金属材料性能及加工技术材料的性能和金属材料的特性

1、第2讲 金属材料特性及加工技术,金属材料力学性能及常用金属材料特性,2.1 引言,金属材料是产品设计中应用较多的一种材料。 金属具有其它材料不具备的优点，如强度大，不易变形，易成型（压延，切削，铸造等），易表面处理（电镀，喷涂等）。 可以加热加工（如锻打成型），也可以冷加工（如冲压成型）。,金属门把手 Free Style 剪刀,Eva Solo 垃圾桶,2.2 金属材料力学性能,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能指使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能；工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能力，包括液态成形性（铸造性能）、塑性成形性（锻造性能）、连接成形性（焊接

2、性能）、切削加工性能和热处理工艺性能。 在选用材料时大多以力学性能为主要依据。力学性能是指金属材料在载荷作用下所表现出来的抵抗能力。 载荷分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷三种。 常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、韧度和疲劳强度等。,定义：材料在力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。,应力、应变 刚度 (弹性) 屈服强度 抗拉强度,2.2.1 金属材料力学性能强度(strength),拉伸试样的颈缩现象,弹性 ( elasticity ),金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,随载荷撤除而消失的变形。 弹性极限( elastic limit ): Fe 弹性极

3、限载荷( N ) e ( M pa ) = S0 试样原始横截面积( mm2),弹性变形( elastic deformation ):,定义: 试样在断裂前所能承受的最大应力。,抗拉强度 ( tensile strength ),根据受力方向不同: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强度 抗剪强度 、抗扭强度等。,定义:,指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,指标:,断面收缩率(percentage reduction in area): 指试样拉断处横截面积S 1的收缩量与原始横截面积S0之比。,2.2.2 金属材料力学性能塑性(plasticity),断后伸长率(延伸率) (spe

4、cific elongation): 指试样拉断后的标距伸长量L 1与原始标距L 0之比。, 10% 属塑性材料,指标:,2.2.2 金属材料力学性能塑性,2.2.3 硬度( hardness ),定义：硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。,常用硬度试验方法：,布氏硬度测试法,洛氏硬度测试法,维氏硬度测试法,布 氏 硬 度 试 验 原 理,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,布 氏 硬 度 标 注,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120H

5、BS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布 氏 硬 度 特 点,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。,不适于测量成品零件或薄件的硬度。,洛氏硬度 HR ( Rockwill Hardness ),洛 氏 硬 度 试 验 原 理,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,洛氏

6、硬度符号、试验条件和应用举例,7085HRA 2070HRC 25100HRB,洛 氏 硬 度 标 注,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小 例如： 50HRC40HRC ,维 氏 硬 度 试 验 原 理,与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,维 氏 硬 度 试 验 原 理,用压痕两对角线的平均长度来计算。,H V=F/S,维 氏 硬 度 试 验 原 理,维 氏 硬 度 标 注,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力

7、和保持时间（1015S不标）。,例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。,维 氏 硬 度 特 点,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。,不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,2.2.4韧性 (Toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,定义：,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,金属的夏比冲击试验,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),

8、g,疲劳现象：,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,2.2.5 疲劳强度（ Fatigue ）,表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。,疲劳极限-1,疲劳曲线,钢材的循环次数一般取 N = 107,有色金属的循环次数一般取 N = 108,提高疲劳极限途径,改善零件的结构形状,降低表面粗糙度值,采取表面强化,疲劳极限-1,1943年美国T-2油轮发生断裂,2.3 常用金属材料的特性, 金属具有良好的导电导热性。所以，常用在电线、电缆以及散热器产品上。,skantherm暖炉 散热优良的钛合金外壳Thinkpad,2.3 常用金属材料的特性,金属具有良好的延展性。因此，可将金属材料锻打、压延、冲压成各种所需要的形状，,经冲压成型的奥迪A4轿车框架 精密锻造加工的宝马轿车铝合金轮毂,2.3 常用金属材料的特性, 金属具有良好的表面光泽性。所以，可装饰产品表面。,松下数码相机,2.3 常用金属材料的特性, 金属宜采用各种电化学加工方法进行表面处理。所以，以获得特殊表面效果,电镀处理的BRIZO水龙 外壳经阳极氧化处理的索尼摄像机,2.3 常用金属材料的特性, 金属具有较高的强度和刚度，耐磨不易