汽車機械基礎-金屬材料的性能配套

1、項目項目12 金屬材料的性能金屬材料的性能引言：汽車材料的發(fā)展是汽車技術發(fā)展的重要方面，是汽車質量保障引言：汽車材料的發(fā)展是汽車技術發(fā)展的重要方面，是汽車質量保障的基礎，在當今研制經(jīng)濟、安全和輕便汽車中更是關鍵的一環(huán)。汽車的基礎，在當今研制經(jīng)濟、安全和輕便汽車中更是關鍵的一環(huán)。汽車材料與汽車制造成本和耐用程度密切相關，現(xiàn)代汽車的技術進步，很材料與汽車制造成本和耐用程度密切相關，現(xiàn)代汽車的技術進步，很大程度就是材料技術的進步。大程度就是材料技術的進步。金屬材料的性能金屬材料的性能使用性能：使用性能： 指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性質和適應能力，主要指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性質和適應能力，主要包括

2、機械性能、物理性能和化學性能。包括機械性能、物理性能和化學性能。工藝性能：工藝性能：在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和熱處理的性能。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性和熱處理的性能。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。所有性能中，機械性能最為基本和重要，因為它是產品設計和材料選擇的主要依據(jù)。所有性能中，機械性能最為基本和重要，因為它是產品設計和材料選擇的主要依據(jù)。 12.1 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能 材料按其成分材料按其成分、特點可分為金屬材

3、料特點可分為金屬材料、非金屬材料和復合非金屬材料和復合材料，其中，金屬材料以其優(yōu)良的性能獲得廣泛的使用。材料，其中，金屬材料以其優(yōu)良的性能獲得廣泛的使用。 金屬材料的機械性能指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，金屬材料的機械性能指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，即金屬材料即金屬材料抵抗外力引起的變形和破壞的能力，抵抗外力引起的變形和破壞的能力，主要有強度、主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。 這些性能指標是選擇機械零件材料的主要依據(jù)，也是材料這些性能指標是選擇機械零件材料的主要依據(jù)，也是材料性能評定的依據(jù)之一，其中強度、剛度、彈性及塑性一般可通性能評定

4、的依據(jù)之一，其中強度、剛度、彈性及塑性一般可通過金屬拉伸試驗來測定。拉伸試驗是應用最為廣泛的力學性能過金屬拉伸試驗來測定。拉伸試驗是應用最為廣泛的力學性能試驗方法之一。試驗方法之一。一、 強度圖圖8-1 拉伸試樣拉伸試樣 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。 強度指標一般可通過金屬強度指標一般可通過金屬拉伸試驗來測定。拉伸試驗采用標準拉伸試樣，在拉伸試驗機上緩慢施加靜載拉伸試驗來測定。拉伸試驗采用標準拉伸試樣，在拉伸試驗機上緩慢施加靜載荷，同時連續(xù)測量力和相應的伸長，直至把試樣拉斷為止，依據(jù)測出的拉伸曲荷，同時連續(xù)測量力和相應的伸長，直至把試樣拉

5、斷為止，依據(jù)測出的拉伸曲線，求出相應的力學性能指標。線，求出相應的力學性能指標。圖圖8-2 萬能材料試驗機簡圖萬能材料試驗機簡圖一、材料的拉伸曲線一、材料的拉伸曲線1 1、oeoe段：直線、彈性變形階段。段：直線、彈性變形階段。2 2、eses段：曲線、彈性變形段：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑性變形即屈服階段。即屈服階段。5 5、bdbd段曲線：頸縮階段。段曲線：頸縮階段。b b點：出現(xiàn)點：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小，縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小，試樣承載能力降低，拉伸力達到最大試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值；當拉到值；當拉到d d點時，試樣斷裂。點時，試樣斷裂。3 3、s

6、sss段：水平線（略有波動）段：水平線（略有波動）、明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力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?；静蛔?，試樣連續(xù)伸長。4 4、sbsb曲線：彈性變形曲線：彈性變形+ +均勻塑性變形。均勻塑性變形。s金屬材料的強度指標根據(jù)其變形特點分為下列幾個：金屬材料的強度指標根據(jù)其變形特點分為下列幾個：3 3、強度極限（抗拉強度）、強度極限（抗拉強度）指試樣拉斷前所承受的最大拉應力。指試樣拉斷前所承受的最大拉應力。2 2、屈服極限（強度）、屈服極限（強度） s當材料的內應力當材料的內應力b b時，材料將產生斷裂。時，材料將產生斷裂。b b常用作脆性材料的選材和設

7、計的依據(jù)。常用作脆性材料的選材和設計的依據(jù)。 一般機械零件使用時，不允許發(fā)生明顯塑性變形，選材與設計的主一般機械零件使用時，不允許發(fā)生明顯塑性變形，選材與設計的主要依據(jù)是要依據(jù)是 s s 或者或者0.2 。屈服強度是材料開始產生明顯塑性變形時的最低應力值。屈服強度是材料開始產生明顯塑性變形時的最低應力值。 1 1、彈性極限值、彈性極限值e 表示材料保持彈性變形，不產生永久變形的最大應力。表示材料保持彈性變形，不產生永久變形的最大應力。二、剛度和彈性二、剛度和彈性 在應力在應力- -應變曲線中的彈性變形階段可測出材料的彈性模量應變曲線中的彈性變形階段可測出材料的彈性模量E E，并依，并依此確定該

8、材料的剛度和彈性。此確定該材料的剛度和彈性。彈性模量彈性模量E是指金屬材料在彈性狀態(tài)下的應力與應變的比值，即：是指金屬材料在彈性狀態(tài)下的應力與應變的比值，即：E=/彈性模量彈性模量E是引起單位彈性變形所需的應力。它表示金屬材料抵抗彈性是引起單位彈性變形所需的應力。它表示金屬材料抵抗彈性變形的能力。工程上將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。變形的能力。工程上將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。零件的剛度除了與零件橫截面大小、形狀有關外，還主要取決于材料的零件的剛度除了與零件橫截面大小、形狀有關外，還主要取決于材料的彈性模量彈性模量E越大，剛度越大。越大，剛度越大。E值主要取決于各種金屬材料的本性。值

9、主要取決于各種金屬材料的本性。三、塑性三、塑性 塑性是金屬材料在靜載荷作用下產生永久變形而不破壞的能力。評定指標是塑性是金屬材料在靜載荷作用下產生永久變形而不破壞的能力。評定指標是延伸率和斷面收縮率。延伸率和斷面收縮率。1 1、延伸率延伸率2 2、斷面收縮率、斷面收縮率指試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。指試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。指試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。指試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 x 100% x 100%L L0 0: :標距（本實驗標距（

10、本實驗L=100L=100）L L1 1: :拉斷后的試件標距。將斷口密合在一起，用卡尺直接量出。拉斷后的試件標距。將斷口密合在一起，用卡尺直接量出。=(A=(A0 0-A-A1 1)/A)/A0 0 x 100% x 100%A0:A0:試件原橫截面積。試件原橫截面積。A1:A1:斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出。斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出。 金屬材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大的塑性變形而不被破壞，便于通過壓力加工獲得形狀復雜的金屬可以發(fā)生大的塑性變形而不被破壞，

11、便于通過壓力加工獲得形狀復雜的零件。零件。 四、硬度四、硬度1 1、定義：指材料抵抗另一硬物壓入其內的能力。即受壓、定義：指材料抵抗另一硬物壓入其內的能力。即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。它是衡量材料軟硬程度的指時抵抗局部塑性變形的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關。標，其物理含義與試驗方法有關。2 2、硬度的測試方法、硬度的測試方法硬度試驗方法大體上可分為壓入法硬度試驗方法大體上可分為壓入法, ,刻畫法和彈性回跳法刻畫法和彈性回跳法三種。金屬材料三種。金屬材料硬度測試硬度測試主要用壓入法，常用的壓入法有：主要用壓入法，常用的壓入法有： （1 1）布氏硬度試驗；）布氏硬

12、度試驗； （2 2）洛氏硬度試驗；）洛氏硬度試驗；1)1)、布氏硬度試驗、布氏硬度試驗（布氏硬度計） 原理原理: :用一定直徑用一定直徑D的球體（淬火鋼球或硬質合金球）以相應的試驗的球體（淬火鋼球或硬質合金球）以相應的試驗力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時間并達到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗力，測力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時間并達到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗力，測量材料表面壓痕平均直徑量材料表面壓痕平均直徑d，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。2)2)、布氏硬度值布氏硬度值 用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。示。 HBS (鋼球壓頭

13、) 、HBW（硬質合金球）如：120HBS 500HBW4 4、測量范圍、測量范圍 用于測量各種退火、調質處理的鋼、鑄鐵、有色金屬等。用于測量各種退火、調質處理的鋼、鑄鐵、有色金屬等。3)3)、優(yōu)缺點、優(yōu)缺點（1 1）測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（）測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（2 2）可測的硬度值不高（可測的硬度值不高（3 3）不測試成品與薄件（）不測試成品與薄件（4 4）測量費時，效率低）測量費時，效率低=2FDD-（D-d ）布氏硬度布氏硬度= F A凹凹1 1）洛氏硬度試驗）洛氏硬度試驗（洛氏硬度計） 原理原理: : 用頂角為用頂角為120金

14、剛石圓錐或直徑為金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球，在的淬火鋼球，在先后施加兩個載荷（預載荷先后施加兩個載荷（預載荷F0和總載荷和總載荷F）F0+F1（主載荷）的作用下壓（主載荷）的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗力入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗力F1，用測量的殘余壓痕深度增量，用測量的殘余壓痕深度增量h來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。 2 2）洛氏硬度值）洛氏硬度值 用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出。出。如：如：50HRC50HRC（金剛石圓錐）（金剛石圓錐） 4 4、測量范圍、測量范圍 用于

15、測量用于測量淬火鋼、硬質合金淬火鋼、硬質合金等材料等材料. .應用最廣泛。應用最廣泛。3 3）優(yōu)缺點）優(yōu)缺點（1 1）試驗簡單、方便、迅速（）試驗簡單、方便、迅速（2 2）壓痕小，可測成品，薄件（）壓痕小，可測成品，薄件（3 3）數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)不夠準確，應測三點取平均值（不夠準確，應測三點取平均值（4 4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。1. 原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度加初載荷加初載荷加主載荷加主載荷卸除主載荷卸除主載荷讀硬度值讀硬度值優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測量成品件高，可直接測量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。

16、的材料。缺點：壓痕小，測量不準確，缺點：壓痕小，測量不準確， 需多次測量。需多次測量。五、 沖擊韌性 韌性韌性是指金屬在沖斷前吸收變形能量的能力，即抵抗沖擊破壞的能力。金屬的韌性通常隨加載速度提高、溫度降低、應力集中程度加劇而減小。韌性的主要判據(jù)：沖擊吸收功韌性的主要判據(jù)：沖擊吸收功，沖擊吸收功越大，材料承受沖擊的能力越強。指針試樣擺錘支座試樣6、疲勞強度、疲勞強度 在交變應力作用下， 雖然零件所承受的應力遠低于材料的抗拉強度，甚至小于屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作也會產生裂紋或發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞，這種斷裂稱為疲勞斷裂。12.2 金屬材料的工藝性能1：鑄造性（可鑄性）：鑄造性（

17、可鑄性）： 指金屬材料能用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能。鑄造性主要包括流動性，收縮性和偏析。流動性是指液態(tài)金屬充滿鑄模的能力，收縮性是指鑄件凝固時，體積收縮的程度，偏析是指金屬在冷卻凝固過程中，因結晶先后差異而造成金屬內部化學成分和組織的不均勻性。2：壓力加工與可鍛性：壓力加工與可鍛性： 指金屬材料在壓力加工時，能改變形狀而不產生裂紋的性能。它包括在熱態(tài) 或冷態(tài)下能夠進行錘鍛，軋制，拉伸，擠壓等加工。可鍛性的好壞主要與金屬材料的化學成分有關。3、焊接性（可焊性）：、焊接性（可焊性）： 指金屬材料對焊接加工的適應性能。主要是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面的內容：一是結合性能，即在一定的焊接工藝條件下，一定的金屬形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工藝條件下，一定的金屬焊接接頭對使用要求的適用性。4、切削加工性（可切削性，機械加工性）：、切削加工性（可切削性，機械加工性）： 指金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易度。切削加