第一章 金屬材料性能

1、 浙江經(jīng)濟(jì)管理專修學(xué)院 主編：余明明 CAD部分：徐立川 動(dòng)畫及插圖制作：蔡向東 主審：黃雨華金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量 力學(xué)性能 使用性能 物理性能 化學(xué)性能 工藝性能鑄造性壓力加工焊接性切削加工性熱處理性為了保證零件、工程構(gòu)件或工具的正常工作，材料所應(yīng)具備的性能。材料的力學(xué)性能： 材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能（如強(qiáng)度、剛度、韌性、硬度、塑性）材料的力學(xué)性能，不僅是設(shè)計(jì)零件、選擇材料的重要依據(jù)，而且也是驗(yàn)收、鑒定材料性能的重要依據(jù)之一。對(duì)冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)來說，金屬材料的力學(xué)性能還是改進(jìn)工藝、控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)之一。沖擊載荷交變載荷概念：力學(xué)性能內(nèi)力：材料內(nèi)

2、部原子之間都存在相互平衡的原子結(jié)合力的相互作用。應(yīng)力：單位截面上的內(nèi)力，用表示；變形：材料在外力作用下引起形狀和尺寸改變；彈性變形塑性變形金屬的強(qiáng)度指標(biāo)是金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。拉伸試驗(yàn)是指用靜拉伸力對(duì)試樣進(jìn)行軸向拉伸，測(cè)量拉伸力和相應(yīng)的伸長，并測(cè)其力學(xué)性能的試驗(yàn)。拉伸時(shí)一般將拉伸試樣拉至斷裂。 1拉伸試樣通常采用圓柱形拉伸試樣，試樣尺寸按國家標(biāo)準(zhǔn)中金屬拉伸試驗(yàn)試樣中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行制作。拉伸試樣分為短試樣和長試樣兩種，一般工程上采用短試樣。d0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始直徑，d1為試樣斷口處的直徑。L0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始標(biāo)距，L1為拉斷試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長度。長試樣L0=10d0；短試樣L0=5d

3、0。2.試驗(yàn)方法在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸力F和試樣伸長量L之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長曲線。通常把拉伸力F作為縱坐標(biāo)，伸長量L作為橫坐標(biāo)，在圖中Fp是試樣保持完全彈性變形的最大拉伸力。當(dāng)拉伸力繼續(xù)增加到Fs時(shí)，力伸長曲線在s點(diǎn)后出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，即在拉伸力不再增加的情況下，試樣也會(huì)明顯伸長，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。拉伸力Fs稱為屈服拉伸力。 當(dāng)拉伸力超過屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會(huì)增加，此現(xiàn)象為冷變形強(qiáng)化，即抗力增加現(xiàn)象。在力伸長曲線上表現(xiàn)為一段上升曲線，即隨著塑性的增大，試樣變形抗力也逐漸增大。當(dāng)拉伸力達(dá)到Fb時(shí)，試樣的局部截面開始收縮，產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)象。由于縮頸使試樣局部截面迅速縮小，單位面

4、積上的拉伸力增大，使變形更集中于縮頸區(qū)，最后延續(xù)到k點(diǎn)時(shí)試樣被拉斷。Fb是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力，稱為極限拉伸力。 從完整的拉伸試驗(yàn)和力伸長曲線可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形、屈服階段、變形強(qiáng)化階段、縮頸與斷裂。一、強(qiáng)度指標(biāo)一、強(qiáng)度指標(biāo)金屬材料抵抗拉伸力的強(qiáng)度指標(biāo)有:彈性極限e、屈服點(diǎn)s、規(guī)定殘余伸長應(yīng)力0.2、抗拉強(qiáng)度b等。 1屈服點(diǎn)和規(guī)定殘余伸長應(yīng)力屈服點(diǎn)是指試樣在拉伸試驗(yàn)過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時(shí)的應(yīng)力。屈服點(diǎn)用符號(hào)s表示。單位為N/mm2或MPa。規(guī)定殘余伸長應(yīng)力是指試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長與原始標(biāo)距之比達(dá)到規(guī)定的百分?jǐn)?shù)時(shí)的應(yīng)力

5、，用應(yīng)力符號(hào)并加角標(biāo)表示。0.2表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力定為沒有明顯產(chǎn)生屈服現(xiàn)象材料的屈服點(diǎn)。 2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。用符號(hào)b表示，單位為N/mm2或MPa。bb是表征金屬材料由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是表征材料在靜拉伸條件下最大承載能力。對(duì)于塑性金屬材料來說，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力b之前，變形是均勻一致的。但超過b后，金屬材料開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形。83、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)陀谀骋粩?shù)值時(shí)，材料可經(jīng)過無數(shù)次循環(huán)應(yīng)力作用而不斷裂，這一應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。在工程上，疲勞強(qiáng)度是指在一定的循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。一般

6、規(guī)定，鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取107 ，有色金屬取108 。提高零件疲勞壽命的方法：合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表面粗糙度值、進(jìn)行表面滾壓、噴丸處理、表面熱處理等，可以提高工件的疲勞強(qiáng)度。剛度：材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。剛度的大小，通常用彈性模量E來評(píng)價(jià)。彈性模量越大，材料的剛度越大；虎克定律：=或=G，G為切變模量。應(yīng)變?yōu)閱挝婚L度的變形量，=l/l。彈性模量的大小主要決定于金屬鍵，與顯微組織的關(guān)系不大。合金化、熱處理、冷變形等對(duì)它的影響很小。在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，要求剛度大的零件，應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。通常選用鋼鐵材料，如鏜床的鏜桿。彈簧用鈹青銅、磷青銅，具有高的彈性極限和低

7、的彈性模量。常用金屬的彈性模量見表達(dá)式1-1 塑性：金屬材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。 金屬材料的塑性可以用拉伸試樣斷裂時(shí)的最大相對(duì)變形量來表示，如拉伸后的斷后伸長率和斷面收縮率。 1、斷后伸長率拉伸試樣在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，在力的作用下產(chǎn)生塑性變形，原始試樣中的標(biāo)距會(huì)不斷伸長。伸長率標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率。斷后伸長率試樣拉斷后的標(biāo)距伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，用符號(hào)表示。 =l1-l0/l0由于拉伸試樣分為長試樣和短試樣，因此，使用長試樣測(cè)定的斷后伸長率用符號(hào)10表示，通常寫成；使用短試樣測(cè)定的斷后伸長率用符號(hào)5表示。同一種材料的斷后伸長率10和5數(shù)值

8、是不相等的，一般短試樣5值大于長試樣10。2.斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。斷面收縮率用符號(hào)表示。 =A0-A1/A0伸長率和收縮率也表明材料在靜載荷或緩慢增加的拉伸應(yīng)力下的韌性。具有高收縮率的材料可承受高的沖擊吸收功。塑性指標(biāo)不能直接用于零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選定。伸長率達(dá)5或斷面收縮率達(dá)10的材料，可滿足絕大多數(shù)零件的要求。但對(duì)各種具體形狀、尺寸和應(yīng)力集中系數(shù)的零件來說，對(duì)塑性的要求是有一定限度的，并不是越大越好，否則會(huì)限制材料強(qiáng)度使用水平的提高，不能發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力，造成產(chǎn)品粗大笨重、浪費(fèi)材料和使用壽命不長。硬度是材料抵抗

9、局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力它衡量材料軟硬的判據(jù)。 目前最常用的硬度試驗(yàn)法是：布氏硬度(HBS或HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。13（一）、布氏硬度壓AFHBWHBS)(kgf/mm2式中A壓壓痕球形表面積，mm2 壓頭直徑，mm2 壓痕平均直徑，mm。）（22dDDD2102. 0)(FHBWHBSkgf/mm2 (試驗(yàn)力F單位用kgf)14（一）、布氏硬度以球化退火的以球化退火的T8AT8A鋼為例，測(cè)量布氏硬度值。鋼為例，測(cè)量布氏硬度值。15（一）、布氏硬度布氏硬度的表示方法： 140HBS10100030 500HBW5750一般在零件圖或

10、工藝文件上標(biāo)柱材料要求的布氏硬度值時(shí)，不規(guī)定試驗(yàn)條件，只標(biāo)出要求的硬度范圍和硬度符號(hào)，例如200230HBS。HBS用于測(cè)試硬度值小于450的材料；HBW用于測(cè)量硬度值在450650范圍的材料。布氏硬度主要用來測(cè)定鑄鐵、有色金屬、以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度，如半成品和原材料。16（二）、洛氏硬度002. 0hKHR式中，K為常數(shù)，壓頭是金剛石圓錐時(shí)，K0.2；壓頭為淬火鋼球時(shí),K0.26。17（二）、洛氏硬度18（二）、洛氏硬度以淬火、低溫回火以淬火、低溫回火GCr15GCr15鋼為例，測(cè)量鋼為例，測(cè)量HRCHRC值值19（二）、洛氏硬度洛氏硬度無單位，需標(biāo)明硬度標(biāo)尺符號(hào)，在符號(hào)前面

11、寫出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各標(biāo)尺之間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能直接比較硬度值的高低。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡單、迅速、壓痕小，主要用于測(cè)試熱處理后硬度較高的成品零件及較薄的工件，對(duì)于組織和硬度不均勻的材料，硬度值波動(dòng)較大，準(zhǔn)確性不如布氏硬度值。20（三）、維氏硬度2189. 0102. 0dFAFHVoKgf/mm2式中 F試驗(yàn)力，N Ao壓痕面積，mm2 d壓痕對(duì)角線的算術(shù)平均值，mm。21（三）、維氏硬度以淬火、低溫回火以淬火、低溫回火T8AT8A鋼為例，測(cè)量鋼為例，測(cè)量HVHV值值22（三）、維氏硬度維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號(hào)HV前寫出硬度值。維氏硬度試驗(yàn)因試驗(yàn)力小

12、（常用49.03N），壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，試驗(yàn)力選擇范圍大（49.03980.7N），所以可測(cè)量從很軟到很硬材料的硬度，維氏硬度值之間能直接進(jìn)行比較。維氏硬度常用來測(cè)試薄片材料、金屬鍍層及零件表面硬化層的硬度，但試驗(yàn)麻煩，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。特別說明：各種硬度試驗(yàn)法測(cè)得的硬度值不能進(jìn)行直接比較，必須通過硬度換算表換算成一種硬度值后，方能比較硬度高低。23五、韌性指標(biāo)（一）、沖擊韌度韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力,可用來衡量金屬材料抵抗沖擊載荷能力。韌性的判據(jù)通過沖擊試驗(yàn)來測(cè)定。1擺錘式一次沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功:試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功(Ak)。Ak=mg

13、h-mgh1241擺錘式一次沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功:試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功(Ak)。Ak=mgh-mgh1沖擊韌度:沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功(a k）。NkkSAa Ak越大，材料的韌性越好。251擺錘式一次沖擊試驗(yàn)40Cr40Cr鋼沖擊吸收功測(cè)定試驗(yàn)鋼沖擊吸收功測(cè)定試驗(yàn)27沖擊吸收功 Ak 與溫度有關(guān)。由左圖可知，Ak 隨溫度降低而減少，在某一溫度區(qū)域，Ak急劇變化，此溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊性能越好。（二）、斷裂韌度 KIC根據(jù)斷裂力學(xué)對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場的分析，裂紋前端附近應(yīng)力場的強(qiáng)弱主要取決于一個(gè)力學(xué)參數(shù)，即應(yīng)力強(qiáng)度因子KI

14、，單位為MNm-3/2KI=YY與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量，是個(gè)無量綱的系數(shù)； 外加拉應(yīng)力a 裂紋長度的一半斷裂韌度是用來反映材料抵抗失穩(wěn)擴(kuò)展，即抵抗脆性斷裂能力的性能指標(biāo)。當(dāng)KIKIC時(shí)，則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。一、金屬材料的物理性能是指在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，材料所表現(xiàn)的性能或固有屬性。主要包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。1、密度同一溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。（g/cm3或kg/m3）一般將密度小于5103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5103kg/m3的金屬稱為重金屬。2、熔點(diǎn)材料在緩慢加熱時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)并有一定潛熱吸收或放出時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度。純金屬都有固定的熔點(diǎn)。合金的熔點(diǎn)決定于它的化學(xué)成分，如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其熔點(diǎn)也不同。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造保險(xiǎn)絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。3、導(dǎo)電性材料傳導(dǎo)電流的能力。以電導(dǎo)率