金屬材料的性能教學(xué)提綱

1、金屬材料的性能 第一章第一章 金屬材料的性能金屬材料的性能1 金屬材料的概論金屬材料的概論2 2 金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能3 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的物理和化學(xué)性能機械工程材料用于機械制造的各種材料的總稱機械工程材料機械工程材料非金屬材料非金屬材料 高分子材料高分子材料（塑料、橡膠）（以高分子化合物為主要成分）陶瓷材料陶瓷材料普通：天然硅酸鹽礦物為原料 復(fù)合材料復(fù)合材料（如鋼筋、混凝土、玻璃鋼）金屬材料金屬材料黑色金屬黑色金屬（鐵、鑄鐵、鋼）有色金屬有色金屬1 金屬材料的概論金屬材料的概論1.1 工程材料的分類工程材料的分類工程材料：制造工程構(gòu)件和機械零件、工具、特工程材料：

2、制造工程構(gòu)件和機械零件、工具、特 殊性能材料殊性能材料(耐蝕、耐高溫耐蝕、耐高溫) 分類分類：按原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)分：按原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)分一、金屬材料一、金屬材料： 黑色金屬黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金：鐵和以鐵為基的合金 純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金 占工程材料的占工程材料的90 有色金屬有色金屬：黑色金屬以外所有金屬、合金：黑色金屬以外所有金屬、合金 輕金屬、難熔金屬、貴金屬等輕金屬、難熔金屬、貴金屬等 金屬鍵金屬鍵(過渡金屬含少量共價鍵過渡金屬含少量共價鍵)1 金屬材料的概論金屬材料的概論1.1 工程材料的分類工程材料的分類二、 陶瓷材料 陶瓷定義： 由一種或多種金屬元

3、素(含半金屬元素如Si等)同一種非金屬元素形成的化合物。 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、 傳統(tǒng)：硅酸鹽類材料 現(xiàn)今：各種無機非金屬材料的統(tǒng)稱 不含碳?xì)溲踅Y(jié)合的化合物u陶瓷材料陶瓷材料：無機非金屬材料，無機非金屬材料，以離子鍵和共價鍵為主，以離子鍵和共價鍵為主，熔點高、硬度大、導(dǎo)電性差熔點高、硬度大、導(dǎo)電性差，多為脆性材料。如，多為脆性材料。如Al2O3、SiO2、金剛石等。、金剛石等。 陶瓷材料的鍵型及性能特點莫來石復(fù)相陶瓷SiO2晶體金剛石晶體離子鍵離子鍵為主為主硬度高、脆硬度高、脆 普通陶瓷普通陶瓷：硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料：硅、鋁氧化物的

4、硅酸鹽材料 特種陶瓷特種陶瓷：高熔點的氧化物、碳化物、氮化物、硅：高熔點的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結(jié)材料化物等的燒結(jié)材料 金屬陶瓷金屬陶瓷：金屬與碳化物或其他化合物的粉末冶金：金屬與碳化物或其他化合物的粉末冶金制品制品 發(fā)展：納米技術(shù)發(fā)展：納米技術(shù)陶瓷增韌陶瓷增韌三、高分子材料：三、高分子材料： 有機有機合成材料、聚合物合成材料、聚合物 大分子化合物：大分子化合物：共價鍵、分子鍵共價鍵、分子鍵 較高強度、良好的塑韌性、較高強度、良好的塑韌性、 較強的耐腐蝕性、優(yōu)良的絕緣性較強的耐腐蝕性、優(yōu)良的絕緣性 工程塑料、合成纖維、合成橡膠工程塑料、合成纖維、合成橡膠 四、復(fù)合材料：四、復(fù)合材

5、料： 金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料 目前非金屬材料的應(yīng)用：目前非金屬材料的應(yīng)用：5%6% 金屬材料仍是最主要的工程材料金屬材料仍是最主要的工程材料 材料的結(jié)合鍵u高分子材料：鏈間以分子鍵結(jié)合，鏈內(nèi)組成分子的是共價鍵和氫鍵；熔點低，強度和硬度低。如塑料、橡膠、合成纖維等。 高分子材料的鍵型及性能特點聚四氟乙烯薄膜通信電纜絕緣材料UPVC高分子增強復(fù)合瓦 金屬材料的性能可分為：使用性能和工藝性能。使用性能是指為保證機械零件或工具正常工作，材料具備的性能。它包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。工藝性能是指在制造機械零件或零件的過程中，金屬材料適應(yīng)各種冷熱加工的性能

6、，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能、以及熱處理性能等。 金屬材料的性能 一一 研究對象、任務(wù)和目的研究對象、任務(wù)和目的 1 研究的對象研究的對象 金屬和合金。金屬和合金。 什么是金屬？什么是合金？什么是金屬？什么是合金？ （1）金屬的性質(zhì)）金屬的性質(zhì) * 高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； * 金屬光澤；金屬光澤； * 良好的延展性良好的延展性(塑性塑性)； * 不透明不透明1 金屬材料的概論金屬材料的概論1.2 金屬材料簡介金屬材料簡介 即：具有即：具有正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)。* * *電阻隨溫度升高而升高電阻隨溫度升高而升高 金屬與非金屬的本質(zhì)差別金屬與

7、非金屬的本質(zhì)差別 t=0 (1+T)T非金屬非金屬金屬金屬 某些純金屬在絕某些純金屬在絕對零度附近的超導(dǎo)電性對零度附近的超導(dǎo)電性材料的電阻率t隨溫度變化的規(guī)律為t=0 (1+t)，其中稱為電阻溫度系數(shù)，0是材料在t=0時的電阻率。在一定的溫度范圍內(nèi)是與溫度無關(guān)的常量。金屬的電阻一般隨溫度的增加而增加，具有正溫度系數(shù)；而某些非金屬如碳等則相反，具有負(fù)溫度系數(shù)。利用具有正負(fù)溫度系數(shù)的兩種材料的互補特性，可制成阻值在一定溫度范圍內(nèi)不隨溫度變化的電阻。(2) (2) 金屬與合金的定義金屬與合金的定義金屬定義：金屬定義：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。合金定義：合金定義：一種金屬

8、元素一種金屬元素與另與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的或其它方法結(jié)合而成的具有金具有金屬特性屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。(3) (3) 金屬中原子的結(jié)合方式金屬中原子的結(jié)合方式 在金屬晶體中，金屬原子失去價電子后成為正離子在金屬晶體中，金屬原子失去價電子后成為正離子, 所所有價電子成為自由電子并為整個原子集團所公有有價電子成為自由電子并為整個原子集團所公有, 所有自由所有自由電子圍繞所有原子核運動，形成電子云，金屬正離子沉浸電子圍繞所有原子核運動，形成電子云，金屬正離子沉浸在電子云中，并依靠與自由電子之間的在電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用而使金屬原

9、子結(jié)合起來形成金靜電作用而使金屬原子結(jié)合起來形成金屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱為屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱為金屬鍵。金屬鍵。這種由金屬正離子和自由電子之間的互相作用稱為金屬鍵。金屬鍵無方向性和飽和性。u金屬材料：主要以金屬鍵結(jié)合，個別的有共價（如四價灰錫）和離子鍵（如金屬化合物Mg3Sb2）的特點。具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性（延展性），并具有金屬光澤。 金屬材料的鍵型及性能特點江陰長江大橋民用客機（波音747）拆疊自行車 根據(jù)金屬鍵解釋固態(tài)金屬的一些特性非金屬中：非金屬中：離子鍵、共價鍵離子鍵、共價鍵等等結(jié)合鍵強結(jié)合鍵強, 具飽和性具飽和性較高硬度較高硬度結(jié)合鍵極強、方向性結(jié)合鍵極強、方向性

10、很高硬度、無塑性很高硬度、無塑性2 本課程的主要任務(wù)：本課程的主要任務(wù)： 研究金屬與合金的研究金屬與合金的化學(xué)成分化學(xué)成分、加工工藝加工工藝、組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)和和性能四要素性能四要素及四要素之間的關(guān)系及四要素之間的關(guān)系與變化規(guī)律。與變化規(guī)律。 此亦為材料科學(xué)的研究內(nèi)容此亦為材料科學(xué)的研究內(nèi)容 實際中我們最關(guān)心的是實際中我們最關(guān)心的是性能性能 舉例：舉例： b(MPa)鋁合金鋁合金 400600銅合金銅合金 60070040鋼鋼(退火態(tài)退火態(tài)) 50040鋼鋼(調(diào)質(zhì)態(tài)調(diào)質(zhì)態(tài)) 800性能取決于什么因素呢？性能取決于什么因素呢？ 化學(xué)成分不同，性能不同化學(xué)成分不同，性能不同 純鋁純鋁 40 純銅純

11、銅 60 純鐵純鐵 200 化學(xué)成分相同，化學(xué)成分相同，處理方式處理方式不同，性能不同不同，性能不同0.8CC 的鋼鋸條的鋼鋸條800，冷卻方式不同，冷卻方式不同 一根出爐后一根出爐后水冷水冷，性，性硬而脆硬而脆，一彎就斷；，一彎就斷； 另一根隨爐另一根隨爐緩慢冷卻緩慢冷卻，性軟性軟，彎曲，彎曲90 不斷。不斷。 又如：又如： 石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成，石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成， 但性能迥異。但性能迥異。 原因：碳原子的空間排列方式不同原因：碳原子的空間排列方式不同 即內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同即內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同提高材料性能的主要途徑提高材料性能的主要途徑： 一方面改變材料的一方面改變材料的化學(xué)成分

12、化學(xué)成分，另一方面，另一方面改進材料的改進材料的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝，進而改變材料內(nèi)部的，進而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。組織結(jié)構(gòu)與性能。*材料科學(xué)研究的材料科學(xué)研究的四要素四要素及相互關(guān)系線：及相互關(guān)系線： 性性 能能Performance加工工藝加工工藝Process化學(xué)成分化學(xué)成分Composition組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)Construction內(nèi)因內(nèi)因外因外因 故材料性能包含故材料性能包含使用性能使用性能與與工藝性能工藝性能兩方面：兩方面：(1) 使用性能使用性能 ：在使用條件下所表現(xiàn)的性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能 力學(xué)性能力學(xué)性能(強度、硬度、塑性、韌性等強度、硬度、塑性、韌性等)； 物

13、理性能物理性能(光、電、磁等光、電、磁等)； 化學(xué)性能化學(xué)性能(抗氧化性、抗腐蝕性等抗氧化性、抗腐蝕性等)； 其它性能其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等耐磨性、熱硬性、消振性等)；(2) 工藝性能：工藝性能： 在制造機械零件的過程中，材料適應(yīng)各種在制造機械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。冷、熱加工和熱處理的性能。 鑄造性能鑄造性能（流動性、收縮、偏析等（流動性、收縮、偏析等)、鍛造、鍛造性能性能（ 、 、 等等)； 壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等；壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等； 切削加工性；切削加工性； 焊接性；焊接性； 熱處理性能；熱處理性能； 等等等等合金

14、相形貌合金相形貌金屬多晶體結(jié)構(gòu)金屬多晶體結(jié)構(gòu) 顯微組織顯微組織（3）組織結(jié)構(gòu)（顯微組織）組織結(jié)構(gòu)（顯微組織）： 在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察到的金屬的內(nèi)部形貌到的金屬的內(nèi)部形貌（1）原子結(jié)構(gòu)）原子結(jié)構(gòu)：取決于取決于原子種類原子種類什么是組織結(jié)構(gòu)？什么是組織結(jié)構(gòu)？材料不同層次的結(jié)構(gòu)材料不同層次的結(jié)構(gòu)（2）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)：原子在空間的排列方式原子在空間的排列方式（1）原子種類）原子種類;（2）內(nèi)部原子排列的方式）內(nèi)部原子排列的方式;（3）合金元素的存在方式）合金元素的存在方式;（4）內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷）內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷 材料的組織結(jié)構(gòu)取

15、決于材料的組織結(jié)構(gòu)取決于:3 目的目的 利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：（1）進行科學(xué)研究；）進行科學(xué)研究；（2）指導(dǎo)生產(chǎn)實踐；）指導(dǎo)生產(chǎn)實踐；（3）研制新合金材料。）研制新合金材料。2 金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能 金屬材料加工過程：金屬材料加工過程： 冶煉冶煉鑄造鑄造鑄錠鑄錠板棒型管板棒型管焊接焊接機加工機加工冷軋冷軋冷拔冷拔深沖深沖鍛件鍛件鑄件鑄件機加工：機加工：車、銑、車、銑、刨、磨刨、磨零零件件或或構(gòu)構(gòu)件件熱軋熱軋熱鍛熱鍛工藝性能工藝性能使用性能使用性能強度與塑性的測定強度與塑性的測定借助應(yīng)力應(yīng)變曲線。借助應(yīng)力應(yīng)變曲線。2.1 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)

16、性能金屬的力學(xué)性能是指金屬抵抗外力作用的能力。外力也稱載荷，它按外力可分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有：強度、塑形、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等。2 金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能 作用在機件上的外力作用在機件上的外力載荷載荷FFF = F （MPa）外力 內(nèi)力應(yīng)力FF靜載荷靜載荷動載荷動載荷SFSF1. 1.應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為面垂直的稱為“正應(yīng)力正應(yīng)力”或或“法向應(yīng)力法向應(yīng)力”，同截面相，同截面相切的稱為切的稱為“剪應(yīng)力剪應(yīng)力”或或“切應(yīng)力切應(yīng)力”。1 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)

17、變曲線 拉伸實驗拉伸實驗測定測定2 金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能0lkl0dFFkd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后應(yīng)變：應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段形后長度的改變值同線段原長之比值稱為原長之比值稱為“線應(yīng)變線應(yīng)變”0ll2. 應(yīng)變應(yīng)變（1 1）彈性變形：）彈性變形： 材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種形狀，這種隨外力消失而消失的變形隨外力消失而消失的變形，稱為，稱為彈性變形彈性變形。3. 3.兩種基本變形兩種基本變形FFF

18、 （2 2）塑性變形）塑性變形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形變形，稱為稱為塑性變形塑性變形。FFF拉伸試驗拉伸試驗0lkl0dFFLkd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后3.2 拉伸試驗拉伸試驗kmm 極限載荷點Fpp 彈性極限點sS 屈服點K 斷裂點拉伸曲線l應(yīng)力應(yīng)變曲線0SF0llsFpFmFo材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線1 1、opop段段：直線、彈性變形：直線、彈性變形2 2、psps段段：曲線、彈性變形：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑性變形5 5、m m點點出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小，試樣承載能力降低，截面

19、明顯縮小，試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，變形量增大，K K點時試樣發(fā)生斷裂。點時試樣發(fā)生斷裂。3 3、s ss s段段：水平線（略有波動）：水平線（略有波動）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4 4、smsm曲線曲線：彈性變形：彈性變形+ +均勻塑性變均勻塑性變形形 s 變形三階段：變形三階段： (1) 彈性變形彈性變形、 (2) 塑性變形塑性變形、 (3) 斷裂斷裂彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形斷裂斷裂 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)

20、力應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力應(yīng)低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線變曲線(1) 彈性變形彈性變形:特點特點： 應(yīng)力撤消后應(yīng)力撤消后, 變形消失；變形消失； 應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系； 總變形量很?。嚎傋冃瘟亢苄。?% 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)： 彈性極限彈性極限e ：保持彈性：保持彈性變形的最大應(yīng)力，變形的最大應(yīng)力，MPa 彈性模量彈性模量E： =E(2 ) 塑性變形塑性變形: 應(yīng)力撤消后應(yīng)力撤消后, 變形僅部分消變形僅部分消失，存在殘余、永久性的變形。失，存在殘余、永久性的變形。特點：特點：(1)變形具永久性、不可逆性變形具永久性、不可逆性(2)應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；(3)變形量較

21、大變形量較大可以塑性加工的原因可以塑性加工的原因殘余殘余變形量變形量彈性彈性變形量變形量sb塑性變形中的重要指標(biāo)塑性變形中的重要指標(biāo): 承受的應(yīng)力大?。撼惺艿膽?yīng)力大小： 斷裂前塑性變形量的大小斷裂前塑性變形量的大小: 抗拉強度抗拉強度(b): 抵抗最大均勻塑性變抵抗最大均勻塑性變形的應(yīng)力值形的應(yīng)力值屈服強度屈服強度(s): 抵抗微抵抗微量塑性變形的應(yīng)力值量塑性變形的應(yīng)力值斷后伸長率斷后伸長率()、斷面收縮率、斷面收縮率( )2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)（一）強度v金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強度。v按外力作用的性質(zhì)不同，分為： 屈服強度e 、抗拉強度b 、抗壓強度b

22、c、抗剪強度b等。 1.屈服強度（屈服極限、屈服點）： 當(dāng)載荷增達(dá)到s點時，拉伸曲線出現(xiàn)了平臺，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但塑性變形不斷增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。 屈服點是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。用s表示。 計算公式計算公式:s=FsS0 應(yīng)用：制作機械零件和工程構(gòu)件時的選材和設(shè)計的依據(jù)。 條件屈服強度0.2 有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。為了衡量這些材料的屈服特性,規(guī)定產(chǎn)生永久殘余變形等于一定值(一般為原長度的0.2%)時的應(yīng)力,稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度0.2 。 脆性材料拉伸試驗的屈服點：脆性材料拉伸試驗的屈服點：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長率達(dá)

23、到試樣標(biāo)距長度的0.2%時的應(yīng)力，用符號0.2表示。FsS0s= 應(yīng)用：s和0.2常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。脆性材料的屈服點LF0F0.20.2%L0F0.2S00.2=計算公式計算公式:2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo) 工業(yè)上使用的某些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸過程中，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服點s ，按GB/T2228規(guī)定，可用屈服強度屈服強度0.20.2來表示該材料開始產(chǎn)生塑性變形時的最低應(yīng)力值。屈服強度為試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生0.2%殘余伸長時的應(yīng)力值，即 0.2=F0.2/Ao式中 F0.2試樣標(biāo)距產(chǎn)生的0.2%殘 余伸長時載荷（N）； Ao試樣的原始橫截面積（mm2

24、）。屈服強度的測定2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo) b=FbS0 應(yīng)用：制作機械零件和工程構(gòu)件時的選材和設(shè)計的依據(jù)。計算公式計算公式:2. 抗拉強度（強度極限）抗拉強度（強度極限）:材料承受最大載荷時的應(yīng)力。用b表示。 屈服強度和抗拉強度在機械設(shè)計和選擇、評定金屬材料時有重要意義，材料不能在超過其s的條件下工作，否則會引起機件的塑性變形；更不能超過其 b的條件下工作，否則會導(dǎo)致機件的破壞。2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)( (二二) ) 硬度硬度 材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力 ,是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。表示材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑

25、性變形或破斷的能力。 金屬材料的硬度可用硬度儀來測試，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度HV。 1.1.布氏硬度布氏硬度HBHB 用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時間后卸荷,測壓痕直徑d. HB=F/S (N/mm2) 單位一般不寫 S-壓痕面積. 布氏硬度試驗原理圖2NHBmm壓入載荷（ ）壓痕的表面積（）壓頭是直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球。 HBS壓頭為鋼球，用于測量450HBW（ 650HBW）布氏硬度計 壓印鋼球鋼材222dDDDF特點： 布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，

26、而且實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好。由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般測HB450以下的材料；硬質(zhì)合金可測HB450以上的材料。 由于壓痕較大，不能進行成品檢驗。 通常用于測定較軟材料較軟材料：鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。通常碳素鋼：通常碳素鋼：bHB2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)實驗時是根據(jù)測量到的壓入深度，轉(zhuǎn)變成刻度盤上的數(shù)據(jù)。2. 洛氏硬度洛氏硬度HR 用金剛石圓錐或鋼球作壓頭，在規(guī)定的預(yù)載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測其深度，由公式求出，可在洛氏硬度計上直接讀出，無單位。 特點：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，在鋼件

27、熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。 洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均勻的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。(1)首先加載初試驗力首先加載初試驗力F0，將壓頭，將壓頭(金剛石圓錐壓頭或球壓頭金剛石圓錐壓頭或球壓頭)壓入試件表壓入試件表面，計初始位移面，計初始位移h0(2)然后加載主試驗力然后加載主試驗力F1，保持一定時間，此時壓頭位移為，保持一定時間，此時壓頭位移為h1，之后卸，之后卸除主試驗力除主試驗力F1(3)保持初試驗力保持初試驗力F0，測量此刻的壓頭位移，測量此刻的壓頭位移h2(4)按下述公式，計算出洛氏硬度值按下述公式，計算出洛氏硬度值(式中位移單位為式中位移單

28、位為mm)標(biāo)尺標(biāo)尺 應(yīng)用公式：應(yīng)用公式： A，D，C HR=100-(h2h0)/0.002 E，B，G，H，F(xiàn)，K，P，M，L，R，S，V HR=130-(h2h0)/0.002 N, , T HR=100-(h2h0)/0.001 洛氏洛氏硬度硬度標(biāo)尺標(biāo)尺 硬度符硬度符號號 壓頭類型壓頭類型 初試驗初試驗力力F0（N）主試驗主試驗力力F1（N）總試驗總試驗力力F0+ F1（N）適用范圍適用范圍 AHRA120金剛石圓錐金剛石圓錐 98.07490.3588.42088HRABHRB1.5875mm鋼球鋼球 98.07882.6980.720100HRBCHRC120金剛石圓錐金剛石圓錐 9

29、8.07137314712070HRCDHRD120金剛石圓錐金剛石圓錐 98.07882.6980.74077HRDEHRE3.175mm鋼球鋼球 98.07882.6980.770100HREFHRF1.5875mm鋼球鋼球 98.07490.3588.460100HRFGHRG1.5875mm鋼球鋼球 98.07137314713094HRGHHRH3.175mm鋼球鋼球 98.07490.3588.480100HRHKHRK3.175mm鋼球鋼球 98.071373147140100HRK常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和適用范圍 符號HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的

30、洛氏硬度標(biāo)尺。 例：45HRC表示用C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為45。 2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)洛洛氏硬度標(biāo)尺的選擇氏硬度標(biāo)尺的選擇v HRA硬質(zhì)材料的洛氏硬度，如硬質(zhì)合金、很薄很硬的鋼材，表面硬化層較薄的鋼材。v HRB低合金鋼、軟合金、銅合金、鋁合金及可鍛鑄鐵等中、低硬度材料。v HRC一般鋼材，硬度較高的鑄件，淬火回火的合金鋼等。v HRN、HRT 測極薄工件及氮化層、金屬鍍層的表面硬度。（替代GB/T 1818-1994） 2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)維氏硬度維氏硬度： 壓痕單位表面積上壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值。所承受的平均壓力值。金剛石正四棱錐體金剛石正四棱

31、錐體壓頭壓頭 硬度表示方法硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F3 維氏硬度維氏硬度2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)肖氏硬度肖氏硬度：試驗是一種動載試驗法，其原理是將具有一定質(zhì)量的帶有金剛石或合金鋼球的重錘從一定高度落向試樣表面，根據(jù)重錘回跳的高度來表征測量硬度值大小。符號為HS。重錘回跳得越高，表面測量越硬。A90屬金剛鉆的硬度、D45屬淬火鋼的硬度。4 肖氏硬度肖氏硬度2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo) 材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受壓時抵抗表面局部塑性變形的能力。 衡量材料軟硬程度的指標(biāo) 硬度與強度間存在一定關(guān)系

32、(1) 布氏硬度(HB)較軟材料有色金屬、灰口鑄鐵等 (2) 洛氏硬度(HR)硬度中等鋼鐵材料 具體：HRA、HRB、HRC 其中HRC：軟硬范圍較寬，應(yīng)用最廣 (3)維氏硬度(HV) 較硬材料 (4)肖氏硬度(HS) 測定精密量具和大型金屬件。2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)/（二）硬度（三）（三） 動載時材料的力學(xué)性能動載時材料的力學(xué)性能1、沖擊韌性:金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)試驗時，將試樣放在試驗機兩支座上，。把質(zhì)量為m的擺錘抬到高H，使擺錘具有位能為mHg。擺錘落下沖斷試樣后

33、升至h高度,具有位能為mhg，故擺錘沖斷試樣推動的勢能差為mHgmhg，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功稱為沖擊吸收功AK，即AK=mg(H-h)用試樣的斷口處截面積SN（cm2）去除AK（J）即得到?jīng)_擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2.aK=AK/SN在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。試驗表明：在沖擊能量不太大的情況下，其承受反復(fù)沖擊的能力主要取決于強度，而不是很高的沖擊韌性ak 。材料韌性判據(jù)為沖擊韌性ak ，低值為脆性材料，高值為韌性材料。2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)金屬的金屬的k與溫度直接相關(guān)：與溫度直接相關(guān)：（1）T，

34、k（2）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk ：當(dāng)：當(dāng)T107 不疲勞破壞 疲勞曲線疲勞破壞原因: 材料有雜質(zhì),表面劃痕,能引起應(yīng)力集中（指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象）,導(dǎo)致微裂紋,裂紋擴展致使零件不能承受所加載荷突然破壞。3、疲勞曲線與疲勞極限 v 試驗證明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力max 愈大，則斷裂前所受的循環(huán)周次N（定義為疲勞壽命）愈少，這種交變應(yīng)力max 與疲勞壽命N的關(guān)系曲線稱疲勞曲線或-N曲線 v 工程上規(guī)定，材料經(jīng)受相當(dāng)循環(huán)周次不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，以符號-1表示。 2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo) 疲勞曲線-1N

35、n21N1N2NnNc鋼鐵材料：107次非鐵合金：108次 2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)部分工程材料的疲勞極限-1（MPa）2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)4 產(chǎn)生疲勞破壞的原因產(chǎn)生疲勞破壞的原因 材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應(yīng)力集中 微裂紋 裂紋擴展 破 壞2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)5 提高材料疲勞極限的途徑提高材料疲勞極限的途徑 1、設(shè)計方面 盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。 2、材料方面 通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷。如疏松、氣孔和表面氧化等。 3、機械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。

36、 4、零件表面強化方面 可采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，使零件表面造成壓應(yīng)力，以抵消或降低表面拉應(yīng)力引起疲勞裂紋的可能性。2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)（五）塑性（五）塑性 材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。 (1) 伸長率（ ）：試樣拉斷后標(biāo)距的增長量與原始標(biāo)距長度之比; = (L斷后-L原始)/ L原始%=L / L0 % (2) 斷面收縮率（ ）：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比. = (A原始- A斷后)/ A原始%=A / A0 %2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo) 、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常 5% 脆性材料脆性材料 塑性的意義：塑性的意義： 成形成形 安全安全2.3 力學(xué)性能及指標(biāo)力學(xué)性能及指標(biāo)3 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的物理和化學(xué)性能v （一）金屬材料的物理性能是指金屬材料在重力、溫度、電磁等物理作用下表現(xiàn)出的性能。包括：密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、導(dǎo)磁性等。v 1、密度：是物體的質(zhì)量與其體積的比值。v 2、熔點、是指金屬材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。v 3、導(dǎo)電性：是指金屬傳導(dǎo)電流的能力。v 4、導(dǎo)熱性：是指金屬傳導(dǎo)熱量的能力。v 5、熱膨脹性:是指金屬材料的體積受熱時增大，冷卻時收索的性能。