《金屬材料與熱處理（第八版）》- 課件 第二章 金屬材料的性能

第二章金屬材料的性能§2-1金屬材料的損壞與塑性變形機(jī)械零件常見的損壞形式塑性變形也有有益的一面，可以作為零件成形和強(qiáng)化的重要手段。工業(yè)上使用的許多金屬產(chǎn)品一般都是先澆注成鑄錠后，再經(jīng)過壓力加工制成的。壓力加工方法示意圖a)軋制b)擠壓c)冷拔d)鍛壓e)冷沖壓一、與變形相關(guān)的概念載荷根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，載荷可分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷三種。(1)靜載荷指大小不變或變化過程緩慢的載荷。(2)沖擊載荷指在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。(3)交變載荷指大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。根據(jù)載荷作用形式不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等。a)拉伸載荷b)壓縮載荷c)彎曲載荷d)剪切載荷e)扭轉(zhuǎn)載荷2.內(nèi)力工件或材料在受到外部載荷作用時(shí)，為使其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對(duì)抗的力，稱為內(nèi)力。3.應(yīng)力在假設(shè)作用在零件橫截面上的內(nèi)力大小是均勻分布的情況下，采用橫截面單位面積上的內(nèi)力——應(yīng)力來(lái)加以判定。材料受拉伸或壓縮載荷作用時(shí)，其應(yīng)力按下式計(jì)算:二、金屬的變形1.晶粒位向的影響多晶體中各個(gè)晶粒的位向不同，在外力作用下，當(dāng)處于有利于滑移位置的晶粒要進(jìn)行滑移時(shí)，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，使滑移的阻力增加，從而提高了塑性變形的抗力。同時(shí)，多晶體各晶粒在塑性變形時(shí)受到周圍位向不同的晶粒與晶界的影響，使多晶體的塑性變形呈逐步擴(kuò)展和不均勻的形式，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。2.晶界的作用晶界處原子排列比較紊亂，阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，因而阻礙了滑移。很顯然，晶界越多，則晶體的塑性變形抗力越大。3.晶粒大小的影響在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒的數(shù)目越多，晶界就越多，晶粒就越細(xì)，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。細(xì)晶粒的多晶體不僅強(qiáng)度較高，而且塑性和韌性也較好，故生產(chǎn)中總是盡可能地細(xì)化晶粒。三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化冷塑性變形除了使晶粒的外形發(fā)生變化外，還會(huì)使晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加，晶格畸變加劇，從而使金屬隨著變形量的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化或加工硬化。塑性變形后的金屬組織§2-2金屬材料的力學(xué)性能一、強(qiáng)度金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)機(jī)1.拉伸試樣拉伸試樣的截面可以為圓形、矩形、多邊形等，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))中規(guī)定了試樣的形狀、尺寸及加工要求等。圓形拉伸試樣a)拉伸前b)拉伸后2.力—伸長(zhǎng)曲線拉伸試驗(yàn)中，依據(jù)拉力F與伸長(zhǎng)量ΔL之間的關(guān)系在直角坐標(biāo)系中繪出的曲線，稱為力—伸長(zhǎng)曲線。低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線3.強(qiáng)度指標(biāo)(1)屈服強(qiáng)度

屈服強(qiáng)度是當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，材料發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。(2)抗拉強(qiáng)度Rm材料在斷裂前所能承受的最大力的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。二、塑性材料受力后在斷裂之前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。1.斷后伸長(zhǎng)率A斷后伸長(zhǎng)率是試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比的百分率。2.斷面收縮率Z斷面收縮率是試樣拉斷后，頸縮處面積變化量與原始橫截面面積之比的百分率。三、硬度材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度越高，材料的耐磨性越好。通常，硬度是通過在專用的硬度試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)測(cè)得的。硬度計(jì)a)布氏硬度計(jì)b)洛氏硬度計(jì)c)維氏硬度計(jì)1.布氏硬度(1)布氏硬度的測(cè)試原理布氏硬度的測(cè)試原理(2)布氏硬度的表示方法布氏硬度用硬度值、硬度符號(hào)、壓頭直徑、試驗(yàn)力及保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為10~15s時(shí)可不標(biāo)。(3)布氏硬度的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度試驗(yàn)的壓痕直徑較大，能較準(zhǔn)確地反映材料的平均性能。由于強(qiáng)度和硬度間有一定的近似比例關(guān)系，因而在生產(chǎn)中較為常用。但由于測(cè)壓痕直徑費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不適于測(cè)高硬度材料，壓痕較大，所以只適宜對(duì)毛坯和半成品進(jìn)行測(cè)試，而不宜對(duì)成品及薄壁零件進(jìn)行測(cè)試。2.洛氏硬度(1)洛氏硬度的測(cè)試原理常用的洛氏硬度標(biāo)尺有A、B、C三種，其中C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍洛氏硬度的測(cè)試原理(2)洛氏硬度的表示方法符號(hào)HR前面的數(shù)字表示硬度值，后面的字母表示不同洛氏硬度標(biāo)尺。(3)洛氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、迅速，可直接從表盤上讀出硬度值;壓痕直徑很小，可以測(cè)量成品及較薄工件;測(cè)試的硬度值范圍較大，可測(cè)從很軟到很硬的金屬材料，所以在生產(chǎn)中廣為應(yīng)用，其中HRC的應(yīng)用尤為廣泛。但由于壓痕小，當(dāng)材料組織不均勻時(shí)，測(cè)量值的代表性差，一般需在不同的部位測(cè)試幾次，取讀數(shù)的平均值代表材料的硬度。四、沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣a)U型缺口沖擊試樣b)v型缺口沖擊試樣c)無(wú)缺口沖擊試樣*五、疲勞強(qiáng)度金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞的能力稱為疲勞強(qiáng)度。將材料制成試樣，對(duì)其施加交變應(yīng)力，觀察交變應(yīng)力R

與試樣斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N

的關(guān)系。如果將交變應(yīng)力R和N的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制成圖，就得到R—N

曲線，也稱為疲勞曲線。交變應(yīng)力疲勞曲線現(xiàn)將本節(jié)介紹的常用的力學(xué)性能指標(biāo)及其含義總結(jié)于表。常用的力學(xué)性能指標(biāo)及其含義§2-3金屬材料的物理性能與化學(xué)性能一、物理性能1.密度密度是指在一定溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。2.熔點(diǎn)熔點(diǎn)是材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，金屬等晶體材料一般具有固定的熔點(diǎn)，而高分子材料等非晶體材料一般沒有固定的熔點(diǎn)。3.導(dǎo)電性傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性，用電阻率來(lái)衡量。4.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來(lái)衡量。5.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，其大小可用線膨脹系數(shù)衡量。6.磁性金屬材料在磁場(chǎng)中被磁化的性能稱為磁性。根據(jù)磁化程度的不同，金屬材料分為:(1)鐵磁性材料(2)順磁性材料(3)抗磁性材料二、化學(xué)性能1.耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。金屬材料的腐蝕2.高溫抗氧化性在高溫下金屬材料易與氧結(jié)合，形成氧化皮，造成金屬的損耗和浪費(fèi)，因此高溫下使用的零件，要求材料具有高溫抗氧化的能力。§2-4金屬材料的工藝性能金屬材料的一般加工過程金屬材料的工藝性能是金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。一、鑄造性能鑄造性能是鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部無(wú)明顯缺陷鑄件的能力。鑄造成形過程1.流動(dòng)性熔融金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性。2.收縮性鑄造合金由液態(tài)凝固和冷卻至室溫的過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性，其大小可用收縮率衡量。3.偏析傾向金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。二、鍛壓性能用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛壓性能?；瘜W(xué)成分會(huì)影響金屬的鍛壓性能，純金屬的鍛壓性能優(yōu)于一般合金。鐵碳合金中，含碳量(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù))越低，鍛壓性能越好;合金鋼中，合金元素的種類和含量越多，鍛壓性能越差，如鋼中的硫會(huì)降低鍛壓性能。金屬組織的形式也會(huì)影響其鍛壓性能。鍛件三、焊接性能焊接性能是金屬材料對(duì)焊接加工)的適應(yīng)性，即在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)碳素鋼和低合金鋼而言，焊接性能主要與其化學(xué)成分有關(guān)(其中碳的影響最大)，如低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼和鑄鐵的焊接性能則較差。焊接加工四、切削加工性能切削材料的難易程度稱為材料的切削加工性能。影響切削加工性能的因素主要有化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導(dǎo)熱性及形變強(qiáng)化等。一般認(rèn)為材料具有適當(dāng)硬度和一定脆性時(shí)，其切削加工性能較好，如灰鑄鐵比鋼的切削加工性能好。切削塑性金屬材料時(shí)，工件在加工表面層的硬度明顯提高而塑性下降的現(xiàn)象稱為表面加工硬化。此時(shí)在加工表面受刀具擠壓產(chǎn)生的塑性變形部分不能恢復(fù)，因而產(chǎn)生的變形抗力較大，表面形變強(qiáng)化。當(dāng)以較小的切削深度再次切削時(shí)，刀具不易切入，并使刀具易磨損，而且在加工表面硬化層常常伴有裂紋，使表面粗糙度值增