《金属材料与热处理》中职全套教学课件

模块一金属的性能金属材料与热处理绪论金属材料与热处理模块1金属的性能金属材料与热处理模块2金属的结构与结晶金属材料与热处理模块3金属的塑性变形与再结晶金属材料与热处理模块4铁碳合金金属材料与热处理模块5碳素钢金属材料与热处理模块6钢的热处理工艺金属材料与热处理模块7合金钢金属材料与热处理模块8铸铁金属材料与热处理模块9有色金属及硬质合金全套可编辑PPT课件金属的性能

学习导入

金属材料是制造机器最主要的材料，它之所以应用如此广泛，主要是因为其性能优良，而我们设计和制造机械零件或工具也要以它的性能为主要依据，只有掌握了金属材料的主要性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。

经常会听到人们对材料做这样的描述：“铁沉入水底”“纸张一撕就会破”“皮球会反弹”“木材可以燃烧”“玻璃很硬、锐角会伤人”“鸡蛋容易破碎”。这些都是材料性能的一部分。在选用材料时，首先必须考虑材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。

金属的性能是保证零件或工具正常工作应具备的特性，它包含使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能和化学性能等。使用性能的好坏决定了材料的使用寿命、使用范围和安全可靠性。工艺性能是指金属材料在加工制造过程中的适应加工的性能，它包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性等。工艺性能直接影响零件加工的工艺质量和成本，是选材和制定零件工艺路线时必须要考虑的重要因素。金属的性能知识目标1.了解金属的性能及其在机械制造中的重要性。2.理解各机械性能的概念及其衡量指标。3.掌握主要机械性能的符号、表示方法。4.了解机械零件失效的形式和原因。技能目标1.熟悉布氏硬度、洛氏硬度计的测量方法及其应用；2.了解强度、塑性、冲击韧性和疲劳强度的测量方法及其应用；3.能根据零件或工具的工作条件，分析其对制造材料性能的要求。学习目标金属的性能思维导图1金属的物理性能和化学性能金属的性能案例导入

2012年11月19日，某品牌白酒被检出塑化剂超标2.6倍。厂家解释：白酒主要是经过粮食发酵、蒸馏、储存、罐装几个环节，其间不会再添加任何添加剂，所以受到塑化剂污染的可能性比较小，在运输、贮存过程中也不与塑料制品接触，而都是用玻璃瓶、瓦罐、金属罐存储。最有可能的只是塑料水管或者个别连接口处有一点塑料管。

请思考：电线电缆、飞机、船舶、医疗手术刀、锅炉、白酒罐、火箭等（见图1-1）是用什么材料制造？材料要具有什么样的性能，为什么？金属的性能案例分析

塑料能溶入白酒中，不锈钢、玻璃等耐酒精腐蚀。不同的场合需要不同性能的材料来保证，不同的材料具有不同的性能。以上材料的选择除了考虑力学性能外，还必须考虑其物理性能和化学性能，例如导电性、熔点、密度、耐腐蚀性、抗氧化性、耐高温性等。金属的性能一、金属的物理性能金属的物理性能即金属所固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1.密度密度是指某种物质单位体积的质量。

千克/米3式中ρ—物质的密度（kg/m3）；m—物质的质量（kg）；V­—物质的体积（m3）。材料材料铅铜铁钛铝锡钨塑料玻璃钢碳纤维复合材料密度[g/cm3]11.38.97.84.52.77.2819.30.9~2.22.01.1~1.6金属的性能

密度的大小很大程度上决定了工件的自重，对于要求质轻的工件宜采用密度较小的材料（如铝、钛、塑料、复合材料等）。工程上计算零件毛坯的质量也要利用密度。密度不仅影响材料的应用范围和产品质量，而且对加工工艺，特别是对焊接工艺性也有较大的影响。

密度小于4.5×103千克/米3的金属称为轻金属=，如铝、镁及其合金；密度大于4.5×103千克/米3的金属称为=重金属=，如铜、铁、锡、铅、金、银等。

飞机、船舶、航天器等产品为了减轻自重，节约燃料，提高承载能力，需要用密度小而强度高的轻金属来制造。例如，航空母舰采用铝代替钢材，可以减轻1000吨左右的重量。新型汽车用铝材后，不仅可以多载乘客，而且有利于节油和加速。而深海潜水器、平衡重锤等，为提高稳定性，需要增加自重，因而常选用重金属。金属的性能2熔点

金属和合金从固体状态向液体状态转变时的熔化温度称为熔点。金属都有固定的熔点，而玻璃、高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。材料钨钼钛铁铜铝铅铋锡铸铁碳钢铝合金熔点/℃33802630167715381083660.1327271.3231.91279～11481450～1500447～575金属的性能

熔点低于700℃的金属称为易熔合金，如锡（Sn）、铅（Pb）、铋（Bi）及其合金；熔点高于700℃的金属称为难熔合金，如铁（Fe）、钨（W）、钼（Mo）、铜（Cu）等及其合金。

金属的熔点是热加工的重要工艺参数，对选材有影响，不同熔点的金属具有不同的应用场合。

易熔合金如锡、铅、锌、铋等可以用来制造印刷铅字、保险丝、防火安全阀、电器熔断器、焊接钎料等。难熔金属如钨、钼、钒等可以用来制造耐高温的零件，在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机、电火花加工、焊接电极等方面获得了广泛的应用。金属的性能3导热性

导热性即传导热的性能。导热性的好坏，取决于它的热导率（导热系数）λ（单位为W/m·K）。热导率大，导热性就好。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。一般纯金属导热性好，合金的成分越复杂，其导热性越差。材料银铜铝铁灰铸铁

碳钢热导率[W/(m．Ｋ)]41939322275～6367（100℃）金属的性能

导热性是传热设备和元件应考虑的主要性能。一般导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器（见图1-2）、热交换器等；而保温器材应采用导热性差的材料制造。

热加工工艺与导热性也有密切关系，在热处理、铸造、锻造、焊接过程中，若材料的导热性差，则会使工件内外产生大的温差而出现较大的内应力，导致工件变形或开裂。所以导热性差的金属，应采用缓慢加热和冷却的方法可使零件内外温度均匀一致，从而防止变形和开裂。例如，高速钢导热性较差，在锻造时就应该用很低的速度来进行加热，否则就会产生裂纹。金属的性能4导电性

物体传导电流的能力称为导电性。导电性的好坏取决于电阻率，电阻率是设计导电材料和绝缘材料的主要依据。材料的电阻率ρ越小，导电性能越好。

金属中银的导电性最好，铜与铝次之。通常金属的纯度越高，其导电性越好，合金的导电性比纯金属差，高分子材料和陶瓷一般都是绝缘体。导电器材常选用导电性良好的材料，以减少损耗，如电线电缆（见图1-3）、电器元件等；而加热元件、电阻丝则选用导电性差的材料制作，以提高功率。例如，导电性差的镍铬合金或铬铁铝合金用做电热元件或零件。金属的性能5.热膨胀性金属和合金在加热时体积会胀大，冷却时则收缩的现象称为热膨胀性。热膨胀性用线膨胀系数α来表示，其含义是温度上升1℃时，单位长度的伸长量，单位为1/℃。

L1—膨胀前的长度t—升高的温度L2—膨胀后的长度金属的性能材料铝铅锡铜铁钛碳钢黄铜青铜铸铁线膨胀系数[×10-61/℃]23.629.323.017.011.768.210.6~1317.8~20.917.6~18.28.7~11.6

陶瓷的热膨胀性小，金属次之，高分子材料最大。

线膨胀系数的大小会影响工件的精度。精密量具、零件、仪表、机器等，应选用线膨胀系数小的材料，以避免在不同的温度下使用，影响其精度。机械加工和装配中也应考虑材料的热膨胀性，以保证构件尺寸的准确性。金属的性能课堂思考

法国埃菲尔铁塔（见图1-4）有一个奇妙之处：上午铁塔向西偏斜100mm，中午向北偏斜70mm，夜间与地面垂直。到了冬季，在-10℃时的塔身要比夏季时的塔身矮17cm。请问这是为什么呢？金属的性能6磁性

能吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。具有导磁能力的金属都能被磁铁所吸引（见图1-5）根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，它们可分为铁磁性材料，如铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等；顺磁性材料，如锰（Mn）、铬（Cr）等；抗磁性材料，如铜（Cu）、锌（Zn）等。顺磁性材料和抗磁性材料也称为无磁性材料。

铁磁性材料可用于变压器、电机、测量仪表等，无磁性材料可用于要求避免干扰电磁场的零件和结构材料。

对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁是铁磁性材料，但当温度升高到770℃以上时就会失去磁性。金属的性能

知识拓展

用钛制造的潜艇（见图1-6），不仅比钢制潜艇经久耐用，而且可以潜入4500m以下的深度，这是钢制潜艇无法逾越的界限。钛具有良好的耐酸、碱、盐等电解质腐蚀的能力。用钛制造军舰、轮船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈，并且钛不是铁磁体物质，不会被磁水雷发现，这一特点在军事上特别重要。金属的性能二、金属的化学性能

1耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。金属的腐蚀既会造成金属表面光泽的缺失和材料的损失，也会造成一些隐蔽性和突发性的事故（见图1-7）。腐蚀不仅使材料本身受到损失，严重时还会使金属的结构遭到破坏，引起重大的伤亡事故和经济损失。金属材料中铬镍不锈钢可以耐含氧酸的腐蚀；而耐候钢、铜及铜合金、铝及铝合金能耐大气的腐蚀；合成高分子材料和陶瓷材料一般都具有良好的耐腐蚀性。

因此，提高金属材料的耐腐蚀性，对于节约金属的消耗，延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。金属的性能2抗氧化性

金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。

在加热时，金属材料氧化作用加速，易与氧结合，形成氧化皮，造成金属的损耗和浪费。

例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力，如各种加热炉、锅炉等，要选用抗氧化性良好的材料。材料中的耐热钢、高温合金、钛合金、陶瓷材料等都具有好的高温抗氧化性。

提高高温抗氧化性的措施包括：使金属材料表面形成一层连续而致密且与基体结合牢靠的膜，从而阻止氧原子向金属内部的扩散，降低氧化速度；加入足够的Cr、Ni等合金元素，提高金属基体的电极电位；在坯件或材料的周围制造一种还原气氛或保护气氛，以避免金属材料的氧化。金属的性能3化学稳定性把金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为金属的化学稳定性。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。如工业用的锅炉、加热设备、汽轮机（见图1-8（a））、喷气发动机（见图1-8（b））等设备中许多零件是在高温下工作的，因此，制造这些零件的材料要有良好的热稳定性。金属的性能总结提升

根据以上知识，我们可以对案例中的问题做出如下回答：电线电缆应该采用导电性好的金属铜、铝及其合金；飞机、船舶等为了减轻自重，节约燃料，提高承载能力，需要用密度小而强度高的轻金属来制造，如铝合金、钛合金等；医疗手术刀、白酒罐必须采用耐蚀性很好的不锈钢来制造；锅炉、火箭等除了考虑抗氧化性、耐蚀性外，还必须选择熔点高的金属。金属的性能思考与练习1什么是材料的物理性能？它包括哪些内容？它对材料会产生什么影响？2材料的化学性能包括哪些内容？它对材料会产生什么影响？3导热性在金属热加工工艺方面有什么样的作用？4请举例说明金属的物理性能在日常生活中的应用。金属的性能2金属的强度和塑性及其测定金属的性能

案例导入

钢丝绳被广泛应用于在煤炭、矿山、港口码头、油田等现代物料起重及搬运中。在机械加工过程中，也常常使用吊车吊起比较重的零件或构件。现有两根同样材料的钢丝绳，其中一根是24股Ф1.

2mm，另一根是20股Ф2mm。有五吨货物需要吊起，选用哪一根比较合适？

在起吊货物时，钢丝绳起到承受载荷的作用，其性能主要由钢丝决定。钢丝是碳素钢或合金钢通过冷拉或冷轧而成的圆形或异形丝材，具有很高的强度和韧性。钢丝绳能承受多大的载荷，即能吊起多少货物，主要取决于钢丝绳的材料和粗细，如图1-9所示。

在材料一定时，如果钢丝绳太细，在吊起货物时有可能会断裂。因此需要进行计算，其依据就是所选用材料的强度等力学性能指标。金属的性能必备知识一、力学性能及其常用指标

任何机械零件或工具在使用过程中都将受到各种形式外力（载荷）的作用。例如，起重机上的钢索受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆既受到拉力又承受着冲击力的作用。这就要求金属材料必须具备一种既能承受机械载荷又不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能（也称为机械性能）。

力学性能是零件设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（如拉伸、扭转、剪切等）对金属材料要求的力学性能也将不同。常用指标包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。图1-10所示为由于材料力学性能不够而导致的破坏。金属的性能二、载荷

金属材料在加工和使用过程中所受到的外力称为载荷。实质上载荷就是力，是力的概念在工程技术上的应用。

按作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷（也称疲劳载荷）。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷是指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据载荷的形式不同，载荷也可分为拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷、弯曲载荷、扭转载荷，如图1-11所示。金属的性能三、变形

金属材料受载荷作用而发生尺寸和形状的变化称为变形。变形又可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形是指随着载荷的产生而产生，随着载荷的去除而消失的变形，如图1-12（a）所示。它是一种可逆性变形，一般不超过0.5%~1.0%。塑性变形是指不能随着载荷的撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。塑性变形是一种永久性变形，是压力加工的基础，如图1-12（b）所示。

随着作用力的增加，物体受力后发生变形到破坏的顺序：弹性变形（不能使金属成型）——弹塑性变形（变形量较大，多数变形是不可逆的，是压力加工的基础）——断裂（材料最严重的失效形式）。金属的性能四、内力

在外力作用下，物体在发生变形的同时，其内部原子间还会产生阻止变形的抗力称为内力。它是由外力而引起的原子间的相互作用力，是随外力的施加而产生，随外力的去除而消失。内力大小与外力相等，当内力达到极限时，外力再增加，材料将被破坏。五、应力应力是指单位面积上的内力大小。用符号R表示，单位为帕斯卡（Pa）。1Pa=1N/m2

1Mpa=1N/mm2=106Pa

R

：应力

Pa(帕)F：内力，其大小等于外力，单位为N(牛顿)S：横截面积，单位为m2应力可以表示不同材料的承载能力，也可以表示在现有外力作用下，不同粗细的材料，其抵抗能力不同。金属的性能六、强度及其衡量指标

1强度金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为〖HTH〗强度〖HT〗。其大小用应力来表示。根据载荷作用方式不同，强度可以分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗扭强度。通常以抗拉强度作为材料的强度指标。2强度的测定强度是通过拉伸试验测定的。实验时，将试验材料制成规定形状的标准试样，再将试样安装在拉伸试验机上，对试样缓慢增加拉伸力，使其不断产生变形，直至试样被拉断，同时连续测量变化的载荷和试样的伸长量，并根据测得的数据计算出有关的力学性能指标，如图1-13所示。金属的性能（1）拉伸试样。按国家标准制作，试样的截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等。为了能够比较不同实验条件下所测得的实验结果，拉伸试验必须用统一的拉伸试样：圆形和矩形。圆形拉伸试样如图1-14所示。L0—原始标距长度；L1—拉断后试样标距长度；d0—原始直径；d1—拉断后试样断口直径。一般,拉伸试样的标距长度和试样直径应符合一定的比例关系。国际上常用的是L0­=5d0（短试样），原始标距长度不小于15mm；当试样横截面太小时，可采用L0­=10d0（长试样），或采用非比例试样。金属的性能（2）力—伸长曲线

力—伸长曲线是以载荷为纵坐标，试样伸长量为横坐标，反应载荷F与伸长量ΔL之间关系的一条曲线（也称拉伸曲线）。（ΔL为某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差ΔL=Lu-L0）图1-15是以低碳钢为例测出的力—伸长曲线。这是一典型的塑性材料的拉伸变形过程，对曲线的分析和描述见表1—5。金属的性能曲线阶段特点oe弹性变形阶段作用在试样上的载荷在Fe范围内，试样此时发生弹性变形，曲线为一定斜率的直线，斜率为该材料的弹性系数。在此阶段中，如果卸除载荷，试样即可恢复原状。Fe是发生弹性变形时的最大载荷。在工程技术中，机件在服役过程中都处于弹性变形状态，但过量的弹性变形则使机件丧失稳定性，特别是对于一些需要严格限制变形的结构es屈服阶段载荷超过Fe后，试样进一步发生变形，当曲线到达S点时，出现了水平或锯齿形的线段，表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为材料的屈服现象。S点是材料发生明显塑性变形的起始点，引起试样屈服的载荷称为屈服载荷sb强化阶段（均匀变形阶段）S点后，曲线横坐标值变化很大，曲线弯曲延伸，而载荷上升有限，表明材料发生大量的塑性变形。直到b点，载荷上升停止，Fb是试样拉断前所承受的最大载荷。同时说明，随着塑性变形的不断增加，试样变形抗力也在逐步增加，这种现象称为形变强化（或加工硬化）bk颈缩阶段（断裂阶段）当曲线达到b点以后，开始向下弯曲，表明材料的承载能力下降。此时试样的一个部位的直径突然减小，产生颈缩现象。这时伸长主要集中于缩颈部位，随着颈缩处截面不断减小，承载能力不断下降，到k点时，试样发生断裂金属的性能

拉伸图反映了金属材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形直至断裂的全部力学性能。并非所有金属材料都具有同样类型的拉伸长曲线，即使是同一材料在不同条件下其拉伸曲线也不相同。工程上使用的脆性材料，多数没有明显的屈服现象，对于低塑性材料不仅没有屈服，而且也不发生“缩颈”，例如，铸铁、高碳钢等。高碳钢的拉伸曲线，如图1-16所示。金属的性能3衡量强度大小的指标

强度是指构件在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力，以一定量的变形及破坏条件下的应力表示。而将构件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度、。衡量强度的指标有以下几项：（1）弹性极限。材料在外力作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力。这是工作中不允许有微量塑性变形的零件（如精密的弹性元件、炮筒等）的设计与选材的主要依据。

在实际工程应用中，几乎所有的弹性元件在工作时都不允许产生微小的塑性变形，只允许在弹性范围内工作。为此，弹性极限就成了这些零件的失效抗力指标。如测力弹簧，就是依靠其应力与应变成正比关系来显示负荷值的大小。刚度反映了材料抵抗弹性变形的能力大小，刚度的大小取决于机件的几何形状和材料的弹性模量。在横截面积不变的情况下，刚度的大小就取决于材料的弹性模量。弹性模量用符号E表示。金属的性能弹性模量越大，则材料的刚度越大，材料抵抗弹性变形的能力就越大。例如，电动机的转子的刚度不足，发生过大的弹性变形，造成转子与定子相撞，最后主轴撞弯甚至折断。金刚石和陶瓷的刚度最高，其次是难熔金属和钢铁，有色金属较低，有机高分子材料最低。实际上弹性极限反映了刚度的好坏，所以衡量强度大小的指标主要是屈服强度和抗拉强度。金属的性能（2）屈服强度。屈服强度是指材料产生屈服现象时的最小应力，用符号Rs表示。式中Fs：试样发生屈服现象时的载荷，NSo：试样的原始横截面积，mm2

屈服现象是金属材料由弹性变形转向较明显的塑性变形的标志。如高碳钢、铸铁、有色金属等在拉伸试验时无明显屈服现象，此时国家标准规定以试样产生0.2%L0的塑性变形时的应力作为条件屈服极限或条件屈服强度。

式中F0.2：试样产生0.2%Lo时的塑性变形时的载荷，NSo：试样的原始横截面积，mm2Rs

、R0.2是材料开始产生明显塑变形时的最低应力值。金属的性能

大多数机器零件常因过量的塑性变形而失效，如果零件工作时所受的应力低于材料的屈服点，则不会产生过量的塑性变形。屈服强度越低，允许的工作应力就越低，因此屈服强度是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料质量的重要指标。传统的设计方法，对于韧性材料以Rs为标准。金属的性能（3）抗拉强度Rm。材料在拉断前所能承受的最大应力。

若承受的应力小于Rm，试样产生均匀的塑性变形，当应力超过Rm时，将引起颈缩而产生集中变形，Rm表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。工作应力不允许超过抗拉强度，否则将断裂。

一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，材料发生少量塑性变形后，零件精度就会降低或与其他零件的相对配合受到影响而造成失效，故屈服强度（Rs）是机械设计时进行强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。金属和合金是一种既具有弹性又具有塑性的材料。金属的性能

金属的性能

So：试样的原始横截面积

mm2S1：试样拉断处的最小横截面积

mm2A、Z越大，塑性越好，Z比A更接近真实应变，因而用Z更为合理，但实际上用A较多。任何零件都要求材料具有一定的塑性，塑性好的材料可以产生大量塑性变形而不破坏，便于通过各种压力加工方法（锻造、轧制、冷冲压等）加工成形状复杂的零件；如低碳钢的断后伸长率可达30%，断面收缩率可达60%，可以拉成细丝，轧成薄板，进行深冲成形。而铸铁断后伸长率和断面收缩率几乎为零，不能进行塑性加工。此外，工程构件或机械零件在使用过程中虽然不允许发生塑性变形，但在偶然过载时，塑性好的材料首先产生塑性变形而不致产生突然断裂，比较安全；再者，材料发生塑性变形后，产生形变强化，从而提高承载能力。金属的性能一般地，我们根据断后伸长率可以将材料大致分为三类（见表1—6）断面收缩率材料种类A<2～5%

脆性材科

A

≈5～10%

韧性材料A>10%塑性材料金属的性能总结提升根据以上知识，对案例中提出的问题作出如下分析：因为钢丝绳在吊起货物过程中不能发生断裂，如果应力小于材料的抗拉强度Rm，钢丝绳在吊起货物时就不会断裂。所以首先应该知道钢丝绳的抗拉强度，然后根据钢丝绳所吊货物重量和其横截面积计算出钢丝绳所承受的应力R,如果R小于Rm，则钢丝绳不会断裂。如果上述任务中钢丝绳的屈服强度为1160Mpa，屈强比为0.9。根据应力的含义计算出：24股Ф1.2mm的钢丝绳所承受的应力大于其抗拉强度，使用时很可能产生断裂，不能用。而20股Ф2mm的钢丝绳所承受的应力不但小于其抗拉强度，而且还小于其屈服强度，因此用20股Ф2mm的钢丝绳吊起五吨货物，不但不会产生断裂，也不会发生明显塑性变形，所以选用20股Ф2mm的钢丝绳比较合适金属的性能思考与练习1什么是载荷？根据性质不同可分为哪几种？2什么是金属的力学性能？金属的力学性能包括哪些内容？3什么是强度？强度有哪些衡量指标？如何测量？4什么是塑性？塑性有哪些衡量指标？如何测量？5塑性在实际生产中有何意义？6什么是内力和应力？7画出低碳钢力—伸长曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。8有一根环型链条，用直径为2cm的钢条制造，已知此材料的Rm=300MPa，求该链条能承受的最大载荷。金属的性能3硬度及其测定金属的性能案例导入

纯铁是很软的金属，有银白色金属光泽，既不能制刀枪、剑戟，也不能铸铁锅、犁锄。但是，若纯铁中含有一定量的碳，它就变成了具有一定硬度，能在生产生活各方面使用的钢铁了。机械制造业所用的各种机械零件和模具等都要有一定的硬度，服役条件不同，硬度要求也不同。如果有轴承座、汽车半轴、钻头、表面硬化齿轮和仪表小黄铜齿轮等需要进行硬度测试，那么我们应该用什么方法进行测试呢？金属的性能案例分析

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它在一定程度上反映了材料的综合力学性能。硬度值的大小不但取决于材料本身的性能，而且还取决于测量方法和条件。用不同的方法测定的硬度值具有不同的意义。

与拉伸试验相比，硬度试验设备简单，操作迅速方便，可直接在零件或工具上进行，且不破坏工件，还可根据测得的硬度值估计出材料的近似强度和耐磨性。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。所以，硬度实验在实际生产中是作为产品质量检查，制定合理加工工艺的最常用的重要实验方法。金属的性能必备知识

测定硬度的方法较多，主要有压入法、划痕法和回跳法三大类。在机械制造过程中，常用的测量硬度的方法是压入法，它是用一定几何形状的压头，在一定载荷作用下，压入被测金属表面，根据被压入的程度来测定其硬度值。

生产中应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。金属的性能一、布氏硬度

1布氏硬度的测试原理

图1-17所示为布氏硬度测试原理图。即用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，在一定载荷作用下压入试样表面，保持规定的时间后卸除载荷，在试样表面会留下球形压痕。测量材料表面留下的压痕平均直径d，根据d计算出压痕表面积，最后用球冠形压痕单位表面积上所承受的平均压力表示硬度值，符号为HBS（用淬硬钢球做压头时）或HBW（当用硬质合金时），即

金属的性能布氏硬度值的单位为N/mm2，习惯上布氏硬度是不标单位的。

布氏硬度实际测试时，硬度值一般不用计算，而是用读数显微镜测出压痕平均直径d，根据d值再从专门的硬度表中查出相应的硬度值。

载荷和钢球直径一定时，硬度和压痕直径成反比，即压痕直径越大，硬度越小；反之，硬度越大。金属的性能

金属的性能4布氏硬度的优缺点

布氏硬度试验时压痕较大，能较真实地反映材料的平均硬度，故测定值较准确，稳定性好，重复性好，并且布氏硬度是压痕单位面积上所承受的压力，因此反映了金属材料塑性变形的抗力。缺点是操作时间较长，对不同材料需要更换压头和载荷，压痕较大不宜测试成品及薄型材料。如果被试金属硬度过高，将会使压头本身变形，从而影响布氏硬度的准确性。

目前，布氏硬度主要用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁、非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）、特别对于软金属，如铝、铜等较为适宜。金属的性能

金属的性能

由主载荷所引起的塑性变形而使压头压入深度h=h

3-h

1。以此来衡量被测试金属的硬度。压痕深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。

为照顾习惯上数值越大，硬度越大的概念，故用一个常数K减去h来表示硬度大小，并用每0

002mm的压痕深度为一个硬度单位。式中，K——常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130；h——残余压痕深度，mm。实际测量时，洛氏硬度值可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。金属的性能2常用标尺及适用范围。

洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，就需要用不同的压头和载荷组成15种不同的标尺。其中HRA、HRB、HRC是最常用的三种标尺（见表1-7）。硬度符号压头类型总试验力F/N（kgf）硬度范围应用举例HRA120o金刚石圆锥588.4(60)20～88硬质合金、表面淬火钢等HRBφ1.588mm淬火钢球980.7(100)20～100退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁HRC120o金刚石圆锥1471(150)20～70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢金属的性能3洛氏硬度的表示方法

硬度值+硬度符号。如60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度为60。4洛氏硬度试验法的优缺点

洛氏硬度试验法目前是工厂中应用最广泛的试验方法。它的优点是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值，压痕较小，可测定成品及较薄的工件。缺点是因为压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，使测量值不够准确，通常需要在不同部位测试数次取其平均值代表金属材料的硬度。金属的性能三、维氏硬度

布氏硬度试验仅适用于测定硬度小于450HBS或小于650HBW的金属材料的硬度。洛氏硬度试验虽然可以用不同的标尺来测定由极软到极硬材料的硬度，但是由于不同标尺的硬度值之间没有简单的换算关系，使用上不方便。为了能用同一种硬度标尺测定由极软到极硬金属材料的硬度值，因此，制定了维氏硬度试验法。1维氏硬度原理维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度相似。采用相对面夹角为136°金刚石正四棱锥压头，以规定的载荷F压入材料的试验面，保持规定的时间后卸除载荷，用正四棱锥压痕单位表面积上所承受的平均压力表示硬度值，如图1-20所示。金属的性能2表示方法

维氏硬度的表示方法和布氏硬度相同，例如，640HV30表示用294

2N（30kgf）载荷，保持10～15s（不标出），测定的维氏硬度值为640。3试验条件的选择维氏硬度所用的试验力F根据试样的大小、薄厚进行选择，常用载荷在49

3～980

7N范围内。黑色金属保持时间10～15s（一般不标出），有色金属保持时间30±2s。维氏硬度的优点是载荷小，压入深度较浅，可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层；并且维氏硬度具有连续性，可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度，可以直接比较大小；测试范围在5～3000HV。维氏硬度的缺点是压痕小，对试件表面质量要求高，需要测量压痕对角线的长度，手续较繁。

上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，需要查阅硬度换算表换算成同一硬度标准进行比较。金属的性能知识扩展

航母对钢板等材质要求很高（见图1-21）。如外壳钢板，在水里承受很大的压力，甲板钢材须由大块高强度钢板拼焊而成，要能承受诸如喷气式飞机温度高达上千摄氏度的火焰。目前，我国还无法自行生产甲板上的拦阻索（飞机降落时帮助减速）所用的钢材，因为拦阻索要承受上百吨力，需具备一定的弹性及刚度、强度、硬度，这种钢材目前只能靠进口。这些内容涉及我国基础工业、材料学的发展与进步。如果提供的钢材性能达不到要求，那么航母的寿命就会缩短。金属的性能总结提升

通过上述课题的学习，我们知道不同的机械零件或工具需要用不同硬度的材料，不同硬度的材料，其测量方法也不尽相同，用不同的硬度计测出的硬度值也不能直接比较，需要通过查硬度换算表换算成同一硬度标准才能比较其大小。课题中给我们提供了几种测量硬度的方法，要根据具体的实际情况灵活选择不同的测量方法。金属的性能知识链接典型零件和工具的测量方法（1）轴承座。用布氏硬度测量，因为轴承座用灰铸铁制造，一般铸态下直接使用，本身硬度不高且组织不均匀。一般情况下布氏硬度为200HBS左右，如图1-22所示。（2）汽车半轴。采用洛氏硬度HRC测量，因为汽车半轴用中碳钢制造，经调质处理后，强度、硬度较高，成品零件的硬度值一般在50HRC左右，如图1-23所示。金属的性能（3）钻头。高碳钢制造，组织致密，硬度很高，应采用洛氏硬度HRC测量，成品零件的硬度值一般在65HRC左右，如图1-24所示。（4）表面硬化齿轮。有的齿轮常用低碳钢制造，采用表面硬化的热处理方法，以满足表面硬而耐磨的性能要求，用维氏硬度HV测量表面硬度值，如图1-25所示。（5）铜制造的仪表小齿轮。黄铜材料比较软，齿轮小，可用洛氏硬度HRB测量。金属的性能思考与练习1什么是硬度？常用的硬度实验方法有哪三种？2布氏硬度实验方法有哪些优缺点？它主要适用于何种材料的测试？3常用的洛氏硬度标尺有哪三种？各用什么符号表示？常用的是哪一种？4如图1-26所示自行车，试分析自行车的中轴和链盒所用的材料，哪种需要较高的硬度和强度？哪种需要较好的塑性和韧性？5选择测定下列金属材料硬度的方法：（1）热轧轧辊；（2）成形铣刀；（3）齿轮毛坯。金属的性能4冲击韧性及其测定金属的性能案例导入1

1912年4月15日0点05分，号称世界上最豪华、最坚硬的“永不沉没”的泰坦尼克号邮轮在第一次航行时撞上冰山，而沉入了大西洋，如图1-27所示。2在工业生产中，承受冲击载荷的机件一般都选用低碳钢或中碳钢，而不用高碳钢和铸铁，请问这是为什么？金属的性能案例分析

以上两个实例说明不同环境下工作的零件，需要用不同的材料，因为金属材料在不同载荷作用下所表现出来的抵抗能力是不同的。金属材料在加工和使用过程中，可能受到多种载荷的作用，不仅有静载荷，也可能有动载荷。强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下材料所表现出来的抵抗能力，而在冲击载荷作用下必须具备抵抗冲载荷的能力。金属的性能必备知识一、冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷。许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、模锻锤锤杆、柴油机的活塞销与连杆、风动工具等。由于冲击载荷的加荷速度高，作用时间短，使金属在受冲击时应力分布与变形很不均匀，故对承受冲击载荷零件的性能要求，仅仅有足够的静载荷强度指标是不够的，还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。金属的性能二、冲击韧性的测定

为评定冲击韧性，需进行一次冲击试验，它是一种动载荷试验，包括一次冲击弯曲、冲击拉伸、冲击扭转试验等，目前最常用的是一次摆锤冲击弯曲试验。1标准试样为使试验结果能互相比较，必须使试样标准化。冲击试样的类型很多，可根据国家标准有关规定来选择。常用的试样有10mm×10mm×55mm的V或U形缺口试样，如图1-28所示。2、试验原理及方法如图1-29所示，试验时，将待测金属材料加工成标准试样后放在试验机的支座上（缺口背向摆锤冲击方向），将具有一定质量的摆锤，拉到一定的高度h1，使其获得一定的位能Gh1，然后，摆锤自由落下将试样冲断。摆锤冲断试样后由于惯性继续运动到h2，摆锤的剩余能量Gh2。摆锤的位能损失Gh1—Gh2=G（h1-h2）就是冲断试样所消耗的能量，即使试样变形和断裂所作的功，称为冲击吸收功，用符号Ak表示。金属的性能金属的性能AK=Gh1-Gh2=G(h1-h2）式中AK——冲击吸收功，J（焦尔）G—摆锤的重量，Nh1—摆锤初始高度，mh2—冲断试样后，摆锤回升的高度，m冲击吸收功除以试样缺口处的横截面积S0可以得到材料的冲击韧度，用符号ak表示，其计算公式为式中AK——冲击吸收功，J（焦尔）S0——试样缺口处的横截面积，cm2金属的性能

冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。但习惯上韧性和韧度不加严格区分。

使用不同类型的试样（V形缺口试样或U形缺口）进行试验时，其冲击吸收功分别用AKV和AKU表示，单位为J（焦尔）。冲击韧度则标为aKV或aKU。

一般把冲击韧度低的材料称为脆性材料，而将冲击韧度高的材料称为韧性材料。脆性材料断裂前无明显塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷状、有金属光泽；韧性材料断前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。对于同一种材料，随着温度的降低，韧性材料可以转变为脆性材料，使韧性材料转变为脆性材料的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度决定了金属材料的使用温度。金属的性能

金属的性能总结提升

对于泰坦尼克号船体上的钢材来说，其硫含量过高，冲击韧性很差，经过冰冻的海水浸泡，就变得更脆了。所以当泰坦尼克号船体与冰山相撞击时，船体所用的钢板不是只朝里弯曲，而是断裂，如图1-30所示。金属的性能

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力是不同的。一般低碳钢的强度、硬度较低，而塑性、韧性良好，适于制造承受较大的冲击载荷的机件；中碳钢的综合力学性能较好，适于在静载荷、冲击载荷和交变载荷作用下工作的零件；而高碳钢的强度、硬度高、耐磨性好，但是塑性、韧性较差，所以多用于受磨损的机件；一般铸铁的抗拉强度及塑性、韧性非常低，不宜制造承受冲击载荷的构件。金属的性能思考与练习1什么是冲击韧性？什么是冲击韧度？2试举出几个脆性大和韧性好的材料实例。3动载荷与静载荷的主要区别是什么？4一次冲击和多次冲击的冲击抗力主要取决于什么指标？金属的性能5疲劳极限金属的性能案例导入1948年，美国“马丁202”运输机在正常航行中突然坠毁；1952年，美国“F-86”涡轮式歼击机在空中爆炸；英国“彗星”喷气客机没有任何征兆，机毁人亡，如图1-31所示，这些看似没有问题的机器真的只是偶然的原因坠落的吗？另外，我们也许有过这样的经验：拉断一根钢丝不容易，但用手捏住，在钢丝某一点反复弯曲多次后，可将其折断，请问这是为什么呢？金属的性能案例分析

经过深入的调查研究发现，这些空难事故大多是由金属“疲劳”引起的。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。

当手拉钢丝时，拉伸力没有超过钢丝的强度，所以拉不断，但经过多次弯曲后，使钢丝产生疲劳，尽管外力小于钢丝的屈服强度，也会产生断裂。因此，承受交变载荷的机件，应以疲劳极限作为设计依据。金属的性能必备知识一、交变载荷和交变应力

工程上许多零件和构件都是在交变载荷作用下工作的，如柴油机曲轴、机床主轴、齿轮、弹簧和各种滚动轴承等。在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。其在单位面积上的平均载荷值为交变应力。生产中工件正常工作的交变应力多为随时间作周期性变化的应力，也称为循环应力。二、金属疲劳现象

金属材料在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。金属的这种断裂就称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不会被破坏的能力称为疲劳强度。金属的性能三、疲劳断裂（破坏）与静载荷和冲击载荷作用下的破坏（断裂）的比较（1）疲劳断裂是一种低应力断裂。引起疲劳断裂的应力，常低于材料的屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高则寿命短，应力低则寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。（2）疲劳断裂是脆性断裂。由于疲劳应力比材料的屈服强度低，所以不管是脆性材料还是塑性材料，断前均无明显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的，没有明显的预兆，故有很大的危险性。（3）疲劳断裂的宏观断口一般可明显地分为三个区域，即疲劳裂纹策源地、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。疲劳源多在机件的表面处。疲劳断裂宏观断口示意图，如图1-32所示。金属的性能四、产生疲劳断裂的原因

机械零件之所以产生疲劳破坏，主要是由于制造这些零件的材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、尖角等）。这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂，这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面大大减小，以至不能承受所加载荷而突然断裂。金属的性能五、疲劳极限

金属的疲劳极限可用疲劳试验来测定。实验表明，材料所受的交变应力的最大值Rmax越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环次数越低，反之越高。当应力低于某值时，材料经受无数次循环应力作用而不发生断裂，此应力值称为疲劳极限，用Rr表示。

通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下测定的，对称弯曲疲劳极限记作R-1。金属材料所受到的交变应力与断裂前循环周次N之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图1-33所示。

金属的性能六、提高疲劳抗力的途径

为防止疲劳断裂的产生，必须设法提高疲劳抗力，疲劳抗力除了与材料的本性有关外，还可以通过下列途径提高。（1）改善零件的结构形状，尽量减少尖角、缺口和截面突变等，避免应力集中。（2）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，应尽量减少表面缺陷（如脱碳、氧化、裂纹、夹杂等）和表面加工损伤（刀痕、磨痕、擦伤等）。（3）采用表面强化处理，如化学热处理、表面渗碳、渗氮、表面淬火、表面喷丸和表面滚压等强化处理，使表面产生残余压应力，从而能显著提高零件的疲劳抗力。金属的性能总结提升

上述坠落的飞机几乎都是由于飞机上的零件出现了疲劳断裂而导致的。手拉钢丝时，拉不断的原因是由于其拉伸力没有超过钢丝的抗拉强度。但经过多次弯曲后，使钢丝产生疲劳，尽管外力小于钢丝的屈服强度，也会产生断裂。因此承受交变载荷的机件应以疲劳极限作为设计依据。在使用过程中，要定期检测零件的磨损度，尤其是零件的疲劳检验，及时更换零件，不要因为没有明显的损坏现象就认为零件是安全的。金属的性能思考与练习1什么是疲劳断裂？什么是疲劳强度？2如何提高零件的疲劳强度？3疲劳断裂、静载荷和冲击载荷作用下的破坏相比，各自具有什么特点？4疲劳断裂是如何产生的？5图1-34所示的齿轮和车床导轨相比，哪个更容易发生疲劳破坏？为什么？金属的性能6材料的工艺性能金属的性能案例导入

过去柴油机曲轴一般用钢来制造，通过锻压成型，成本较高，但是现在用稀土镁球墨铸铁制造曲轴，通过铸造成型就能获得精确的尺寸，不仅性能优良，保证了使用寿命，而且大大降低了产品的成本,通过铸造成型还能获得精确的尺寸。为什么铸铁一般采用铸造成型，而低碳钢采用压力加工成型？金属的性能案例分析

材料在加工制造过程中，以什么方式加工成型必须考虑材料的工艺性能，铸造性能好的材料一般采用铸造成型，塑性好的材料一般采用压力加工成型。用钢制造柴油机曲轴是因为钢具有很好的塑性，所以采用锻压成型的方法；而用稀土镁球墨铸铁制造曲轴，因其具有良好的铸造性能，所以采用铸造成型的方法制造。金属的性能必备知识

材料的工艺性能是指在加工过程中对不同加工方法的适应性，材料工艺性能的好坏影响到加工的难易程度，从而影响到零件加工后的质量、生产效率和加工成本。金属的工艺性能主要有铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。一、铸造性能

铸造是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待冷却凝固后获得具有一定形状和性能的铸件的成型方法，如图1-35所示。铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。金属的铸造性能是指铸造成型过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，即金属获得优质铸件的能力。铸造性能通常用金属液的流动性、收缩率和偏析倾向等表示。金属的性能

流动性是指金属液体本身的流动能力，流动性的好坏影响到金属液体的充型能力。流动性好的金属，浇注时金属液体容易充满铸型的型腔，能获得轮廓清晰、尺寸精确、形状复杂的铸件；而且还有利于金属液中夹杂物和气体的上浮排除。相反，金属的流动性差，则铸件易出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣等缺陷。金属的流动性与合金的种类、化学成分以及金属铸造时的工艺条件有关，提高浇注温度可改善金属的流动性。常用铸造合金中，灰铸铁的流动性较好，而铸钢的流动性较差。

收缩率是铸造合金从液态冷却凝固至室温过程中产生的体积和尺寸的缩减。收缩会使铸件产生缩孔、缩松、内应力、甚至变形、开裂等铸造缺陷。影响收缩率的因素主要有合金的种类和成分以及铸造工艺条件。

偏析倾向是指金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象。偏析严重时，可使铸件各部分的力学性能产生很大的差异，降低铸件的质量，尤其是对大型铸件危害更大，如图1-36所示，为各种形状的铸件。

金属的性能二、压力加工性能

利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法称为压力加工。压力加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等（见图1-37）。金属在压力加工时塑性成形的难易程度称为压力加工性能。金属的性能

金属的压力加工性能主要决定于塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的压力加工性能就越好。低的塑性变形抗力使设备耗能少，优良的塑性使产品获得准确的外形而不遭破裂，如图1-38所示，为压力加工的零件。

一般纯金属的压力加工性能良好，铁碳合金中，含碳量越低，压力加工性能越好，低碳钢的压力加工性能优于高碳钢，而铸铁则不能进行压力加工。合金钢中，含合金元素和杂质愈多，压力加工性能愈差，钢中的硫会降低压力加工性能，金属组织的形式也会影响其压力加工性能。金属的性能三、焊接性能

焊接性能是指金属材料对焊接加工（见图1-39）的适应性，包括两方面内容：一是工艺焊接性，即在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力；二是使用焊接性，即焊接接头或整体结构满足技术要求所规定的各种使用性能的程度，包括力学性能及耐热、耐蚀等特殊性能。

焊接性主要与其化学成分（含碳量、合金元素含量等）有关，含碳量越高，钢的焊接性越差，含碳量越低，钢的焊接性越好。例如，低碳钢和低碳合金钢焊接性能良好，焊接质量容易保证，焊接工艺简单；高碳钢、高合金钢和铸铁焊接性能较差，焊接时需采用预热或气体保护焊等，焊接工艺复杂。

金属的性能四、热处理性能

热处理是通过对固态下的材料进行加热、保温、冷却，从而获得所需要的组织和性能的工艺。钢的热处理性能包括淬透性、晶粒长大倾向、回火稳定性、变形与开裂倾向等。金属的性能五、切削加工性能

零件常采用毛坯进行切削加工而制成，如车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工等（见图1-40），材料的切削加工性能是指材料接受各种切削加工的难易程度。切削加工性能的好坏，直接影响零件的表面质量、刀具的寿命、切削加工成本等。一般认为影响切削加工性能的主要因素是材料的硬度和组织状况，有利于切削加工的硬度在170～230HBS范围内。常用材料中，铸铁及经过恰当热处理的碳钢具有较好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能较差。

金属的工艺性能不是一成不变的，可以通过改进工艺规程、选用合适的加工设备和方法等措施来改善。

车刨钻铣磨金属的性能总结提升

铸铁具有良好的铸造性能，通过铸造成型可以获得优良的铸件，但是铸铁塑性很差，不能通过塑性变形加工成型，所以不能进行压力加工。低碳钢塑性很好，适合通过塑性变形加工成型，所以采用压力加工成型。但是低碳钢铸造性能很差，不能通过铸造成型。材料的工艺性不同，零件制造工艺方法就不同。金属的性能思考与练习1什么是金属的工艺性能？它包括哪些内容？2铸造性能的好坏与材料的哪些方面有关？3流动性的好坏对铸造加工有什么影响？4金属的压力加工性能取决于什么？5材料的焊接性能取决于什么？金属的性能7金属材料的失效与选材原则金属的性能案例导入1如图1-41所示，重达5吨的锅炉爆炸能飞越20多米高，导致伤亡惨重，锅炉失效，这是为什么呢？2图1-42所示为断裂的九江大桥，请分析桥梁断裂的原因。金属的性能案例分析

金属材料制造的机械零件即使质量再高，也不能永久使用，总有一天会因为达到使用寿命的终结而失效。机械零件因受力过大或其他原因而被破坏，失去了工作能力，如拧断的钥匙、弯曲的自行车辐条、滑扣的螺栓、锈蚀的工件、断裂的桥梁。为避免零件发生早期失效，在选材初始，必须对机械零件在使用过程中可能产生失效的原因和失效机制进行分析、了解。金属的性能必备知识

失效指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去正常工作所具有的效能。一、失效的三种情况

（1）零件完全破坏，不能继续工作。（2）零件虽能工作，但不能保证安全。（3）虽能保证安全，但不能确保精度或起不到预定的作用。金属的性能二、失效的形式

1变形

变形是指金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。变形可以分为弹性变形和塑性变形。如果金属发生了过量变形就会导致零件失效。所谓过量变形是指零件在工作过程中，超过允许值的变形量而导致整个机械设备无法正常工作或者能正常工作但产品质量严重下降的现象，如图1-43（a）所示。2断裂

断裂是指零件在外力作用下发生开裂或折断。断裂因其危险而受到重视，超载、超温、腐蚀、疲劳、氢脆、蠕变等原因都可能引起断裂失效，它可以分为塑性断裂、低应力脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、介质加速断裂等，如图1-43（b）所示。金属的性能3表面损伤

表面损伤包括表面磨损、腐蚀和接触疲劳，接触疲劳主要有麻点和剥落，如图1-43（c）所示。金属的性能三、失效的原因

（1）设计不合理。机械零件的结构和尺寸设计不合理引起的，如尖角、尖棱等。（2）选材不合理。对失效形式误判或选材不能满足工作条件的要求或错误选择了材料。（3）加工工艺不当。由于采用的工艺方法，工艺参数不正确，可能造成各种缺陷。例如，粗糙度过大、刀痕较深、磨削裂纹；热成型中的过热、过烧、带状组织等；热处理工序中容易产生氧化、脱碳、淬火裂纹与开裂。（4）安装调试不正确。安装过紧、过松或对中不准、固定不紧、重心不稳、密封不好等。例如，啮合传动件（齿轮、杆、螺旋等）的间隙不合适；铆焊结构的必要探伤检验不良；在初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合等。（5）运转维修不正确。在使用过程中不按规定操作、保养、维修、超载使用等，都会加速零件的失效。例如，运转工况参数监控；定期大、中、小检修；润滑条件是否保证；冷却、加热和过滤系统功能是否正常；操作是否正确等。金属的性能四、选择材料的一般原则

1使用性原则材料的使用性能指标对零件功能和寿命的满足程度。在正常条件下，金属材料的使用性能应使零件完成设计规定的功能，并达到预期的使用寿命，是选材时要考虑的首要原则。对大部分机械零件和工程构件，主要是力学性能，对一些特殊条件下工作的零件，则必需根据要求考虑到材料的物理性能、化学性能。

金属的性能2工艺性原则

所用材料能顺利地加工成合格的机械零件。

金属材料的选择与工艺方法的确定应同步进行，理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，有利于提高产品的质量。（1）铸造性包括流动性、收缩性、偏析偏向性、热裂倾向性、吸气性等。（2）锻造性包括可锻性、冷镦性、冲压性、锻后冷却要求等。（3）焊接性主要为焊接接头产生工艺缺陷的敏感性及其使用性能。（4）切削加工性包括刀具耐用度、断屑能力等。（5）热处理工艺性包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性、氧化、脱碳等。（6）黏结固化工艺性包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金制品必须考虑。金属的性能3经济性原则

质优、价廉、寿命长是保证产品具有竞争力的重要条件，在选择材料或制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则，这是选材的根本性原则。金属材料的经济性原则主要从以下几个方面考虑：（1）材料本身价格应低。

生产成本应低，在满足零件性能要求的前提下，以铸代锻，以焊代锻，零件生产的每一道工序都应尽量减少，提高材料利用率和再生利用率，在加工中尽量采用少切屑（精铸、冷拉、模锻等）和无切屑新工艺，有效利用材料。例如，汽车发动机曲轴，一直选用强韧性良好的钢制锻件，弯曲了的曲轴照样不能使用，改成球墨铸铁铸造的曲轴，成本减低很多。（2）国家的资源等因素。

随着工业的发展，资源和能源问题日益突出，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况，特别是对于大批量生产的零件。另外，还要注意生产所用材料的能量消耗，应尽量选用能耗低的材料。金属的性能总结提升

工件失效的原因主要有五个方面：设计不合理、选材不合理、加工工艺不当、安装调试不正确、运转维修不正确等。锅炉是长期在高温下工作的，它的失效可能有超压破裂、过热烧坏、腐蚀失效、水击破坏、修理、改造不合理、设计失误等。桥梁断裂可能是受力过大、洪水冲击、雷电袭击、低温脆性、设计不合理、施工过程中偷工减料等。金属的性能思考与练习1什么是零件的失效？零件失效的原因是什么？2实际生产中选取材料时遵循的基本原则是什么？3零件的失效形式有哪些？4选择材料的一般原则有哪些？金属的性能8力学性能试验金属的性能实验1拉伸试验

一、实验目的（1）观察拉伸过程中的各种现象（屈服、强化、缩颈、断裂）。（2）测定低碳钢的下屈服强度ReL，抗拉强度Rm，延伸率A，断面收缩率Z。（3）测定铸铁的抗拉强度Rm。二、实验器材（1）拉伸试验机、游标卡尺。（2）试样按GB228—2010的相关规定选用如图1-44所示的圆形标准试样。本次实验试样的直径取d0=10mm，标距长度取l0=50mm。金属的性能三、实验步骤拉伸试验的步骤，见表1-8。金属的性能金属的性能金属的性能金属的性能四、注意事项(1）测量直径时，在各截面相互垂直的两个方向上各进行一次，取平均值。(2）测试铸铁试样时，不刻标记只记录最大载荷Fm。金属的性能

材料

实验前标距Lo（mm）直径d（mm）最小横截面积So（mm²）截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ12平均12平均12平均

低碳钢

铸铁

试验后材料标距Lu（mm）断口处直径do（mm）断口处最小横截面面积Su（mm²）

左段右段12平均12平均低碳钢

五．实验报告金属的性能材料实验数据实验结果

低碳钢屈服时的最小载荷Fel=kN下屈服强度Rel=MPa屈服后的最大载荷Fm=kN抗拉强度Rm=MPa力—伸长曲线伸长率A=%断面收缩率Z=%试样形状拉伸前：拉伸后：

铸

铁拉断前的最大载荷Fm=kN抗拉强度Rm=MPa力—伸长曲线

试样形状拉伸前：拉伸后：金属的性能实验2硬度测一、洛氏硬度试验1实验目的（1）熟悉常用硬度试验机的结构。（2）掌握洛氏硬度的测试原理及测试方法。金属的性能2实验器材（1）HR-150型洛氏硬度试验机，如图1-45所示。（2）φ40mm×10mm淬火状态的45钢试样及W18Cr4V切刀刀片各一块。（3）120°金刚石锥压头（HRC）。3实验原理将预载荷与主载荷依次加入后，卸除主载荷。测量压头在被测试表面产生的压痕直径深度差，即可求得材料的硬度。金属的性能4实验步骤金属的性能金属的性能5注意事项（1）试样的测试表面和底面应磨平、光洁、无油污、氧化皮裂纹及凹坑或显著的加工痕迹。载物台及压头表面应清洁。（2）压头要装牢。（3）试样放平稳，不可有滑动及明显变形，并保证压头中心线与被测表面相垂直。如果是圆柱试样，应放于V形铁中支撑。（4）加载、卸载均要缓慢、无冲击6实验报告（1）简述实验原理。（2）将记录数据填入表1-12中，并给出实验结论。金属的性能二、布氏硬度试验1实验目的（1）熟悉常用硬度试验机的结构。（2）掌握布氏硬度的测试原理及测试方法。2实验器材（1）设备。TH600型布氏硬度试验机和读数显微镜，如图1-46所示。（2）试样。厚10mm的正火状态45钢一块。材料标尺第一次第二次第三次平均值备注（压头、载荷）45钢HRC

高速钢刀片HRC

金属的性能3实验原理

用一定直径的硬质合金球作为压头，以一定的载荷压入试样表面，经规定保持时间后卸除载荷，试样表面将留下一个压痕。测量压痕的直径并计算压痕表面积，通过计算或查表求得布氏硬度值。

在实际实验时，可用读数显微镜测出压痕直径d，再根据压痕直径查表得出硬度值。实际工件可能会有不同的硬度值和厚度，所以实验时要根据工件的软硬程度和形状大小来匹配不同的压头和载荷。实验时只要满足F/D2值为一常数，且压痕直径控制在0.24D~0.6D之间，即可得到统一、可以相互比较的硬度值。4实验步骤金属的性能5注意事项（1）试样表面必须要平整光洁、无油污、氧化皮，并平稳地安放在布氏硬度试验台上。（2）读数显微镜读取压痕直径时，应从两个相互垂直的方向测量，并取算数平均值。（3）使用读数显微镜时，将测试过的试样放置于一平面上，再将读数显微镜放置于被测试样上，使被测部分用自然光或灯光照明。调节目镜，使视场中能同时看清分划板与压痕边缘图像。常用放大倍数为20×的读数显微镜测试布氏硬度值。（4）压痕中心到试样边缘的距离应不小于压痕直径的2

5倍，相邻两压痕中心距离应不小于压痕直径的3倍。金属的性能6实验报告（1）简述实验原理。（2）将记录数据填入表1-15中，并给出实验结论。

第一次第二次第三次平均值备注（（钢球直径、实验载荷、保持时间）压痕直径d

HBW

模块二金属的结构与结晶学习导入：

不同的金属材料具有不同的力学性能，它们有着不同的应用场合，即使同一种金属材料在不同的条件下，也会表现出不同的抵抗能力。这种性质的不同，不仅决定于其化学成分，而且也决定于其内部组织结构。通过改变其内部组织结构，可以达到改善其性能的目的。因此掌握金属的内部结构及其对性能的影响，对于选用和加工金属材料，具有非常重要的意义。

知识目标1．熟悉金属的晶体结构，了解晶体的结构缺陷；2．理解纯金属的结晶过程；3.掌握晶粒大小对金属材料性能的影响；4．掌握纯铁同素异构转变的概念。技能目标1.了解实际金属的晶体结构；2.理解金属结构对性能的影响。学习目标课题一金属的晶体结构案例导入：

取一张云母薄片，在上面涂上一层很薄的石蜡，然后用燃烧的钢针去接触云母片，观察接触点周围的石蜡熔化后所形成的形状为椭圆形。我们同样在玻璃上做相同的实验，可以观察到，在玻璃上熔化后的石蜡的形状为圆形。请问这是什么原因呢？案例分析：在两个实验中，载体不同，一种是云母，一种是玻璃，正是由于这两种物质不同，导致实验结果不同，即熔化后的石蜡形状不同。这是因为玻璃与云母的性质不同，云母的原子排列是有规则的，而玻璃的原子排列没有一定的规则。所以熔化的石蜡在云母上呈现出椭圆形，说明云母的内部结构呈现各向异性；而玻璃上熔化的石蜡呈现出圆形，说明玻璃的内部结构呈现各向同性。一、晶体与非晶体物体是由原子构成的，原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。根据物体存在的状态不同可将其分为气态物质、液态物质和固态物质。固态物质根据其结构特点可分为晶体与非晶体。晶体又可分为金属晶体和非金属晶体。

晶体非晶体必备知识1.晶体内部原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。如图所示。例如，石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精等都属于晶体，金属和合金在固态下一般均属于晶体。晶体的主要特点是：结构有序，晶体具有各向异性，即晶体在不同的方向上具有不同的性能。晶体有固定的熔点。当温度升高时，固态晶体在一定温度下转变为液体。例如，铜的熔点1083℃，铝的熔点660℃，铁的熔点1538℃。必备知识

晶体内部原子排列模型2.非晶体非晶体是原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的固体。例如，普通玻璃、松香、树脂等。晶体与非晶体内部原子排列方式不同，所以它们对外表现的各种性能不同。必备知识非晶体内部原子排列模型非晶体没有固定的熔点。随温度升高，固态非晶体物质将逐渐变软，最终变为有显著流动性的液体；冷却时，液体逐渐稠化，最终变为固体。非晶体表现为各向同性，即在各个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现出相同的性能。非晶体的结构和液体结构相同，所以可以看成是被冻结的液体。自然界中许多晶体往往具有规则的外形。如结晶盐，水晶，天然金刚石等。规则外形只是内部结构规则的特殊反映形式之一，并不能完全代表其实质。外形规则的物体不一定是晶体，这与晶体的形成条件有关。必备知识二．晶体结构常识1．晶格、晶胞、晶格常数为了便于反映金属在固态下的晶体结构，假想把金属原子看成一个直径一定的刚性小球，就可以把晶体结构看成是由刚性小球按一定的几何形状有规律排列而成的，如图所示。为了更清楚地表示晶体中原子的排列规律，可以将原子简化成一个质点，用假想的线将这些质点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格。必备知识晶体内部原子排列模型晶体中原子的排列具有周期性特点。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。金属晶体实际上就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的，如图所示。