第一章金屬的性能

楚雄技師學(xué)院金屬工藝學(xué)（多媒體課件）楊潤美模塊一金屬學(xué)基礎(chǔ)知識材料分類復(fù)合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第一章金屬的性能重點(diǎn)：難點(diǎn)：內(nèi)容：物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、工藝性能各性能指標(biāo)的物理意義和測定方法金屬材料的力學(xué)性能金屬的概念金屬：由單一元素構(gòu)成的具有特殊光澤、不透明、富有延展性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的物質(zhì)。合金：由一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素熔煉而成的具有金屬特性的材料。金屬材料：金屬及其合金的總稱。碳素結(jié)構(gòu)鋼球墨鑄鐵純銅變相鋁合金白銅錫基軸承合金合金工具鋼鑄造碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼純鋁特殊性能鋼鑄造合金鋼碳素工具鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵黃銅青銅鋁基軸承合金鉛基軸承合金鑄造鋁合金黑色金屬有色金屬碳素鋼鑄鐵合金鋼銅及其合金鋁及其合金軸承合金鈦及其合金金屬金屬材料的性能使用性能工藝性能

物理性能化學(xué)性能

力學(xué)性能

熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能

1.1金屬的物理性能和化學(xué)性能

一、金屬的物理性能金屬的物理性能：指金屬固有的屬性。（包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和磁性。）1、密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為密度。ρ=m/V（kg/m3）輕金屬ρ≤5×103kg/m3（鋁2.7；鈦4.5）重金屬ρ≥5×103kg/m3（鐵7.8；銅8.96）2、熔點(diǎn)：金屬或合金從固態(tài)向態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度。易熔金屬T≤700℃(鋁660℃；錫232℃）難熔金屬T≥700（銀961℃；銅：1083℃；鎢3380℃；鐵1538℃；錳1244℃）熔點(diǎn)影響著金屬的工藝性能和使用性能。3、導(dǎo)熱性能：金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能。是通過導(dǎo)熱率來衡量，用λ來表示，單位是W/m·K。導(dǎo)熱性好的材料，散熱也好；導(dǎo)熱性影響著金屬材料的工藝性能4、導(dǎo)電性：金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。用電阻率來衡量，單位是Ω·cm，電阻率越小，金屬的導(dǎo)電性越好。（金屬的導(dǎo)電性是銀最好，銅、鋁次之，純金屬的導(dǎo)電性比合金的導(dǎo)電性好）5、熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。一般來說，金屬受熱時膨脹而體積增大，冷卻時收縮而體積縮?。?、磁性：金屬材料在磁場中受到磁化的性能。（根據(jù)金屬的磁性不同，可分為鐵磁性材料（如鐵、鈷、鎳）、順磁性材料（如錳、鉻、鉬）、抗磁性材料（如銅、鋅、銀）居里點(diǎn)：又作居里溫度或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵磁體從鐵磁相轉(zhuǎn)變成順磁相的相變溫度。低于居里點(diǎn)溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，具有磁性；當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時，該物質(zhì)成為順磁體（磁性消失）。利用這個特點(diǎn)，人們開發(fā)出了很多控制元件.例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。

二、金屬的化學(xué)性能

1、耐腐蝕性：金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。2、抗氧化性：金屬材料加熱時抵抗氧化作用的能力。金屬材料隨著溫度的升高而加速。3、化學(xué)穩(wěn)定性：金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。1.2金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能：指金屬在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞強(qiáng)度。力學(xué)性能是設(shè)計(jì)、制造中選用金屬材料的主要依據(jù)。載荷載荷：材料所受的外力。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同分為：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷靜載荷：大小不變或變動很慢的載荷沖擊載荷：突然增加的載荷交變載荷：周期性或非周期性的動載荷。（也稱循環(huán)載荷）根據(jù)作用的方式不同分為：拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。變形與應(yīng)力變形：金屬材料受不同載荷作用而發(fā)生的幾何形狀和尺寸的變化稱為變形。變形可分為彈性變形和塑性變形

彈性變形：外力去除后能恢復(fù)原形的變形。

塑性變形：外力去除后不能恢復(fù)原形的變形。內(nèi)力：金屬材料受外力作用后，為保持其不變形，在材料內(nèi)部作用著與外力相對抗的力，稱為內(nèi)力。應(yīng)力：單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。σ=F/S一、強(qiáng)度與塑性拉伸過程經(jīng)歷四個階段：1.

彈性變形（OS）Oe段：直線階段，完全彈性變形eS段：極微量塑性變形彈性變形：去除外力后能完全恢復(fù)到原來的形狀。塑性變形：外力消除后仍存在的永久變形2．屈服（s點(diǎn)）3．均勻塑性變形階段：（sb）4．縮頸（bk）-局部集中塑性變形

應(yīng)力:σ=F/A0

（MPa）應(yīng)變:ε=△L/L0

強(qiáng)度:是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。強(qiáng)度衡量指標(biāo)：屈服強(qiáng)度σs：材料開始明顯塑性變形的抗力，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。σs=Fs/A

0

彈性極限σe：材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。

σe=Fe/A0（一）強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度σb：金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。

σb=Fb/A0

注：中、高碳鋼和其他脆性金屬材料無明顯屈服現(xiàn)象，國家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力來表示屈服強(qiáng)度，即：σ0.2=F0.2/A0

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評定金屬材料時有重要意義。機(jī)械零件多σs以作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對于脆性材料在強(qiáng)度計(jì)算時，則以σb為依據(jù)。（二）塑性塑性:是指金屬產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。衡量指標(biāo)：(1)伸長率δ

δ=（L1-L0）/L0×100%

式中：

L0—試樣原標(biāo)距的長度（mm）

L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）

(2)斷面收縮率φ

斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對收縮值。

φ=（A0-A1）/A0×100%

式中：A0—試樣的原始截面積（mm2）

A1—試樣斷面處的最小截面積（mm2）

δ和φ愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。練習(xí)題一拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標(biāo)距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MP δ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。二、硬度硬度：指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。硬度測定方法：壓入法金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。1、布氏硬度式中：F—試驗(yàn)力，N；D—壓頭的直徑,mm

HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測出的硬度值。布氏硬度試驗(yàn)原理圖

適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑（mm2）試驗(yàn)力保持時間（s）試驗(yàn)力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標(biāo)度（HRA,HRB,HRC），能夠測試從軟到硬各種硬度的材料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測硬度很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002當(dāng)硬度在200~600HB,HRC≈1/10HB硬度一般不標(biāo)單位，如200HB,55HRC2．洛氏硬度(HR)（以壓痕深度表示）硬度符號壓頭類型載荷F/kg硬度有效范圍使用范圍HRA金剛石圓錐體6070～85適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球10025～100（相當(dāng)60～230HB）適用于測量非鐵金屬退火、退火等HRC金剛石圓錐體15020～67(相當(dāng)HB230～700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍表示方法：布氏硬度與洛氏硬度的特點(diǎn)比較

布氏硬度的特點(diǎn)：

布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗(yàn)太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。

由于壓痕較大，成品檢驗(yàn)也有困難。

通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼洛氏硬度的特點(diǎn)：

洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。三、沖擊韌度（ak）

沖擊韌度：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。試驗(yàn)表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。韌性的變化規(guī)律：隨著加載的速度提高、溫度的降低，應(yīng)力集中程度的加劇而減小。是抗沖擊的能力，它與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。夏比沖擊試驗(yàn)

式中：Ak—折斷試樣所消耗的沖擊功（J）

A—試樣斷口處的原始截面積（cm2）

對于脆性材料試樣一般不開缺口沖擊韌度αK=AK/A

（四）疲勞極限交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時間周期變化的應(yīng)力。材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點(diǎn)σs。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中——微裂紋——擴(kuò)展——斷裂破壞。

疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值σmax與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關(guān)系。實(shí)際的疲勞強(qiáng)度值，規(guī)定鋼