第一章金屬材料的性能

金屬材料的性能第一節(jié)金屬的力學性能第二節(jié)金屬的物理化學性能第三節(jié)金屬的工藝性能

學習要求1.準確理解各種性能指標的含義、試驗方法、適用范圍；2.學會利用掌握的理論知識對遇到的實際問題或現(xiàn)象進行科學的解釋；3.要學會對所學的知識進行分類、歸納和整理，提高學習效率；4.該課程具有很強的實踐性，在學習時應盡量將自己的感性認識與教學內容相聯(lián)系，幫助理解和掌握有關術語的含義；5.金工實習時，應盡量熟悉金屬材料的性能特點，為學習該課程做準備。第一節(jié)金屬的力學性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形。一、強度與塑性在靜載荷作用下，材料抵抗變形與斷裂的能力稱為強度。靜載荷是指載荷的大小由零緩慢增加到最大值或大小保持不變的載荷，如鋼索的拉力。在靜載荷作用下，材料產生塑性變形但不發(fā)生破壞的能力稱為材料的塑性。金屬材料的強度和塑性指標可以通過靜拉伸試驗測得。

㈠靜拉伸試驗緩慢地在試樣兩端施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，試驗一般進行到試樣被拉斷為止。測定試樣對外加載荷的抗力，可以求出材料的強度指標；測定試樣在破斷后塑性變形的大小，可以求出材料的塑性指標。

圓形拉伸試樣

退火低碳鋼拉伸曲線

拉斷后的試樣拉伸試驗機㈡強度指標彈性極限σe：材料開始發(fā)生塑性變形時的應力值。屈服強度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值?？估瓘姸萣：材料斷裂前所承受的最大應力值。應力-應變曲線

應力

=F/A0應變

=(L-L0)/L0工作條件下不允許產生微量塑性變形的零件，設計時應該根據(jù)彈性極限σe來選材。如用彈簧。大多數(shù)金屬合金沒有屈服點。因此規(guī)定發(fā)生0.2%殘余伸長的應力，作為條件屈服強度，以σ0.2表示。要求不十分嚴格的零件與結構，則要以材料的屈服強度（屈服點）作為設計和選材的主要依據(jù)。塑性差的材料（脆性材料）一般不產生縮頸，其抗拉強度就是斷裂強度。在這種情況下，抗拉強度是設計的主要依據(jù)。條件屈服強度的測定方法㈢剛度材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。指標為彈性模量E。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。㈣塑性指標材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為：伸長率：斷面收縮率：通過塑性變形所伴隨的硬化過程可使材料強度獲得提高，所以塑性變形是改善金屬材料性能的一個重要手段。另一方面，材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂。說明：①

用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。②

直徑d0相同時，L0，。只有當L0/d0

為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當L0=10d0

時，伸長率用

表示；當L0=5d0

時，伸長率用5

表示。顯然5>。③

>

時，無頸縮，為脆性材料表征；

<

時，有頸縮，為塑性材料表征。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象二、硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。布氏硬度壓痕如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。布氏硬度的缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適用范圍：適于測量退火、正火、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關系：

對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)洛氏硬度HRHR=（k-h）/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。洛氏硬度實驗原理圖

洛氏硬度計符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。顯微維氏硬度計小負荷維氏硬度計三、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。沖擊試驗原理圖沖擊試樣沖斷后的沖擊試樣——韌性斷裂沖斷后的沖擊試樣——脆性斷裂試樣上開缺口的目的是：在缺口附近造成應力集中，使塑性變形局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生破斷，以便正確測定材料承受沖擊載荷的能力。同一種材料，試樣缺口越深、越尖銳，沖擊功越小，材料表現(xiàn)脆性越顯著。因此，不同類型的沖擊試樣，沖擊韌性值不能直接比較。沖擊韌性指標：韌脆轉變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。沖擊韌性-溫度曲線

對于承受大能量沖擊一次或次數(shù)不多而破壞的構件，αk值可作為材料的沖擊抗力指標。但在實際生產中，機件很少是因一次大能量沖擊而損毀，大多數(shù)是在小能量多次沖擊載荷（如鑿巖機風鎬上的活塞、沖模的沖頭等）下工作的，在這種情況，不能再以αk值作為選材和設計的依據(jù)，應進行小能量多次沖擊試驗。多次沖擊抗力指標一般是以被測材料在一定沖擊功作用下，開始出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖擊次數(shù)來表示的。小能量多次彎曲試驗示意圖四、金屬的疲勞疲勞現(xiàn)象：構件在交變應力作用下經(jīng)過較長時間的工作，在工作應力遠小于屈服強度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱作金屬的疲勞。交變應力：是指載荷的大小或大小和方向都隨時間發(fā)生周期性變化的一類載荷。疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，無論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料，在疲勞斷裂時都不產生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。疲勞強度：材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。疲勞強度可由疲勞曲線獲得。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞曲線：在交變載荷下，金屬承受的交變應力和斷裂循環(huán)周次之間的關系，通常用疲勞曲線來描述。金屬所受的最大交變應力σmax愈大，則斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)周次N（疲勞壽命）愈少；反之，σmax愈小，則N愈大。

疲勞曲線疲勞斷口通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）第二節(jié)金屬的物理化學性能一、金屬的物理性能密度：單位體積物質的質量稱為該物質的密度。密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及其合金；密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。熔點：熔點是指材料的熔化溫度。陶瓷的熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點，而高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點。熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。選用金屬材料時應考慮溫度對零件或構件尺寸和形狀的影響。如軸與軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時也要考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。磁性：金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能稱為磁性。鐵磁性材料——在外加磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等。順磁性材料——在外加磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等?？勾判圆牧稀芸咕芑驕p弱外加磁場磁化作用的金屬，如銅、鋅等。導熱性：材料傳導熱量的性能稱為導熱性。導熱性好的材料（如銅、鋁及其合金）常用來制造熱交換器等傳熱設備的零件。導熱性差的材料（如陶瓷、木材）常用來制造絕熱材料。導電性：金屬能夠傳導電流的性能稱為導電性。電阻率越小，金屬材料的導電性越好。電阻率小的金屬（如純銅、純鋁）適于制造導電零件和電線；電阻率大的金屬（如鎢、鐵、鉻）適于制造電熱元件。二、金屬的化學性能耐腐蝕性：金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其他化學介質腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。腐蝕不僅會使結構發(fā)生破壞，也會降低產品的使用壽命?？寡趸裕航饘俨牧显诩訜釙r抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，如鋼材在鍛造、熱處理等熱加工時，氧化比較嚴重。氧化不僅造成材料過量的損耗，也會形成各種缺陷。第三節(jié)金屬的工藝性能焊接性能：焊接性能是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。好的焊接接頭應滿足兩點：一是無超出技術要求的焊接缺陷；二是焊接接頭滿足預定的使用性能的要求。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。鍛造性能：金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞取決于材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，材料的鍛造性能越好。如黃銅、變形鋁合金在室溫下就有良好的鍛造性能，碳鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能良好，鑄鐵則不能鍛造。鑄造性能：金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全逐漸的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動性、吸氣性、收縮性和偏析性等。在金屬材料中鑄鐵和青銅具有良好的鑄造性能。切削加工