三金屬材料性能

1、第三章 金屬材料的性能(The properties of metal Materials)一、定義 金屬材料在使用和加工過程中所表現(xiàn)出的特性,稱為金屬材料的性能。二、分類 機械性能(Mechanical properties)，船機、輪機人員關心的。 工藝性能(workability) 是制造人員關心的。 理化性能(physical and chemical properties) 船機、輪機人員關心的。2-1 金屬材料的機械性能（也稱力學性能） 一、概述 1.定義:金屬在各種外力作用下抵抗變形和斷裂的能力,稱為金屬的機械性能(又稱為金屬的力學性能)?；蚪饘俨牧蠈ν饨巛d荷的反應能力。 作用：

2、 機械性能是設計機件和選用材料的依據(jù)。 .分類 根據(jù)使用溫度不同分： 1室溫下的機械性能指標 剛度 ；強度 塑性 硬度 疲勞強度；沖擊韌性 2高溫下的機械性能指標： 高溫強度； 熱硬性 二、室溫下的 機械性能 拉伸試驗方法是測定室溫下機械性能的重要方法,通過這些試驗, 可以得到曲線(應力應變曲線)。（一） 剛度 定 義: 金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力，稱為。 衡量指標: 彈性模量:E=/(、分別為彈性變形時的應力與應變)。 剛度的影響因素 E=/=（P/F）/（L/L0） L=（PL0）/（EF） 在P、L0一定的情況下，L取決于EF（剛度）。 材料的彈性模量E: 對熱處理與合金化、及冷

3、熱加工方法不敏感（主要取決于材料分子間作用力的強弱），故從剛度出發(fā)， 選用一般鋼材即可，不必選用合金鋼。 零件的截面大?。涸O計時，如果要增大剛度，主要通過增大截面積來實現(xiàn)。 結構設計：采用支承、改善應力分布等方法。 （二）強度 定義:在外力作用下,材料抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的能力，稱為。 衡量指標:主要有: 1屈服強度（ ）：材料抵抗微量塑性變形的能力，稱為。 絕大多數(shù)機械零件（如：緊固螺栓等），在工作中不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，因此，屈服極限是設計和選材的主要依據(jù)之一。 工作應力：s/n n安全系數(shù)2.抗拉強度（b）（強度極限） 抗拉強度表示材料對發(fā)生最大均勻變形的抗力，當零件承受的應力大于

4、b時，零件就會斷裂，用b表示。 材料抵抗斷裂的能力，稱為。（斷裂前的最大應力）3.屈強比（s/b)：屈強比小，可靠性高，但材料性能的浪費大。 影響因素: 熱處理、合金化、細晶強化冷熱加工方法都會對上述指標產(chǎn)生很大的影響。（三）塑性指標 定義:在外力作用下,材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力,稱為塑性. 衡量指標: 1.延伸率（(l1-l0)/l0*100） 應用：工程上按延伸率的大小將材料分成兩類： 的材料塑性材料； 的材料脆性材料； 2.斷面收縮率 (F0-F1)/F0*100）。其中：F0為試樣原始截面積；F1為拉斷后的截面積。 3.塑性好的含義：一方面表示材料塑性加工性好;另一方面表示材料承

5、受過載的能力強(通過塑性變形,加工硬化來提高強度)。 注意：塑性指標不能直接用于設計計算，通常根據(jù)經(jīng)驗來選擇， 一般零件有5，有即可滿足要求。（四）硬度 很常用的指標，零件的設計圖紙上一般標有對硬度的要求。應用很廣。 1）定義：金屬表面抵抗局部塑性變形的能力,稱為硬度。 衡量材料軟硬的指標。 2）衡量指標: 常用的方法是采用壓入法，即：將一硬質(zhì)壓頭，在一定載荷下壓入被測材料的表面，形成壓痕，根據(jù)壓痕的大小或深度來表示硬度值。常用的有三種： 1布氏硬度 方法: 用載荷，將一個直徑為（有、三種）的硬鋼球壓入被測金屬的表面，使表面形成壓痕，壓痕單位面積上承受的壓力就是。 優(yōu)缺點： 壓痕大，誤差?。慌c

6、強度有較好的對應關系；不適用于成品檢驗(壓痕太大)，只能在試樣上進行。 2洛氏硬度 方法：原理與布氏硬度相仿。標準壓頭為鋼球或金剛石圓錐體。試驗時，將初負荷P0=10kg加上后,再加主負荷P,保持規(guī)定時間后卸除,根據(jù)壓痕的深度，來衡量硬度的大小。深度相差0.002mm，作為相差一個洛氏硬度單位。壓陷坑越深，硬度越小。 HR=（K-h）/0.002 當使用金剛石壓頭時：K0.2mm; 當使用鋼球壓頭時： K0.26mm; 根據(jù)所用的壓頭及載荷大小不同分種： 用于測量極硬的材料（如滲碳層）；測量較軟的材料（有色金屬與退火鋼）； 測量較硬的材料（淬火鋼）。 其中以應用最廣。特點：操作簡便、迅速（結果

7、由表頭直接給出），誤差大（壓痕?。?。 注意：不同級別的硬度無可比性，只能查表，換算成同一級別后，才能比較數(shù)值的大小。3.維氏硬度 方法： 用（相鄰平面）夾角為的金剛石四棱錐體（也稱四方角錐體）做壓頭，載荷范圍 ，（根據(jù)需要選擇），保持一定時間，根據(jù)壓痕投影的兩對角線的平均長度，計算出壓痕的面積，再求出壓痕上的平均壓力，以此作為硬度的大小，并稱為維氏硬度。用表示。 HVP/F=1.8544P/d d壓痕的對角線長度。 壓痕d壓痕面積平均壓力HV。 適用范圍：很薄的工件、經(jīng)化學熱處理后的工件（表面層：如滲層、鍍層的測量）。 特 點： 適用范圍廣，比HB、HR測量精確，但操作麻煩，沒有洛氏硬度效率高

8、， 一般用于科研。 4.影響硬度因素:取決于成份（特別是含C量）和熱處理工藝。（五）沖擊韌性 定義:材料抵抗沖擊截荷的能力。一次沖斷試樣。 試驗方法： 材料力學中的擺錘試驗 衡量指標(a）分析及應用： 沖擊韌性值：ak=Ak/F （J/cm2）； Ak 沖擊功 ak與下述因素有關： 材料及其狀態(tài)； 試樣的形狀和尺寸； 試樣不同時，結果不可比； 與溫度有關； 當溫度降到某一數(shù)值時，a急劇下降， 這個溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度（）（使沖擊韌性急劇降低的溫度）。Tk低，說明材料的低溫沖擊韌性好。以上：強度、硬度、塑性和沖擊韌性稱為傳統(tǒng)的“四大強度指標”。（六）疲勞強度 材料在所受的應力遠遠小于抗拉強度（甚

9、至屈服強度）的情況下，出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象稱為“疲勞”。 載荷的特點：應力 b （甚至S）。 金屬因疲勞而產(chǎn)生的斷裂稱為疲勞斷裂。機件的斷裂事故中： 8090屬于疲勞斷裂。 如軸、齒輪、彈簧、橋梁等。 疲勞強度：材料在無限次交變載荷的作用下，不致因疲勞而破壞的最大應力，稱為疲勞強度。 用w表示（N/mm2) 。 規(guī)定無限次應力循環(huán)的含義為： 鋼鐵：N107；有色金屬： N 108。疲勞斷裂的特點：突然產(chǎn)生； 斷裂前無明顯的塑性變形；很危險。 疲勞斷口的特征：分為三個區(qū)： 疲勞源(核心區(qū))； 擴展區(qū)； 最后斷裂區(qū)。 兩部分： 磨光部分；（疲勞源和擴展區(qū)） 粗糙晶?；蚶w維狀區(qū)。（最后斷裂區(qū)）（粗大）疲勞

10、源擴展區(qū)最后斷裂區(qū)2衡量指標：13影響因素： 抗拉強度;(大約等于斷裂應力的一半）；工作條件(如工作溫度、介質(zhì)等)；零件表面的質(zhì)量:(粗糙度,表面性能等)。4 提高疲勞強度的方法： 表面強化處理（噴丸、表面熱處理、表面合金化）；表面產(chǎn)生壓應力。 合理設計；形狀要有利于減少應力集中；如采用圓角過渡。 提高加工質(zhì)量；如降低表面粗糙度等。二、高溫下金屬的機械性能問題的提出： 很多零件在高溫下長期工作，（如柴油機進（400500）、排氣閥（650800）溫度對金屬的機械性能有很大的影響；其次在高溫下工作的時間也有很大的影響。蠕變現(xiàn)象：金屬零件長期在高溫和恒應力（即使應力小于）的作用下，緩慢地產(chǎn)生塑性變

11、形，這種現(xiàn)象稱為（reep）。蠕變的結果是導致斷裂。所以對高溫下機械性能指標要提出新的衡量標準。 高溫機械性能指標主要有： 熱強度； 熱硬性。 1.熱強度 f（,T,t）； （T 溫度；t時間） 蠕變極限：金屬材料長期在高溫和恒應力（即使應力小于S ）的作用下 抵抗塑性變形的能力。 表示方法： /tT。 持久強度：金屬材料長期在高溫和恒應力（即使應力小于S ）的作用下 抵抗斷裂的能力。 表示方法: tT 。 2熱硬性：材料在高溫下具有較高硬度的性能，稱為。強調(diào)在高溫下保持高硬度的能力。 3-2 金屬的工藝性能一、概述 1定義: 把金屬材料在加工過程中表現(xiàn)出的特性稱為工藝性能。 2分類: 鑄造性

12、 ；鍛造性 ；焊接性 ；切削性 ；熱處理性；冷變形性 等。 3. 工藝性能的重要性：實例如：某廠用24SiMnWV作為20CrMnTi的代用材料，性能好，但因正火后，硬度高，切削加工困難，不能滿足大批量生產(chǎn)的要求而被否決。二、鑄造性 1定義： 金屬材料通過鑄造的方法獲得完好鑄件的能力,稱為金屬材料的。 2衡量指標: 1）流動性；2）收縮性；鋼的收縮率比鑄鐵的大；3）偏析：化學成分不均勻性。性能不均勻。三、可鍛性： 承受壓力加工變形的能力,稱為。 取決于兩方面： 塑性；（開裂的傾向） 變形抗力。含C量低,可鍛性好。鑄鐵不可鍛造。四、可焊性： 定義：在一般焊接條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的能力。 標準：焊

13、縫產(chǎn)生裂紋的傾向、焊縫的可靠性。 影響因素： 化學成分,特別是C。五、可熱處理性： 用淬透性、淬硬性等衡量(后面談到）。六、可切削加工性： 反映切削加工的難易程度。HB160230時最易切削加工。七、冷變形工藝性：變形部位不得產(chǎn)生裂紋和分層等。2-3 金屬材料的理化性能一、物理性能 比重、熔點、導電性、導熱性、磁性等。 應用實例： （1）柴油機的活塞： 低速機用（鋼頭鐵裙組合活塞或鑄鐵活塞）； 高速機用鋁合金。 （2）船用儀表指針：要求使用奧氏體不銹鋼，不能用其它材料。 二、化學性能 如：耐腐蝕性，一般用每年的腐蝕深度來評定耐蝕等級)、抗氧化性等。 應用實例： （1）排氣閥、氣缸套等的抗氧化和抗腐蝕； （2）船體的防腐； （3）管路的防腐。本章小結和思考題：1解釋：剛度、強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、蠕變、蠕變極限、