第4講-金屬材料的性能

第二節(jié)金屬材料的性能金屬材料的一般加工過程毛坯型材零件切削加工裝配液態(tài)成形（鑄造）塑性成形（壓力加工）連接成形（焊接）熱處理形狀、尺寸、性能︱鑄鐵鑄鋼鋁錠輔助材料熱處理機(jī)械加工部件裝配鑄造鐵粉碳粉

粉末冶金燒結(jié)粉末冶金件鑄件鍛件鋼板沖壓鉚、焊接裝配油漆缸體曲軸變速箱殼體齒輪┊發(fā)動(dòng)機(jī)變速器轉(zhuǎn)向器驅(qū)動(dòng)橋┊協(xié)作件、電器系統(tǒng)輪胎其它部件總裝配試車汽車鋼材鍛造圖例：汽車的一般生產(chǎn)過程︱工程材料的主要加工方法：（1）金屬的液態(tài)成型（鑄造生產(chǎn)）（2）金屬的塑性成型（壓力加工）（3）材料的連接成型（焊接生產(chǎn)）（4）切削加工產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程包括以下環(huán)節(jié)：原材料運(yùn)輸、保管和準(zhǔn)備生產(chǎn)的準(zhǔn)備毛坯的制造零件的機(jī)械加工與熱處理零件裝配成機(jī)器機(jī)器的質(zhì)量檢查及運(yùn)行試驗(yàn)機(jī)器的油漆、包裝和入庫(kù)工藝過程主要有（1)毛坯制造工藝過程（2)機(jī)械加工工藝過程（3)熱處理工藝過程（4)裝配工藝過程加工分為冷加工和熱加工兩種材料的表征現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴于對(duì)材料性能及其成分和顯微組織關(guān)系的理解。因此，對(duì)材料性能的各種測(cè)試技術(shù)，對(duì)材料組織從宏觀到微觀不同層次的表征構(gòu)成了材料科學(xué)與工程的一個(gè)重要部分，也是聯(lián)系材料設(shè)計(jì)與制造工藝直到獲得具有滿意使用性能的材料之間的橋梁。在材料科學(xué)與工程四大要素“合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能”之中，性能檢測(cè)與表征技術(shù)通過組成與結(jié)構(gòu)在化學(xué)、物理學(xué)和環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)上與其它三大要素相互聯(lián)系與反饋，同樣構(gòu)成材料科學(xué)與工程的關(guān)鍵共性技術(shù)。1、性能表征與檢測(cè)材料的性能是指材料在給定的一套條件下，當(dāng)某一條件發(fā)生變化時(shí)，材料所產(chǎn)生的反應(yīng)。對(duì)材料的性能測(cè)定需要建立一種廣義力和廣義位移的關(guān)系。當(dāng)關(guān)系為線性時(shí)，材料性能由線性常數(shù)表征，如彈性模量、熱容等。當(dāng)關(guān)系偏離線性時(shí)，材料的性能需要由高階常數(shù)來描述，如光學(xué)晶體在強(qiáng)光照射下的極化率。材料的傳輸性能與材料內(nèi)部參數(shù)的梯度所產(chǎn)生的流有關(guān)，由廣義力與所產(chǎn)生的流之間的比例常數(shù)來表征，如熱導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)等。新材料的發(fā)展還提出了一些難以用單項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的材料特征。如金屬材料的可焊性，材料的可加工性，高溫熔鹽氣氛下的腐蝕性能等。2、顯微結(jié)構(gòu)表征顯微結(jié)構(gòu)表征包括觀察組織的形貌、確定其原子排列方式和分析

其化學(xué)組分。分析方法可按照觀察形貌的顯微鏡、測(cè)定結(jié)構(gòu)的衍射儀及分析成分的各種譜儀進(jìn)行分類。

1）形貌觀察

2）結(jié)構(gòu)測(cè)定

3）化學(xué)組分分析一、工程材料的主要性能1、概述材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；功能是人們對(duì)材料的某種期待與要求種可以承擔(dān)功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。材料的性能一般分為以下幾種：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。

2、材料的物理性能材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)它們的變化程度。密度密度是指單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg/m3;ρ＝M/VM：金屬的質(zhì)量（kg）；V：金屬的體積(m3)

一般將密度小于5.0×103kg/m3的金屬稱為輕金屬；密度大于5.0×103kg/m3的金屬稱為重金屬。比容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積，單位是m3/kg。導(dǎo)熱性

是指物體內(nèi)溫度梯度為1℃/M時(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量，單位是W/(m.K)。導(dǎo)熱率越大，導(dǎo)熱性越好。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。熱膨脹性用線脹系數(shù)αl和體脹系數(shù)αV來表示。

線膨脹系數(shù)α是指溫度上升1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量，單位是mm/(℃.mm)或℃-1。

式中，αl為線脹系數(shù)（1/K或1/℃）；L1為膨脹前長(zhǎng)度（m）；L2為膨脹后長(zhǎng)度（m）；Δt為溫度變化量（K或℃）。熔點(diǎn)是指物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間的結(jié)合力。易熔金屬：熔點(diǎn)低（錫、鉛等）如保險(xiǎn)絲材料；難熔金屬：熔點(diǎn)高（鎢、鉻等）如白熾燈的燈絲材料。電阻與電導(dǎo)：電阻率

為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體的電阻,單位是

m，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率。金屬傳導(dǎo)電流的能力。用電阻率來衡量金屬的導(dǎo)電性能導(dǎo)電性。金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，通常用電導(dǎo)率來衡量，電導(dǎo)率越大，金屬材料導(dǎo)電性越好。電阻溫度系數(shù)：溫度上升1℃時(shí)，電阻率

的變化系數(shù)，單位℃-1。

導(dǎo)磁率：金屬所具有的導(dǎo)磁能力。是用于表征鐵合金、化合物(鐵氧體)的特有性能。常用金屬的物理性能金屬名稱符號(hào)密度熔點(diǎn)熱導(dǎo)率線膨脹系數(shù)電阻率鋁銅鐵錫鎢AlCuFeSnWu2.69848.967.877.29819.3660.110831538231.913380221.9393.575.462.8166.223.81711.762.34.62.6551.679.711.55.1

3、材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能是指材料在常溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力。反映了材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。

1）耐腐蝕性—金屬抵抗氧、水蒸氣、酸、堿等介質(zhì)侵蝕的能力。

2）熱安定性—金屬在高溫下對(duì)氧化的抵抗能力。根據(jù)不同的工況選用不同的材料。

4、材料的工藝性能工藝性能定義：材料的工藝性能是一種參量，用于表征材料適應(yīng)工藝而獲得規(guī)定性能和外形的能力。為了滿足材料性能的要求，就必然要控制材料的成分、組織和結(jié)構(gòu)。人們總是企圖用在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的一些物理的、化學(xué)的或力學(xué)的參量，來表征工藝性能。人們采用兩種思路去表征，一種是模擬，一種是抽象(即從復(fù)雜工藝現(xiàn)象中，抽出主要的項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定)。材料的工藝性能是材料力學(xué)、物理、化學(xué)性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產(chǎn)或零部件加工過程的可能性或難易程度。1）材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2）鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復(fù)雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。例如：流動(dòng)性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性3）鍛造性：材料進(jìn)行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。如：塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。4)焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起，就是焊接。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，就是焊接性能。如：連接能力：焊接頭部位強(qiáng)度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋的可能性或母材變形程度。5)切削加工性：材料進(jìn)行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。切削抗力加工表面質(zhì)量排屑難易程度切削刀具的使用壽命6)熱處理性能：可以實(shí)施的熱處理方法和材料在熱處理時(shí)性能改變的程度。例如：淬透性變形度5、力學(xué)性能材料力學(xué)性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)等)時(shí)，在外力或能量及其作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。機(jī)械性能或力學(xué)性能：材料在載荷作用下抵抗破壞的性能。

金屬材料的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能統(tǒng)稱為金屬材料的使用性能。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。

金屬材料的機(jī)械性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。

拉伸試樣長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0

力-拉伸曲線FesbkFsFbO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L強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞衡量材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)塑性韌性彈性(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。

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)

彈性變形(elasticdeformation):定義: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(N)

σb

(MPa)=

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)

抗拉強(qiáng)度(tensilestrength)根據(jù)受力方向不同:

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

屈服強(qiáng)度(yieldstrength):屈服點(diǎn)S條件屈服強(qiáng)度:規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力：

0.2

=F0.2/S

0slF0.20.2%l0o

Fs

σs

(Mpa)

=

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)衡量指標(biāo)1——斷后伸長(zhǎng)率(延伸率)(specificelongation):指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L

1與原始標(biāo)距L

0之比。

L

1–L

0

δ=×100%

L

0δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料塑性(plasticity):

指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。

塑性(plasticity):衡量指標(biāo)2——斷面收縮率(percentagereductioninarea):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-S

1

ψ=×100%

S0硬度(hardness)材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力

常用硬度試驗(yàn)方法：

布氏硬度測(cè)試法

洛氏硬度測(cè)試法

維氏硬度測(cè)試法布氏硬度計(jì)

布氏硬度試驗(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，以此直徑對(duì)照布氏硬度表查得相應(yīng)硬度值。布氏硬度試驗(yàn)原理（1）壓頭材質(zhì)表示方法淬火鋼球：HBS硬質(zhì)合金鋼球：HBW（2）布氏硬度值與壓頭選擇

布氏硬度值450的材料,選用淬火鋼球頭。例如：200HBS，350HBS。布氏硬度值450~650的材料，選用硬質(zhì)合金球壓頭。例如：550HBW，600HBW布氏硬度標(biāo)注方法：

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。

布氏硬度特點(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。

洛氏硬度試驗(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。001123200112332h1h2h3h1-1初載10kgh12-2總載150kgh23-3卸載140kgh最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量hh=h2-h1

洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度HR(RockwillHardness)根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小,洛氏硬度分三種：HRA:金剛石圓錐壓頭；588N總載荷HRB:1/16鋼球壓頭；980N總載荷HRC:金剛石圓錐壓頭；1470總載荷洛氏硬度標(biāo)注方法：70~85HRA，20~70HRC，25~100HRB注：HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小，但可以通過查表的方式進(jìn)行互換。例如：50HRC<70HRA〤

50HRB>40HRC〤洛氏硬度特點(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。生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法?？捎糜诔善窓z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。洛氏硬度應(yīng)用

維氏硬度HV(DiamondPenetratorHardness)

維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(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。維氏硬度壓頭—錐面夾角為136o的金剛石正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。維氏硬度試驗(yàn)原理用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來計(jì)算。HV=F/Saad維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度標(biāo)注方法

與布氏硬度基本相同，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)）。實(shí)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。維氏硬度特點(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，用于薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。疲勞現(xiàn)象：零件在循環(huán)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，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)象稱為疲勞現(xiàn)象。疲勞（Fatigue

）疲勞極限σ-1：表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。疲勞極限σ-1：鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108疲勞曲線提高疲勞極限途徑：改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值采取表面強(qiáng)化試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。

AK

a

k=(J/cm2)