《金属材料与热处理（少学时）（第三版）》-课件 第二章 金属材料的性能

§2-3金属材料的工艺性能31§2-1金属材料的力学性能

2§2-2金属材料的物理性能与化学性能§2-4力学性能试验41．了解载荷、内力、应力、变形的基本概念。2．掌握金属材料常用力学性能指标的含义、符号及工程意义。3．了解金属材料拉伸试验、硬度试验和冲击试验的工作原理。4．了解金属材料的物理性能、化学性能、工艺性能及其相关影响因素。金属材料的性能是零件设计中选材的主要依据，也是技术工人在加工过程中合理选择加工方法、正确刃磨刀具、合理选择切削用量的重要依据。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是金属材料在使用条件下表现出来的性能，包括物理性能、化学性能和力学性能；工艺性能是金属材料在制造过程中适应加工的性能。你知道金属材料的这些性能指标包括哪些内容吗？如何衡量、评价这些指标？§2-1 金属材料的力学性能力学性能的概念：金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形及不被破坏的能力力学性能指标：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。一、与力学性能相关的概念1．载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。（1）静载荷。指大小不变或变化过程缓慢的载荷。（2）冲击载荷。指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。（3）交变载荷。指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据载荷作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图2-1所示。工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。这种内力的大小与外力相等，并作用于材料内部。2．内力3．应力假设作用在零件横截面上的内力大小是均匀分布的情况下，采用横截面单位面积上的内力——应力来加以判定。金属在外力作用下形状和尺寸所发生的变化称为变形。（1）弹性变形。指外力去除后能够完全恢复的变形。（2）塑性变形。指外力去除后无法恢复的永久性变形。4．变形对一个铝制的空易拉罐作用很小的力，当外力去除后，微微凹陷的罐体表面能反弹回到原来的位置。当作用力加大时，罐体被压扁，产生永久的不能恢复的变形。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹-塑性变形和断裂三个连续的阶段。二、力学性能指标1．强度金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力表示。根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料的强度指标。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。它利用拉伸试验机（图2-2）产生的静拉力，对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量变化的载荷及对应的试样伸长量，直至断裂，并根据测得的数据计算出有关的力学性能指标。拉伸试样的截面可以为圆形、矩形、多边形等，在国家标准（GB/T228.1—2021）中规定了试样的形状、尺寸及加工要求等。（1）拉伸试样（2）力-伸长曲线拉伸试验中，依据拉力F

与伸长量ΔL之间的关系在直角坐标系中绘出的曲线，称为力-伸长曲线。拉伸过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，低碳钢的力-伸长曲线如图2-4所示。（3）强度指标1）屈服强度屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，材料发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH

和下屈服强度ReL。在金属材料中，一般用下屈服强度代表其屈服强度。除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象。因此，这些材料规定用塑性延伸率为0.2%时的应力作为屈服强度，可以替代ReL，称为规定塑性延伸强度，计为Rp0.2。2）抗拉强度Rm材料在断裂前所能承受的最大力的应力称为抗拉强度。材料的ReL、Rm

可在材料手册中查得。一般零件都是在弹性变形状态下工作，不允许有微小的塑性变形，更不允许工作应力大于Rm。Rm数据较准确和方便，也可作为零件设计和选材的依据。2．塑性材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力称为塑性。（1）断后伸长率

A断后伸长率是试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。若改用k=11.3的试样测试时，用A11.3

表示。（2）断面收缩率Z断面收缩率是试样拉断后，颈缩处面积变化量与原始横截面面积之比的百分率。金属材料的断后伸长率和断面收缩率越高，其塑性越好。塑性好的材料，易于变形加工，而且在受力过大时，首先发生塑性变形而不致突然断裂，因此比较安全。3．硬度在钢板和铝板之间放一个滚珠，然后在台虎钳上夹紧。在夹紧力的作用下，两块板料的表面会留下不同直径和深度的浅坑压痕。你能根据压痕来判断出钢板、铝板、滚珠谁硬谁软吗？材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。硬度是通过在专用的硬度计上试验测得的，如图2-5所示。常用的硬度试验法有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。（1）布氏硬度1）布氏硬度的测试原理（GB/T231.1—2018）使用一定直径的硬质合金球体，以规定试验力压入试样表面，并保持规定时间后卸除试验力，然后通过测量表面压痕直径来计算硬度，如图2-6所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，所以布氏硬度是有单位的，其单位为MPa，但一般不标出，用符号HBW表示。2）布氏硬度的表示方法布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、试验力及保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。例如，170HBW10/1000/30表示用直径为10mm的压头，在9807N（1000kgf）试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170；又如600HBW1/30/20表示用直径为1mm的压头，在294.2N（30kgf）试验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。3）布氏硬度的应用范围及优缺点布氏硬度主要用于测定铸铁、有色金属以及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。（2）洛氏硬度1）洛氏硬度的测试原理（GB/T230.1—2018）洛氏硬度试验是目前应用范围最广的硬度试验方法。它是直接测量压痕深度来确定硬度值的，如图2-7所示，压头是120°金刚石圆锥体或直径为1.5875mm（1/16″）的硬质合金球。常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最广。常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围见表2-1。洛氏硬度计算式如下：2）洛氏硬度的表示方法符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。例如，45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。若用B标尺，硬度标尺符号后面还要加“W”。例如，60HRBW表示用B标尺采用硬质合金球压头，测定的洛氏硬度值为60。3）洛氏硬度试验法的优缺点洛氏硬度试验操作简单、迅速，可直接从表盘上读出硬度值；压痕直径很小，可以测量成品及较薄工件；测试的硬度值范围较大，可测从很软到很硬的金属材料。维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验原理相同，如右图所示。相对两面为136°的正四棱锥金刚石压头以选定的试验力压入试样表面。经规定保持时间后，卸除试验力，测量压痕两对角线的平均长度d，根据

d

值查GB/T4340.4—2022中的维氏硬度值表，即可得出硬度值（也可用公式计算），用符号HV表示。维氏硬度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击试验来测定。根据国家标准（GB/T229—2020）规定，做夏比摆锤冲击试验前，先将被测材料加工成图2-9所示的冲击试样。试样分为带有U型缺口、V型缺口和无缺口三种，其外形尺寸为10mm×10mm×55mm。4．冲击韧性夏比摆锤冲击试验机如图2-10所示，试验时将试样缺口背对摆锤刀刃对称放置在砧座上，摆锤的刀刃半径分为2mm和8mm两种。试样放置好后，让摆锤从一定高度落下，将试样冲断。在这一过程中，用试样所吸收的能量K

的大小作为衡量材料冲击韧性的指标，称为冲击吸收能量。由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂，金属的这种断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。金属材料的疲劳强度是采用专门试验设备，通过疲劳试验的方法测量的。将材料制成试样，对其施加交变应力（图2-11），观察交变应力R

与试样断裂前的应力循环次数N

的关系。如果将交变应力R

和N

的对应关系绘制成图，就得到R-N

曲线，也称为疲劳曲线，如图2-12所示。*5．疲劳强度曲线表明，金属承受的交变应力越小，则断裂前的应力循环次数N越大，反之则N越小。当应力降到某个数值时，曲线与横坐标平行，表示应力低于此值时，试样可以经受无数次应力周期循环而不被破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，表示为Rr。机械零件产生疲劳破坏的原因是材料表面或内部有缺陷（如夹杂、划痕、尖角等）。显微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承力面积大大减小，以致承力面积减小到不能承受所加载荷而突然断裂。疲劳断裂的零件断口示意图如图2-13所示。为了提高零件的疲劳强度，除合理选材外，细化晶粒、均匀组织、减少材料内部缺陷、改善零件的结构形式、减小零件表面粗糙度值及采取各种表面强化的方法（如对工件表面淬火、喷丸、渗、镀等），都能取得一定的效果。§2-2 金属材料的物理性能与化学性能一、物理性能密度是指在一定温度下单位体积物质的质量。密度小于4.5×103kg/m3的金属称为轻金属，如铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金；密度大于4.5×103kg/m3的金属称为重金属，如金、银、铜、铁、铅等。熔点是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。1．密度2．熔点传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导热性通常用热导率来衡量。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。3．导电性4．导热性传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，其大小可用线膨胀系数衡量。金属材料在磁场中被磁化的性能称为磁性。根据磁化程度的不同，金属材料分为：（1）铁磁性材料。在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。（2）顺磁性材料。在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。（3）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。5．热膨胀性6．磁性金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。金属材料的腐蚀（图2-23）既造成表面金属光泽的缺失和材料的损失，也造成一些隐蔽性和突发性的事故。1．耐腐蚀性二、化学性能在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金属的损耗和浪费，因此高温下使用的零件，要求材料具有高温抗氧化的能力。2．高温抗氧化性提高高温抗氧化性的措施是：使材料在迅速氧化后能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢固的膜，从而阻止深层金属进一步氧化。§2-3 金属材料的工艺性能金属材料的一般加工过程金属材料的工艺性能是金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。铸造性能是铸造成形过程中获得外形准确、内部无明显缺陷铸件的能力。一、铸造性能1．流动性2．收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象称为收缩性，其大小可用收缩率衡量。熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属，充型能力强，能获得轮廓清晰、尺寸精确、外形完整的铸件。影响流动性的因素主要是化学成分和浇注的工艺条件。金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象称为偏析。3．偏析倾向焊接性能是金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻压性能，常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。二、锻压性能三、焊接性能切削材料的难易程度称为材料的切削加工性能，一般用工件切削时的切削速度、切削抗力的大小、断屑能力、刀具寿命以及加工后的表面粗糙度来衡量。四、切削加工性能影响切削加工性能的因素主要有化学成分、组织形式、硬度、韧性、导热性及形变强化等。另外，切削塑性金属材料时，工件在加工表面层的硬度明显提高而塑性下降的现象称为表面加工硬化。热处理是改善金属材料切削加工性能和力学性能的重要途径。五、热处理性能热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。钢的淬硬性主要取决于含碳量，含碳量高，材料的淬硬性好。§2-4 力学性能试验1．观察拉伸过程中的各种现象（屈服、强化、颈缩、断裂）。2．测定低碳钢的下屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A

和断面收缩率Z。3．测定铸铁的抗拉强度Rm。试验1拉伸试验一、试验目的二、试验器材1．拉伸试验机、游标卡尺、刻划机。2．试样按GB/T228.1—2021的相关规定选用圆形标准试样。本次试验试样的直径取do=10mm，标距长度取Lo=50mm。三、试验步骤四、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，不刻标记且只记录最大载荷Fm。五、试验报告（表2-4和表2-5）试验2硬度测试试验目的：一是熟悉常用硬度计的结构。二是掌握洛氏硬度和布氏硬度的测试原理及方法。（1）HR-150型洛氏硬度计结构示意图如图2-29所示。一、洛氏硬度试验1．试验器材（2）φ40mm×10mm淬火状态的45钢试样及W18Cr4V高速钢切刀刀片各一块。（3）120°金刚石圆锥体压头（HRC）。将初试验力与主试验力依次加上后，保持规定时间，卸除主试验力。测量压头在被测试样表面产生的压痕深度差，据此求得材料的硬度。2．试验原理3．试验步骤（表2-6）4．注意事项（1）试样的测试表面和底面应平整、光洁，无油污、氧化皮裂纹及凹坑或显著的加工痕迹。工作台及压头表面应清洁。（2）压头要装牢（注意安装时压头的尾柄平面处对准压轴孔的平面处，压头推到顶后拧紧紧定螺钉）。（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形架中支承。（4）加载、卸载均要缓慢、无冲击。（1）简述试验原理。（2）将记录数据填入表2-7，并给出试验结论。5．试验报告二、布氏硬度试验（1）设备。TH600型布氏硬度计（图2-30）和读数显微镜。（2）试样。厚10mm的正火状态45钢一块。1．试验设备及试样2．试验原理用一定直径（D）的硬质合金球做压头，以一定的试验力F

压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，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（附录Ⅰ）求得布氏硬度值。在实际试验时，可用读数显微镜测出压痕直径d，再根据