金屬材料與熱處理課題七

金屬材料與熱處理課題一

金屬材料的性能學習情境一金屬的力學性能學習情境二金屬的工藝性能學習目標掌握基本金屬材料的力學性能的概念；了解金屬材料力學性能的評價指標和評價方法；了解金屬材料常用加工方法及其工藝性；掌握布氏硬度和洛氏硬度的測定方法。課題一

金屬材料的性能金屬材料由于具有許多良好的性能而被廣泛地用于機械制造和生活用品的生產(chǎn)領(lǐng)域。為了能夠合理地選用金屬材料，

從而設(shè)計、制造出具有競爭力的產(chǎn)品，必須了解和掌握金屬材料的性能。金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，

它包括力學性能、

物理性能、化學性能；工藝性能是指金屬材料在制造加工過程中反映出來的各種性能，如鑄造性能、鍛造性能等。

相關(guān)知識課題一

金屬材料的性能金屬的力學性能是指金屬在力的作用下所顯示的與彈性和非彈性反應相關(guān)或涉及應力應變關(guān)系的性能。彈性是指物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當外力卸除后物體又恢復到其原始形狀和尺寸的特性。應力是指物體受外力作用后所導致物體內(nèi)部之間相互作用的力(稱為內(nèi)力)與截面積的比值。應變是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化，通常以百分數(shù)(%)表示。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能金屬的力學性能是設(shè)計和制造機械零件或工具的主要依據(jù)，也是評定金屬材料質(zhì)量的重要依據(jù)。選用各種金屬材料除對其成分范圍作規(guī)定外，還要對其力學性能作必要的規(guī)定。制造各類構(gòu)件的金屬材料都必須達到規(guī)定的性能指標。因此，熟悉和掌握金屬的力學性能是非常重要的。金屬受力的性質(zhì)不同，將表現(xiàn)出各種不同的反應，顯示出各種不同的力學性能。金屬的力學性能主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。載荷根據(jù)作用性質(zhì)的不同，可以分為靜載荷、沖擊載荷及循環(huán)載荷等。靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等形式，所以強度也分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度等。一般情況下多以抗拉強度作為判別金屬強度高低的依據(jù)。學習情境一金屬的力學性能

一、強度學習情境一金屬的力學性能金屬的抗拉強度和塑性是通過拉伸實驗測定的。拉伸實驗的方法是將一定形狀和尺寸的被測金屬試樣裝夾在拉伸實驗機上，緩慢施加軸向拉伸載荷，同時連續(xù)測量拉伸力和相應的伸長量直至試樣斷裂，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，即可計算出有關(guān)的力學性能。學習情境一金屬的力學性能拉伸試樣1.在國家標準中，對拉伸試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定，通常采用圓柱形拉伸試樣，如圖1-1所示。圖1-1圓柱形拉伸試樣學習情境一金屬的力學性能圖中d0為標準試樣的原始直徑；l0為標準試樣的原始標距長度。根據(jù)標距長度與直徑之間的關(guān)系，拉伸試樣可分為長試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）兩種。學習情境一金屬的力學性能力-伸長曲線2.力-伸長曲線是指拉伸實驗中記錄的拉伸力F與試樣伸長量Δl之間的關(guān)系曲線，一般由拉伸實驗機自動繪出。圖1-2所示為低碳鋼試樣的力-伸長曲線，圖中縱坐標表示力F，單位為N；橫坐標表示試樣伸長量Δl，單位為mm。學習情境一金屬的力學性能圖1-2低碳鋼試樣的力-伸長曲線學習情境一金屬的力學性能觀察力-伸長曲線，明顯地表現(xiàn)出下面幾個變形階段:（1）Oe——彈性變形階段。在力伸長曲線圖中，Oe段為一斜直線，說明在該階段試樣的伸長量Δl與拉伸力F之間成正比例關(guān)系。當拉伸力F增加時，試樣的伸長量Δl隨之增加，去除拉伸力后試樣完全恢復到原始的形狀及尺寸，表現(xiàn)為彈性變形。Fe為試樣保持完全彈性變形的最大拉伸力。（2）es——屈服階段。當拉伸力不斷增加，超過Fe再卸載時，彈性變形消失，一部分變形被保留下來，即試樣不能恢復到原來的形狀及尺寸，這種不能隨拉伸力的去除而消失的變形稱為塑性變形。當拉伸力繼續(xù)增加到Fs時，力-伸長曲線出現(xiàn)平臺，說明在拉伸力基本不變的情況下，試樣的伸長量繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。Fs稱為屈服拉伸力。學習情境一金屬的力學性能（3）sb——冷變形強化階段。屈服后，試樣開始出現(xiàn)明顯的塑性變形。隨著塑性變形量的增加，試樣抵抗變形的能力逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化。在力伸長曲線上表現(xiàn)為一段上升曲線，該階段試樣的變形是均勻發(fā)生的。Fb為試樣拉斷前能承受的最大拉伸力。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能（4）bk——縮頸與斷裂階段。當拉伸力達到Fb時，試樣上某個部位的截面發(fā)生局部收縮，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。由于縮頸使試樣局部截面減小，試樣變形所需的拉伸力也隨之降低，這時變形主要集中在縮頸部位，最終試樣被拉斷?？s頸現(xiàn)象在力-伸長曲線上表現(xiàn)為一段下降的曲線。工程上使用的金屬材料，大多沒有明顯的屈服現(xiàn)象。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，如高碳鋼、鑄鐵等。圖1-3所示為鑄鐵的力-伸長曲線。學習情境一金屬的力學性能圖1-3鑄鐵的力-伸長曲線學習情境一金屬的力學性能強度指標3.（1）屈服點。在拉伸實驗過程中，拉伸力保持不變，試樣仍然能繼續(xù)伸長（變形）時的應力稱為屈服點，用符號σs表示，單位為MPa。計算公式為式中，F(xiàn)s為試樣屈服時所承受的拉伸力，N；S0為試樣原始橫截面積，mm2。學習情境一金屬的力學性能（2）抗拉強度。試樣在拉斷前所承受的最大應力稱為抗拉強度，用符號σb表示，單位為MPa。計算公式為式中，F(xiàn)b為試樣拉斷前所承受的最大拉伸力，N；S0為試樣原始橫截面積，mm2。零件在工作中所承受的應力，不應超過抗拉強度，否則會導致斷裂。σb也是機械零件設(shè)計和選材的依據(jù)，是評定金屬材料性能的重要參數(shù)。學習情境一金屬的力學性能

二、

塑性塑性是指金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用伸長率和斷面收縮率來表示。學習情境一金屬的力學性能伸長率1.試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比稱為伸長率，用符號δ表示。δ值可用下式計算。式中，l1為拉斷試樣對接后測出的標距長度，mm；l0為試樣原始標距長度，mm。必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數(shù)值是不相等的。長試樣和短試樣的伸長率分別用符號δ10和δ5表示，習慣上δ10也寫成δ。學習情境一金屬的力學性能斷面收縮率2.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稱為斷面收縮率。用符號ψ表示。ψ值可用下式計算。式中，S0為試樣原始橫截面積，mm2；S1為試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積，mm2。學習情境一金屬的力學性能金屬材料的伸長率和斷面收縮率數(shù)值越大，說明其塑性越好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進行壓力加工。塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須具有一定的塑性。硬度是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標，是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是各種零件和工具必須具備的力學性能指標。機械制造業(yè)中所用的刀具、量具、模具等都應具備足夠的硬度，才能保證使用性能和使用壽命。有些機械零件如齒輪、曲軸等，也要求具有一定的硬度，以保證足夠的耐磨性和使用壽命。因此，硬度是金屬材料重要的力學性能之一。學習情境一金屬的力學性能

三、硬度硬度是一項綜合力學性能指標，其數(shù)值可以間接地反映金屬的強度及金屬在化學成分、顯微組織和各種加工工藝上的差異。與拉伸實驗相比，硬度實驗簡便易行，而且可以直接在工件上進行實驗，并不破壞工件，因而在生產(chǎn)中被廣泛應用。測試硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度實驗法、洛氏硬度實驗法和維氏硬度實驗法三種。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能（1）測試原理。使用一定直徑的硬質(zhì)合金球，以規(guī)定的實驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，去除實驗力，測量試樣表面的壓痕直徑，然后計算其硬度值，如圖1-4所示。布氏硬度實驗法1.圖1-4布氏硬度實驗原理圖布氏硬度值是指球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力，用符號HBW表示。布氏硬度值可用下式計算。式中，F(xiàn)為實驗力，N；S為球面壓痕表面積，mm2；D為球體直徑，mm；d為壓痕平均直徑，mm。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能從計算公式中可以看出，當實驗力F和壓頭球體直徑D一定時，布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)，因此實驗時只要測量出壓痕直徑d，就可以通過計算或查布氏硬度表得到結(jié)果。一般布氏硬度值不標出單位，只寫明硬度的數(shù)值。布氏硬度實驗時，壓頭球體直徑D、實驗力F和實驗力保持時間，應根據(jù)被測金屬的種類、硬度值范圍及試樣的厚度進行選擇，見表1-1。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能（2）表示方法。布氏硬度的表示方法是，測定的硬度數(shù)值標注在符號HBW的前面，符號后面按球體直徑、實驗力、實驗力保持時間(10~15s不標注)的順序，用相應的數(shù)字表示實驗條件。例如：600HBW1/30/20，表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球在294.2N實驗力的作用下保持20s，測得的布氏硬度值為600；550HBW5/750，表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球在7355N試驗力的作用下保持10~15s，測得的布氏硬度值為550。學習情境一金屬的力學性能（3）適用范圍及優(yōu)缺點。布氏硬度主要適用于測定灰鑄鐵、非鐵金屬及退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材等材料的硬度。布氏硬度實驗時的實驗力大，球體直徑大，因而獲得的壓痕直徑也大，能在較大范圍內(nèi)反映被測金屬的平均硬度，實驗結(jié)果比較準確。但因壓痕較大，所以不宜測量成品件或薄件。學習情境一金屬的力學性能洛氏硬度實驗法2.（1）測試原理。洛氏硬度實驗是用錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初實驗力和主實驗力的先后作用下，壓入試樣的表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除主實驗力，在保留初實驗力的情況下，根據(jù)測量的壓痕深度來計算洛氏硬度值，如圖1-5所示。學習情境一金屬的力學性能圖1-5洛氏硬度實驗原理圖學習情境一金屬的力學性能進行洛氏硬度實驗時，先加初實驗力F0，壓頭壓入試樣表面，深度為h1，目的是消除因試樣表面不平整而造成的誤差。然后再加主實驗力F1，在主實驗力的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主實驗力，保持初實驗力，由于金屬彈性變形的恢復，使壓頭回升到壓痕深度為h3的位置，那么由主實驗力所引起的塑性變形而使壓頭壓入試樣表面的深度e=h3－h(huán)1，稱為殘余壓痕深度增量。學習情境一金屬的力學性能（2）常用洛氏硬度標尺及其適用范圍。由于實驗時選用的壓頭和總實驗力的不同，洛氏硬度的測量尺度也就不同，常用的洛氏硬度標尺有A、B、C三種，其中C標尺應用較為廣泛。三種洛氏硬度標尺的實驗規(guī)范和應用范圍見表1-2。學習情境一金屬的力學性能（3）優(yōu)缺點。洛氏硬度實驗壓痕較小，對試樣表面損傷小，可用來測定成品、半成品或較薄工件的硬度;實驗操作簡便，可直接從刻度盤上讀出硬度值;由于采用不同的硬度標尺，洛氏硬度的測試范圍大，能測量從極軟到極硬各種金屬的硬度。但是，由于壓痕小，當材料的內(nèi)部組織不均勻時，硬度數(shù)值波動較大，不能反映被測金屬的平均硬度。因此，在進行洛氏硬度實驗時，需要在不同部位測試數(shù)次，取其平均值來表示被測金屬的硬度。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能維氏硬度實驗法3.維氏硬度的測試原理如圖1-6所示。將相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭按選定的實驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除實驗力，在試樣表面形成一個正四棱錐形壓痕。測量壓痕兩對角線的平均長度，計算壓痕單位表面積上承受的平均壓力，以此作為被測金屬的硬度值，稱為維氏硬度，用符號HV來表示。維氏硬度可用下式計算。學習情境一金屬的力學性能圖1-6維氏硬度測試原理圖學習情境一金屬的力學性能實驗時，維氏硬度值像布氏硬度值一樣，也可根據(jù)測得的壓痕對角線平均長度，從表中直接查出。維氏硬度實驗所用的實驗力可根據(jù)試樣的大小、厚薄等條件進行選擇，常用實驗力的大小在49.03~980.7N范圍內(nèi)。維氏硬度值的表示方法與布氏硬度相同，硬度數(shù)值寫在符號的前面，實驗條件寫在符號的后面。對于鋼及鑄鐵，當實驗力保持時間為10~15s時，可以不標出。強度、塑性、硬度等力學性能指標是在靜載荷作用下測定的，而許多零件和工具在工作過程中，往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、風動工具等。沖擊載荷是指在短時間內(nèi)以很大速度作用于零件或工具上的載荷。對于承受沖擊載荷作用的零件，除要求具有足夠的靜載荷作用下的力學性能指標外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。學習情境一金屬的力學性能

四、沖擊韌度學習情境一金屬的力學性能金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度。為了測定金屬的沖擊韌度，通常要進行夏比沖擊實驗。學習情境一金屬的力學性能夏比沖擊實驗是在擺錘式?jīng)_擊實驗機上進行的，利用的是能量守恒原理。實驗時，將被測金屬的沖擊試樣放在沖擊實驗機的支座上，缺口應背對擺錘的沖擊方向，如圖1-7所示。將重量為G的擺錘升高到H高度，使其具有一定的勢能GH，然后讓擺錘自由落下，將試樣沖斷，并繼續(xù)向另一方向升高到h高度，此時擺錘具有的剩余勢能為Gh。擺錘沖斷試樣所消耗的勢能即擺錘沖擊試樣所做的功，稱為沖擊吸收功，用符號AK表示。其計算公式為AK=G（H－h(huán)）測試原理1.學習情境一金屬的力學性能圖1-7夏比沖擊實驗原理圖實驗時，AK值可直接從實驗機的刻度盤上讀出。AK值的大小就代表了被測金屬韌性的高低，但習慣上采用沖擊韌度來表示金屬的韌性。沖擊吸收功AK除以試樣缺口處的橫截面積S0，即可得到被測金屬的沖擊韌度，用符號αK表示。其計算公式為式中，αK為沖擊韌度，J/cm2；AK為沖擊吸收功，J；S0為試樣缺口處橫截面積，cm2。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能一般將αK值低的材料稱為脆性材料，αK值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤;韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒有金屬光澤。學習情境一金屬的力學性能為了使夏比沖擊實驗的結(jié)果可以互相比較，沖擊試樣必須按照國家標準制作，如圖1-8所示。常用的沖擊試樣有夏比U形缺口試樣和夏比V形缺口試樣兩種，其相應的沖擊吸收功分別標為AKU和AKV，沖擊韌度則標為αKU和αKV。沖擊試樣1.學習情境一金屬的力學性能圖1-8沖擊試樣學習情境一金屬的力學性能金屬的沖擊吸收功與沖擊實驗時的溫度有關(guān)。同一種金屬材料在一系列不同溫度下的沖擊實驗中，測繪的沖擊吸收功與實驗溫度之間的關(guān)系曲線，稱為沖擊吸收功-溫度曲線，如圖1-9所示。韌脆轉(zhuǎn)變溫度3.圖1-9沖擊吸收功-溫度曲線學習情境一金屬的力學性能多次沖擊試樣4.在實際工作中，承受沖擊載荷作用的零件或工具，經(jīng)過一次沖擊斷裂的情況很少，大多數(shù)情況是在小能量多次沖擊的作用下而破壞的。這種破壞是由于多次沖擊損傷的累積導致裂紋的產(chǎn)生與擴展的結(jié)果，與大能量一次沖擊的破壞過程有本質(zhì)的區(qū)別。對于這樣的零件和工具，已不能用沖擊韌度來衡量其抵抗沖擊載荷的能力，而應采用小能量多次沖擊抗力指標。學習情境一金屬的力學性能小能量多次沖擊實驗的原理如圖1-10所示。在一定的沖擊能量下，試樣在沖錘的多次沖擊下斷裂時，經(jīng)受的沖擊次數(shù)N就代表了金屬抵抗小能量多次沖擊的能力。圖1-10小能量多次沖擊實驗示意圖學習情境一金屬的力學性能實踐證明，沖擊韌度高的金屬材料，小能量多次沖擊抗力不一定高。一般金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主要取決于金屬的塑性;而在小能量多次沖擊的情況下，其沖擊抗力主要取決于金屬的強度。學習情境一金屬的力學性能許多機械零件都是在循環(huán)載荷的作用下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種滾動軸承等。循環(huán)載荷是指大小、方向都隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。承受循環(huán)載荷作用的零件，在工作過程中，常常在工作應力遠低于制作材料的屈服點或屈服強度的情況下仍然會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形預兆，故具有很大的危險性。

五、疲勞強度疲勞現(xiàn)象1.疲勞斷裂是在零件應力集中的局部區(qū)域開始發(fā)生的，這些區(qū)域通常存在著各種缺陷，如劃痕、夾雜、軟點、顯微裂紋等。在循環(huán)載荷的反復作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴展，使零件的有效承載面積不斷減少，最后達到某一臨界尺寸時，突然發(fā)生斷裂。因此，疲勞破壞的宏觀斷口是由疲勞裂紋的策源地及其擴展區(qū)(光滑部分)和最后斷裂區(qū)(粗糙部分)組成的，如圖1-11所示。學習情境一金屬的力學性能學習情境一金屬的力學性能圖1-11疲勞斷口示意圖學習情境一金屬的力學性能疲勞強度2.疲勞斷裂是在循環(huán)應力作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生的。在循環(huán)載荷作用下，金屬所承受的循環(huán)應力σ和斷裂時相應的應力循環(huán)周次數(shù)N之間的關(guān)系，可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-N疲勞曲線，如圖1-12所示。學習情境一金屬的力學性能圖1-12σ-N疲勞曲線學習情境一金屬的力學性能實際上，金屬材料不可能作無數(shù)次循環(huán)應力實驗，一般都是求疲勞極限，即對應于規(guī)定的循環(huán)基數(shù)，試樣不發(fā)生斷裂的最大應力值。對于鐵金屬，一般規(guī)定應力循環(huán)基數(shù)為107周次；對于非鐵金屬，則應力循環(huán)基數(shù)規(guī)定為108周次。金屬的疲勞極限受很多因素的影響，如工作條件、材料成分及組織、零件表面狀態(tài)等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀、降低零件表面粗糙度、采取各種表面強化方法、盡可能減少各種熱處理缺陷等都可以提高零件的疲勞極限。學習情境二金屬的工藝性能工藝性能是指金屬在制造成各種機械零件或工具的過程中，對各種不同加工方法的適應能力，即金屬采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、鍛