《金屬材料與熱處理》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§2－2金屬的力學(xué)性能§2－3金屬材料的物理性能與化學(xué)性能§2－4金屬的工藝性能§2－5力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)§2-1金屬材料的損壞與塑性變形在生產(chǎn)過(guò)程中，許多零件在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生損壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，甚至造成人身事故。想一想：機(jī)械零件損壞的形式有哪些？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(guò)壓力加工制成的。一、與變形相關(guān)的概念載荷——金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力。提問(wèn)：什么是載荷？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(guò)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)載荷載荷的作用形式2.內(nèi)力內(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。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、金屬的變形滑移與位錯(cuò)閱讀材料：滑移小試驗(yàn)對(duì)一個(gè)鋁制的空易拉罐作用很小的力，當(dāng)外力去除后，壓扁的罐體表面能回到原來(lái)的位置。當(dāng)作用力加大時(shí)，罐體被壓扁，產(chǎn)生永久的不能恢復(fù)的變形。斷裂彈性變形彈－塑性變形想一想：金屬的變形過(guò)程？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。從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。金屬發(fā)生彈性變形后的組織和性能將不發(fā)生變化；塑性變形后金屬的組織和性能發(fā)生變化。小實(shí)驗(yàn)結(jié)論金屬的塑性變形受到下列因素的影響：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。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。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。金屬發(fā)生加工硬化也會(huì)給金屬的切削加工或進(jìn)一步的變形加工帶來(lái)困難。為了改善發(fā)生加工硬化金屬的加工條件，生產(chǎn)中必須進(jìn)行中間熱處理，以消除加工硬化帶來(lái)的不利影響。思考：在生產(chǎn)過(guò)程中如何消除加工硬化帶來(lái)的不利影響？§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(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)機(jī)任何機(jī)械零件或工具，在使用過(guò)程中，往往要受到各種形式外力的作用，這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械載荷而不超過(guò)許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學(xué)性能。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)拉伸后低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：利用拉伸試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的靜拉力，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸。2.力—伸長(zhǎng)曲線

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。力－拉伸曲線拉伸過(guò)程：彈性變形階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段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)。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；S0——試樣原始橫截面面積，mm2。強(qiáng)調(diào)：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；

S0——試樣原始橫截面面積，mm2

。強(qiáng)調(diào)：材料的屈服強(qiáng)度ReL、抗拉強(qiáng)度Rm可在材料手冊(cè)中查得。二、塑性塑性——材料受力后在斷裂之前產(chǎn)生塑性變形的能力。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。強(qiáng)調(diào)：金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越高，其塑性越好。

【例】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉身實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得FeL=21kN，F(xiàn)m=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此試樣的ReL、Rm、A11.3、Z。解題過(guò)程想一想三、硬度

小試驗(yàn)在鋼板和鋁板之間放一個(gè)滾珠，然后在臺(tái)虎鉗上夾緊。在夾緊力的作用下，兩塊板料的表面會(huì)留下不同直徑和深度的淺坑壓痕。你能根據(jù)壓痕來(lái)判斷出鋼板、鋁板、滾珠誰(shuí)硬誰(shuí)軟嗎？判斷：鋼板、鋁板、滾珠誰(shuí)硬誰(shuí)軟嗎？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。通常，硬度是通過(guò)在專用的硬度試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)測(cè)得的。強(qiáng)調(diào)：硬度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。a）布氏硬度試驗(yàn)機(jī)b)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)c)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)1.布氏硬度（1）布氏硬度的測(cè)試原理布氏硬度原理布氏硬度值——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：強(qiáng)調(diào)：在實(shí)際應(yīng)用中，布氏硬度值一般不需要計(jì)算，可查壓痕直徑與布氏硬度對(duì)照表。詳見(jiàn)目錄Ⅰ（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)。[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。(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。判斷：一般淬火鋼能用布氏硬度試驗(yàn)測(cè)量硬度嗎？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。洛氏硬度原理洛氏硬度計(jì)表盤(pán)強(qiáng)調(diào)：洛氏硬度無(wú)單位。實(shí)際測(cè)量時(shí)，洛氏硬度值可直接從洛氏硬度計(jì)表盤(pán)上讀取。(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。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標(biāo)尺。45HRC表示用“C”標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為45。[例]60HRC表示用“C”標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為60。(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(pán)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。閱讀材料：維氏硬度四、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)沖擊實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，通過(guò)測(cè)定試樣的吸收能量來(lái)確定材料韌性指標(biāo)。*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。閱讀材料：神秘墜落的飛機(jī)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?！?-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。（密度小于4.5X103kg/m3的金屬稱為輕金屬）用密度較大的鋼鐵材料制成機(jī)床底座（自重大）。用密度較小的材料制成航天器材（質(zhì)量輕）。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(méi)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。（金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之）4.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來(lái)衡量。（金屬導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之）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?！?-4金屬材料的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(guò)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(guò)程強(qiáng)調(diào)：鑄造性能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(guò)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。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