第一單元 金屬材料的性能

第二章金屬材料的性能項(xiàng)目1金屬材料的分類(lèi) 項(xiàng)目2金屬材料的力學(xué)性能項(xiàng)目3金屬物理、化學(xué)和工藝性能 項(xiàng)目1金屬材料的分類(lèi)一、材料的定義二、材料的發(fā)展史三、材料的分類(lèi)人類(lèi)認(rèn)識(shí)和使用材料的各個(gè)階段石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代鋼鐵時(shí)代人工合成材料時(shí)代

金屬——由單一元素構(gòu)成的具有特殊的光澤、延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性的物質(zhì)，如金、銀、銅、鐵、錳、鋅、鋁等。合金——由一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過(guò)熔煉或其他方法合成的具有金屬特性的材料。金屬材料——金屬及其合金的總稱，即指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的，并具有金屬特性的物質(zhì)。課程主要內(nèi)容：1．金屬材料的基本知識(shí)2．金屬的性能3．金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)4．金屬材料及其應(yīng)用5．熱處理的基本知識(shí)1．金屬材料的基本知識(shí)

主要介紹金屬的晶體結(jié)構(gòu)及變形的相關(guān)知識(shí)。2．金屬的性能主要介紹金屬的力學(xué)性能和工藝性能。3．金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

主要介紹鐵碳合金的組織及鐵碳合金相圖。4．金屬材料及其應(yīng)用

主要介紹碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及硬質(zhì)合金等金屬材料的常用牌號(hào)、成分、組織、性能及用途，并介紹了國(guó)外常用金屬材料的牌號(hào)和新型工程材料的相關(guān)知識(shí)。5．熱處理的基本知識(shí)

主要介紹熱處理的原理（鋼在加熱、保溫、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變）、熱處理的工藝（退火、正火、淬火、回火、表面熱處理等）及常用材料的典型熱處理工藝。項(xiàng)目2金屬材料的力學(xué)性能一、與變形相關(guān)的幾個(gè)概念二、金屬的變形三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化四、強(qiáng)度五、塑性六、硬度七、沖擊韌性八、疲勞強(qiáng)度一、與變形相關(guān)的幾個(gè)概念

（1）靜載荷———大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。

（2）沖擊載荷——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——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。1．載荷

載荷——金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同分：

內(nèi)力——工件或材料在受到外部載荷作用時(shí)，為保持其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對(duì)抗的力，稱為。2．內(nèi)力

應(yīng)力——假設(shè)作用在零件橫截面上的內(nèi)力大小均勻分布，單位橫截面積上的內(nèi)力。3．應(yīng)力R：應(yīng)力，Pa；F：外力，N；S：橫截面面積，m2。二、金屬的變形彈性變形彈－塑性變形斷裂金屬塑性變形的影響因素：1．晶粒位向的影響2．晶界的作用3．晶粒大小的影響

三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化

形變強(qiáng)化（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，使其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降。塑性變形后的金屬組織

金屬的塑性變形，在外形變化的同時(shí)，晶粒的形狀也會(huì)發(fā)生變化。通常晶粒會(huì)沿變形方向壓扁或拉長(zhǎng)。四、強(qiáng)度

強(qiáng)度——金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。其大小用應(yīng)力表示。

抗拉強(qiáng)度——拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度

1．拉伸試樣

d——試樣直徑

Lo——標(biāo)距長(zhǎng)度2．力－伸長(zhǎng)曲線

彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段灰鑄鐵的拉伸曲線3．強(qiáng)度指標(biāo)

（1）屈服強(qiáng)度——當(dāng)金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL。ReL——試樣的下屈服強(qiáng)度，N/mm2；FeL——試樣屈服時(shí)的最小載荷，N；So——試樣原始橫截面面積，mm2。

規(guī)定產(chǎn)生0.2

殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力為條件屈服強(qiáng)度Rp0.2，替代ReL，稱為條件（名義）屈服強(qiáng)度。2．抗拉強(qiáng)度Rm

抗拉強(qiáng)度——材料在斷裂前所能承受的最大的應(yīng)力。Rm——抗拉強(qiáng)度，MPa；

Fm——試樣在屈服階段后所能抵抗的最大力（無(wú)明顯屈服的材料，為試驗(yàn)期間的最大力），N；

So——試樣原始橫截面面積，mm2

。五、塑性塑性——材料受力后在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率A

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．?dāng)嗝媸湛s率Z

試樣拉斷后，縮頸處面積變化量與原始橫截面面積比值的百分率。六、硬度

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。硬度是通過(guò)在專(zhuān)用的硬度試驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。布氏硬度試驗(yàn)機(jī)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來(lái)表示，單位為MPa，但一般均不標(biāo)出，用符號(hào)HBW表示：表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符號(hào)、壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力及實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為10～15s時(shí)可不標(biāo)。例：170HBW10/1000/30：直徑10mm的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗(yàn)力作用下，保持30s時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20：直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實(shí)驗(yàn)力作用下，保持20s時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為600。應(yīng)用范圍：

主要用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。2．洛氏硬度

洛氏硬度計(jì)表盤(pán)HR=100—洛氏硬度試驗(yàn)過(guò)程示意圖表示方法：

符號(hào)HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標(biāo)尺。

例：45HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為45。常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍

硬度標(biāo)尺壓頭類(lèi)型總測(cè)試力(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRC120°金剛石圓錐體1471.020～67HRC一般淬火鋼HRBφ1.5875mm

硬質(zhì)合金球980.725～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRA120°金剛石圓錐體588.460～85HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等七、沖擊韌性

沖擊韌性——金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。沖擊試樣

用試樣所吸收的能量K的大小來(lái)作為衡量材料韌性好壞的指標(biāo)，稱為沖擊吸收能量。用U形和V形缺口試樣測(cè)得的沖擊吸收能量分別用KU和KV表示。

八、疲勞強(qiáng)度

由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應(yīng)力雖低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，仍會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂。金屬這樣的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。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。疲勞極限用符號(hào)R－1表示。項(xiàng)目3金屬物理、化學(xué)和工藝性能金屬材料的一般加工過(guò)程

金屬材料的工藝性能——金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。冶煉→鑄造鑄件鑄錠熱鍛熱軋→焊接機(jī)加工冷軋、冷拔、冷沖板料、棒材、型材、管材機(jī)加工機(jī)加工零件一、鑄造性能二、鍛壓性能三、焊接性能四、切削加工性能五、熱處理性能一、鑄造性能

鑄造成形過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力，主要取決于金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。

1．流動(dòng)性熔融金屬的流動(dòng)能力。

2．收縮性鑄造合金由液態(tài)凝固和冷卻至室溫的過(guò)程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。

3．偏析傾向金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織不均勻現(xiàn)象。二、鍛壓性能

用鍛壓成形方法得優(yōu)良鍛件的難易程度。常用塑性和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合衡量。三、焊接性能

金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定焊接工藝條件下，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）。四、切