第一章-金屬材料性能

第一章金屬材料性能第一節(jié)金屬材料的力學性能第二節(jié)材料的物理、化學性能和工藝性能第一節(jié)金屬材料的力學性能金屬材料具有良好的各項性能。為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使用性能和工藝性能。使用性能：指各個零件或構(gòu)件在正常工作時金屬材料應(yīng)具備的性能，他決定了金屬材料的應(yīng)用范圍，使用的可靠性和壽命。包括力學（機械）性能、物理性能、化學性能。工藝性能：指金屬材料在冷、熱加工過程中應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。金屬材料的力學性能:指金屬材料在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。外力（載荷）形式主要有：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等；常用的力學性能指標有：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等一、彈性和剛度彈性：指標為彈性極限Re

，即材料承受最大彈性變形時的應(yīng)力。圖1-2退火低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗機剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E(單位為MPa)。彈性模量E：表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。彈性模量在工程上稱為材料的剛度。顯然，在零件的結(jié)構(gòu)、尺寸已確定的前提下，其剛度取決于材料的彈性模量，可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。彈性模量主要取決于材料內(nèi)部原子間的作用力，如晶體材料的晶格類型、原子間距等，除隨溫度升高而逐漸降低外，材料的其他強化手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響較小。二、強度與塑性1強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。屈服強度Re：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。

S點附近，發(fā)生塑性變形增加而應(yīng)力不增加，這種現(xiàn)象叫做屈服。S點對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強度。規(guī)定塑性延伸強度Rp：由于有很多材料的拉伸曲線上沒有明顯的屈服點，無法確定屈服極限，一般工程上以0.2%塑性變形時的應(yīng)力值為該材料的規(guī)定塑性延伸強度，以

Rp0.2表示。特別注意：屈服強度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要的零件設(shè)計指標。抗拉強度Rm

：試樣拉斷前最大載荷所決定的應(yīng)力值，即試樣所能承受的最大載荷除以試樣原始橫截面積，單位為MPasm段均勻塑性變形階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加而增加，產(chǎn)生應(yīng)變強化。超過m點后，試樣開始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應(yīng)變增加應(yīng)力明顯下降，并在E點迅速斷裂。m點所對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強度Rm抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計的材料評價的重要指標。2塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。斷后延伸率A：斷面收縮率Z：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：①用斷面縮率表示塑性比斷后伸長率更接近真實變形。②A>Z時，無頸縮，為脆性材料

A<Z時，有頸縮，為塑性材料③表征直徑d0相同時，l0

，A

。只有當l0/d0為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當l0=5d0時，伸長率用A表示；當l0=10d0時，伸長率用A11.3表示。顯然A11.3>A三、硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HBW布氏硬度計布氏硬度的單位為N/mm2，但習慣上只寫數(shù)值而不標出單位，硬度值越高，表明材料越硬。

布氏硬度的表示方法：硬度值寫在符號HBW之前，符號之后按下列順序用數(shù)值表示試驗條件：①球體直徑（mm）；②試驗力（Kgf）；③力保持時間（s），如600HBW1/30/20。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的Rm與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼:Rm(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：

Rm(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：Rm(MPa)≈1HB或Rm(MPa)≈0.6(HB-40)洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。

小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計四、沖擊韌性

是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊吸收能量AKU或AKV(通過沖擊實驗測得)。五、疲勞和斷裂韌性材料在低于Re的重復交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用R-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。

1-疲勞源、2-疲勞裂紋擴展區(qū)和3-瞬時斷裂區(qū)疲勞斷口示意圖金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有工作條件、表面狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各種表面強化的方法，都能提高零件的疲勞極限。疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）斷裂韌性：工程上有時會出現(xiàn)材料在遠低于抗拉強度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

材料中總是存在缺陷，常見的缺陷是裂紋。在應(yīng)力作用下，裂紋將發(fā)生擴展，一旦擴展失穩(wěn)，就會發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。

材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力稱為斷裂韌性。

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式Y(jié)為與裂紋形狀，加載方式及試樣有關(guān)的系數(shù)，σ為斷裂應(yīng)力，α為臨界裂紋半長。應(yīng)力強度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的指標。K1c與Re一樣是材料本身的一種力學性能指標。六、材料的高溫和低溫性能零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，如有的零件在高溫下工作，有的零件在低溫下工作，那么在室溫下測定的性能指標就不能代表它在高溫或低溫下的性能。屈服強度與抗拉強度與溫度有很大關(guān)系，一般溫度升高，材料強度降低。1、高溫性能

材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。

蠕變的另一種表現(xiàn)形式是應(yīng)力松馳，它是指承受彈性變形的零件，在工作過程中總變形量保持不變，但隨時間的延長工作應(yīng)力自行逐漸衰減的現(xiàn)象。如高溫緊固件，若出現(xiàn)應(yīng)力松馳，將會使緊固失效。

在高溫下，材料的強度是用蠕變強度和持久強度來表示的。蠕變強度是指材料在一定溫度下、一定時間內(nèi)產(chǎn)生一定永久變形量所能承受的最大應(yīng)力。

持久強度是指材料在給定溫度T(單位℃)和規(guī)定的持續(xù)時間t(單位h)內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值。2、低溫性能

隨著溫度的下降，多數(shù)材料會出現(xiàn)脆性增加的現(xiàn)象，嚴重時甚至發(fā)生脆斷?？赏ㄟ^材料的沖擊功與溫度的變化關(guān)系來確定材料的韌、脆狀態(tài)轉(zhuǎn)化。當溫度降到某一值時，沖擊吸收能量KU或KV值會急劇減小，使材料呈脆性狀態(tài)。材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度Tk稱為韌脆轉(zhuǎn)化溫度。材料的Tk低，表明其低溫韌性好。冷脆：脆性斷裂有以下特征：脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞，其破壞應(yīng)力往往遠低于材料的屈服極限；一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20℃；脆斷發(fā)生前，無預(yù)兆，開裂速度快，為音速的1/3；發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板

材料的物理性能指不發(fā)生化學反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性。材料的化學性能是材料在化學介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能和抗氧化性能和化學穩(wěn)定性能。第二節(jié)金屬材料的物理和化學性能

第三節(jié)金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力；按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。鑄造性能：指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難易程度；包括金屬液體的流動性和收縮性。鍛造性能：指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。焊接性：指材料被焊接的難易性質(zhì)。切削加工性：表示對材料進行切削的難易程度，可用切削抗力的大小，加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度，切削刀具的壽命來衡量。熱處理工藝性：指標有淬硬性、淬透性、淬火變形與淬裂、表面氧化與脫碳，過熱與過燒，回火穩(wěn)定性與脆性。小結(jié)了解工程材料在工業(yè)中的地位，發(fā)展簡史，材料分類。掌握金屬材料的主要性能指標。

復習思考題一1.說明下列力學性能指標的名稱、意義和單位：Rm

、Re

、Rp0.2

、A、Z、HBW、HRC、HV。

2.繪出低碳鋼退火態(tài)度R-

ｅ曲線，指出曲線上各點的含義及試樣的變化情況。3.說明布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度測定方法、各自的優(yōu)缺點和適用場合。

4.甲、乙、丙三種材料的硬度分別為600HBW、800HV和50HRC，試比較其硬度的高低。

5.疲勞破壞是如何形成的？提高零件疲勞