第一章金屬材料主要性能x

第一篇金屬材料導(dǎo)論第一章、金屬材料主要性能第二章、金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第三章、鐵碳合金第四章、鋼的熱處理第一章金屬材料主要性能使用性能:力學(xué)物理化學(xué)工藝性能:鑄造鍛造焊接

切削加工熱處理材料---組織---性能▼§1金屬材料機(jī)械性能

外力（靜載、動(dòng)載）

材料-------------性能

（彈性、塑形、剛度、強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性）

是指金屬材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。強(qiáng)度：材料抵抗破壞的能力剛度：材料抵抗變形的能力（E、G）塑性：材料破壞時(shí)，遺留變形的大小伸長(zhǎng)率、斷面收縮率硬度：材料抵抗硬物壓入的能力布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC、維氏硬度HV◆斷裂韌性：材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力◆疲勞極限σ-1:金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用時(shí)不破壞的最大應(yīng)力。影響力學(xué)性能的主要因素

1、含碳量含碳量越高，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性顯著降低。2、雜質(zhì)元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素加入某些合金元素，可提高和改善其綜合力學(xué)性能，并獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能4、溫度一般，低溫條件下強(qiáng)度有所增加，塑性和沖擊韌性下降，高溫條件下相反。5、熱處理工藝?yán)煸囼?yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)◆強(qiáng)度◆塑性液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)*拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0力—伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象一、彈性(elasticity)金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形(elasticdeformation)

隨載荷撤除而消失的變形。彈性極限(elasticlimit)

Fe

彈性極限載荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)力—伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形彈性階段彈性極限p屈服階段屈服點(diǎn)s強(qiáng)度極限b頸縮階段強(qiáng)度(strength)材料在力的作用下抵抗變形和破壞的能力。種類:

抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度

(2)屈服強(qiáng)度(yieldstrength)屈服點(diǎn)S

Fs

σs

=

(Mpa)

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)工業(yè)上使用的某些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸過程中，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服點(diǎn)σs

，按GB/T2228規(guī)定，可用屈服強(qiáng)度σ0.2來表示該材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度為試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力值，即

σ0.2=F0.2/Ao式中F0.2—試樣標(biāo)距產(chǎn)生的0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)載荷（N）；Ao—試樣的原始橫截面積（mm2）。屈服強(qiáng)度的測(cè)定規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力：

r0.2=Fr0.2/S0slF0.20.2%l0o(3)抗拉強(qiáng)度(tensilestrength):

試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。

Fb

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)力學(xué)性能強(qiáng)度硬度韌性斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：塑性塑性(plasticity)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。(1)斷面收縮率(percentagereductioninarea)是指試樣拉斷處橫截面積S1的收縮量與原始橫截面積S0之比。

S0-S1

ψ=×100%S0

(2)斷后伸長(zhǎng)率(延伸率)specificelongation是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L1與原始標(biāo)距L0之比。

L1–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料長(zhǎng)試樣：δ10簡(jiǎn)寫為δ

短試樣：δ5

同一種材料的δ5>δ10硬度(hardness)1.定義：

是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。2.硬度試驗(yàn)方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）回跳法

布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV壓入法(一)布氏硬度

HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

1.壓頭：淬火鋼球HBS硬質(zhì)合金鋼球HBW2.試驗(yàn)原理：

用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。

FFHB=——=————SDh

Dh=———2Dd——–——22

22布氏硬度值450的材料選用淬火鋼球壓頭例如：200HBS350HBS布氏硬度值450～650的材料

選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：550HBW600HBW3.標(biāo)注：如HBS120或在符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)測(cè)量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅?，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用常用于測(cè)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(cè)量成品零件或薄件的硬度。(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)1.壓頭：120o金剛石圓錐體鋼球鋼球HRAHRCHRB2.試驗(yàn)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(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1初載10kgh12-2總載150kgh23-3卸載140kgh3最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：HRA70~85HRB25~100HRC20~70HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如：HRC50<HRA70〤HRB50>HRC40〤3.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕小；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法。可用于成品檢驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測(cè)量組織不均勻材料。應(yīng)用：(三)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)維氏硬度計(jì)錐面夾角為136o的金剛石正四棱錐體1.壓頭：2.試驗(yàn)原理：與布氏硬度試驗(yàn)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(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來計(jì)算。HV=F/Saad3.標(biāo)注：與布氏硬度基本相同，如

HV

580或在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件—試驗(yàn)力和保持時(shí)間（10~15S不標(biāo)）。

例：580HV30表示用30kgf(294.2N)試驗(yàn)力保持10~15S測(cè)定的維氏硬度值為580。4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。韌性(toughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。1.定義：沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.金屬的夏氏沖擊試驗(yàn):試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)g

沖擊韌性αk

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功

AK

α

k=(J/cm2)S03.韌脆轉(zhuǎn)變溫度:-40-20020204060αkT(oc)T↓，αk急劇↓韌性→脆性

金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度↓材料的低溫沖擊韌性愈好斷裂韌度1、低應(yīng)力脆斷有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。式中：Y__裂紋的幾何形狀因子;

σ__外加應(yīng)力（N/mm2）；

a__裂紋的半長(zhǎng)（mm）；

K1__

強(qiáng)度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。K1=Yσa2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。3、斷裂韌性K1C材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌性表示。反應(yīng)材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。K1c可通過試驗(yàn)來測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)常見工程材料的斷裂韌性K1C值（MN·m-3/2）

根據(jù)K1=Yσa≥K1C的臨界判據(jù)知：為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計(jì)者可以控制三個(gè)參數(shù)：材料的斷裂韌性K1C

、名義工作應(yīng)力σ和零件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以解決以下三方面的工程實(shí)際問題：1）根據(jù)零件的實(shí)際工作應(yīng)力σ和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌性K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌性K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力σC，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌性K1C和零件的實(shí)際工作應(yīng)力σ，估算斷裂時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。1、疲勞現(xiàn)象

零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（fatigue）對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件斷裂中有80%是由于疲勞引起。

疲勞曲線與疲勞極限試驗(yàn)證明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力σmax

愈大，則斷裂前所受的循環(huán)周次N（定義為疲勞壽命）愈少，這種交變應(yīng)力σmax

與疲勞壽命N的關(guān)系曲線稱疲勞曲線或S—