活動一金屬材料的性能

1、w應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中的材料，如在機械工業(yè)中，建應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中的材料，如在機械工業(yè)中，建筑及橋梁中，等等，筑及橋梁中，等等，統(tǒng)稱為工程材料。統(tǒng)稱為工程材料。w其中用來制造各種機電產(chǎn)品的材料，其中用來制造各種機電產(chǎn)品的材料，稱為機械工稱為機械工程材料，程材料， 主要包括：主要包括： 1）金屬材料：鋼，鑄鐵，銅及銅合金，等等。）金屬材料：鋼，鑄鐵，銅及銅合金，等等。 2）非金屬材料：塑料，橡膠，工業(yè)陶瓷，等等。）非金屬材料：塑料，橡膠，工業(yè)陶瓷，等等。 3）復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料復(fù)）復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料復(fù)合而成的多合而成的多相相材料。材料。w金屬材料是制

2、造機器的最主要材料。金屬材料是制造機器的最主要材料。 1、金屬材料按含金屬元素數(shù)量的多少分為：、金屬材料按含金屬元素數(shù)量的多少分為： 1）純金屬）純金屬(一種金屬一種金屬). 2）合金（以一種金屬為基）合金（以一種金屬為基+其他金屬或非金屬）其他金屬或非金屬） 模塊三 金屬材料及熱處理基礎(chǔ)知識2、 金屬材料按是否含金屬材料按是否含F(xiàn)e元素分為：元素分為： 1）黑色金屬：鐵族材料，指）黑色金屬：鐵族材料，指Fe及以及以Fe為基的合金。為基的合金。 鋼：碳鋼，合金鋼，特殊性能鋼等。鋼：碳鋼，合金鋼，特殊性能鋼等。 鑄鐵：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，蠕墨鑄鐵等鑄鐵：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，蠕墨鑄

3、鐵等。 2）有色金屬：非鐵族材料，指黑色金屬以外的所有）有色金屬：非鐵族材料，指黑色金屬以外的所有金屬及合金。金屬及合金。 銅及銅合金。銅及銅合金。 鋁及鋁合金，等等。鋁及鋁合金，等等。 3）粉末金材料）粉末金材料 w在機械制造中應(yīng)用的金屬以黑色金屬為主，占在機械制造中應(yīng)用的金屬以黑色金屬為主，占90%以以上。上。那么，為什么金屬材料或者黑色金屬材料是用來制造機器的最主要材料？這是因為： 其具有優(yōu)良的機械性能（力學(xué)性能）、工藝性能，并具較好的物理性能及化學(xué)穩(wěn)定性。那么，什么是金屬材料的機械性能（力學(xué)性能）？什么是金屬材料的工藝性能？什么是金屬材料的物理性能及化學(xué)性能？ 金屬材料的性能金屬材料的

4、性能 材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能切削性能力學(xué)性能力學(xué)性能定義定義 : 是指金屬材料在外力（載荷是指金屬材料在外力（載荷或負載）的作用下所表現(xiàn)出來的或負載）的作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。抵抗能力。 力 學(xué) 性 能強度硬度斷裂韌度疲勞主要指標：主要指標：塑性韌性 力 學(xué) 性 能強度 力 學(xué) 性 能塑性強度 力 學(xué) 性 能硬度塑性強度 力 學(xué) 性 能韌性硬度塑性強度 力 學(xué) 性 能斷裂韌度韌性硬度塑性強度 力 學(xué) 性 能疲勞斷裂韌度韌性硬度塑性強度 力 學(xué) 性 能疲勞斷裂韌度疲勞韌性斷裂韌度疲勞硬度韌性斷裂韌度疲勞塑性硬度韌性斷裂韌度

5、疲勞強度塑性硬度韌性斷裂韌度疲勞強度塑性硬度韌性疲勞 力 學(xué) 性 能強度塑性硬度韌性斷裂韌疲勞主要指標：主要指標： 力 學(xué) 性 能強度塑性硬度韌性斷裂韌疲勞w強度強度w塑性塑性拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗機拉伸試驗機液壓式萬能電子材料試驗機* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0彈性變形階段塑性變形階段頸縮現(xiàn)象至斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象低碳鋼拉伸過程變化的三個階段：力力伸長曲線伸長曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形塑性變形塑性變形: :外力外力去除后不能消失去除后不能消失的變形的變形拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸

6、縮現(xiàn)象彈性與塑性彈性與塑性w彈性 金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去掉后能回復(fù)其原來形狀的性能，叫做彈性。w彈性變形 隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。w塑性 金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能叫做塑性。w塑性變形 在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形。彈性彈性( elasticity ):金屬材料受外力作金屬材料受外力作 用時產(chǎn)生變形用時產(chǎn)生變形,當外力去掉后能恢復(fù)當外力去掉后能恢復(fù) 到原來形狀及尺寸的性能。到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。

7、 彈性極限彈性極限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)強度強度(strength): 材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。 種類種類: 抗拉強度、抗拉強度、 抗壓強度、抗壓強度、 抗彎強抗彎強 度度 、 抗剪強度抗剪強度 、 抗扭強度等?？古姸鹊取?(2)屈服強度屈服強度( yield strength): 屈服點屈服點 S 屈服極限屈服極限 Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N )試樣試樣原始

8、橫截面積原始橫截面積( mm2) 1.屈服強度（屈服極限、屈服點）： 當載荷增達到s點時，拉伸曲線出現(xiàn)了平臺，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但塑性變形不斷增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。 屈服點是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。用s表示。 計算公式:s=FsS0應(yīng)用：制作機械零件和工程構(gòu)件時的選材和設(shè)計的依據(jù)。 （2）條件屈服強度）條件屈服強度0.2 有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。為了衡量這些材料的屈服特性,規(guī)定產(chǎn)生永久殘余變形等于一定值(一般為原長度的0.2%)時的應(yīng)力,稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度0.2 。 脆性材料拉伸試驗的屈服點：試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到

9、試樣標距長度的0.2%時的應(yīng)力，用符號0.2表示。FsS0s= 應(yīng)用：s和0.2常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。脆性材料的屈服點LF0F0.20.2%L0F0.2S00.2=計算公式:(3)抗拉強度抗拉強度( tensile strength ): 強度極限強度極限 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2) s 、0.2、 b是機械零件和構(gòu)件設(shè)計是機械零件和構(gòu)件設(shè)計與選材的主要依據(jù)與選材的主要依據(jù)塑性塑性(plasticity):是指材料在

10、載荷作用下是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積的收縮量與原始橫截面積S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)斷后伸長率斷后伸長率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量L 1與與原始標距原始標距L 0之比。之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料長試樣：10 簡

11、寫為簡寫為短試樣：5 w同一種材料的5 10 金屬材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量的塑性變形而不破壞，便于通過各種壓力加工獲得復(fù)雜形狀的零件。 塑性好的材料，在受力過大時，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，因此比較安全。硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定義定義： 是指材料抵抗其它更硬物體是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面（局部變形）的能力。壓入其表面（局部變形）的能力。2.2.硬度試驗方法：硬度試驗方法：（1 1）壓入法）壓入法（2 2）劃痕法）劃痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬

12、度洛氏硬度HR HR 維氏硬度維氏硬度HVHV壓入法壓入法( (一一) )布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness)布氏硬度計布氏硬度計 觀看布氏硬度觀看布氏硬度1.1.壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW2.2.試驗原理：試驗原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 選用選用淬火鋼球淬火鋼球壓頭壓頭例如：

13、例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 選用選用硬質(zhì)合金球壓頭壓頭例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.標注：標注： 符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑球體直徑、載荷載荷及及載荷保持時間載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的鋼的鋼球球在在1000kg（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保持保持30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。

14、4. 特點：優(yōu)點：測量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅?，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )觀看洛氏硬度觀看洛氏硬度1.1.壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體鋼球金剛石圓錐體鋼球鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.試驗原理：試驗原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測

15、量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸載卸載140kg h3140kg h3最后測得：最后測得：殘余壓痕深度增量 h hh=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：w7085HRAw25100HRBw2070HRCwHRA 是采用60Kg載荷和鉆石錐壓入器求的硬度，用于硬度極高的材料。例如：硬質(zhì)合金。 wHRB 是采用100Kg載荷和直徑1.588mm淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料。例如：退火

16、鋼、 鑄鐵等。 wHRC 是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火鋼、調(diào)制鋼等HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特點：特點：優(yōu)點優(yōu)點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。缺點缺點：測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。應(yīng)用：( (三三) )維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness )維1.1.壓頭：壓頭： 錐面

17、夾角為錐面夾角為136136的金剛石的金剛石正四棱錐體正四棱錐體2.2.試驗原理：試驗原理： 與布氏硬度試驗原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。 以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2.2.試驗原理：試驗原理：用壓痕兩對角線的平均長度來計算。H V=F/Saad3.3.標注：標注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件試驗力和保持時間（1015S不標）。 例：580HV30表示用30kg(294.2N)試驗力保持1015S測定的維氏硬度值為580。4.4.特點：特點：優(yōu)點優(yōu)點：適用范圍廣，

18、從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。 實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。1.1.定義：定義：沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖2.2.金屬的夏比沖擊試驗金屬的夏

19、比沖擊試驗: :試樣沖斷時所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)g g 沖擊韌度沖擊韌度a ak k 就是試樣缺口處單位截面積上所消就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S03.3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度: :-40-20020204060akT(c)TT，a ak k急劇急劇韌性韌性脆性脆性金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材，材料的低溫沖擊韌性愈好。料的低溫沖擊韌性愈好。1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（