降低零件表面粗糙度，提高零件表面加工质量采用渗碳、渗氮、表面淬火等热处理方式，提高疲劳强度。一、金属材料的力学性能5．疲劳金属的疲劳具有很大的危险性，常常造成严重事故。据统计，大部分机械零件的损坏都是由疲劳引起的。例如，车轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓等零件有50%～90%的破坏为疲劳破坏。另有报道，疲劳破坏占飞机喷气发动机全部构件破坏的49%。除此之外，压力容器、海洋石油平台、多种焊接结构（如桥梁、塔架），以及家庭用具（如自行车、衣柜的合页和厨房里水龙头把手）等都会发生疲劳破坏。知识链接二、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指材料在机械制造过程中适应各种冷加工和热加工的性能，包含铸造性能、焊接性能、切削加工性能等。二、金属材料的工艺性能1．铸造性能金属材料的铸造性能是指金属材料能铸造成形，被制成优质铸件的能力。铸造性能流动性收缩性偏析二、金属材料的工艺性能1．铸造性能金属材料的流动性可用螺旋线长度来测定，将金属液体浇注到螺旋形铸型中，在相同的铸造条件下，获得的螺旋线越长，表明金属材料的流动性越好。1）流动性

液态金属材料的流动能力称为流动性流动性好的金属材料，铸造性能较高灰铸铁和硅黄铜的流