第1章 金屬的性能.ppt

1、第1章 金屬的性能,1.1 金屬的物理性能和化學(xué)性能 1.2 金屬的力學(xué)性能 1.3 金屬的工藝性能,1.1 金屬的物理性能和化學(xué)性能,1.1.1 金屬的物理性能 1.1.2 金屬的化學(xué)性能,返回,1.1.1 金屬的物理性能,1. 密度 某種物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。金屬的密度即是單位體積金屬的質(zhì)量。密度的表達式如下： (1.1) 式中 物質(zhì)的密度(kgm3)； 物質(zhì)的質(zhì)量(kg)； 物質(zhì)的體積(m3)。,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,密度是金屬材料的特性之一。不同金屬材料的密度是不同的。在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量(重量)也就越大。金屬材料的密度，直接

2、關(guān)系到由它所制成設(shè)備的自重和效能。 一般將密度小于5lO3kgm3的金屬稱為輕金屬，密度大于5lO3kgm3的金屬稱為重金屬。 利用密度公式可以計算大型零件的質(zhì)量，測量金屬的密度可以鑒別金屬和確定某些金屬鑄件的致密程度。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,2. 熔點 金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。金屬都有固定的熔點。 合金的熔點決定于它的成分，例如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于含碳量不同，熔點也不同。熔點對于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接是重要的工藝參數(shù)。 熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C和噴氣飛機等

3、方面得到廣泛應(yīng)用。熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造印刷鉛字(鉛與銻的合金)、保險絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,3. 導(dǎo)熱性 金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。 導(dǎo)熱性的大小通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率的符號是，單位是W/(mK)。熱導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,4. 導(dǎo)電性 金屬材料傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。 衡量金屬材料導(dǎo)電性能的指標(biāo)是電阻率，電阻率的單位是cm，電阻率越小，金屬導(dǎo)電性越好。金屬導(dǎo)

4、電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。 導(dǎo)電性好的金屬如純銅、純鋁，適于做導(dǎo)電材料，導(dǎo)電性差的金屬如康銅和鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,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。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小。 熱膨脹性的大小用線脹系數(shù)l和體脹系數(shù)V來表示。線脹系數(shù)計算公式如下： （1.2） 式中 線脹系數(shù)(1K或1)； 膨脹前長度(m)； 膨脹后長度(m)； 溫度變化量 (K或)。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,6.磁性 金屬材料在磁場中受到磁化的性能稱為磁性

5、。根據(jù)金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，可分為鐵磁性材料(如鐵、鈷等)、順磁性材料(如錳、鉻等)、抗磁性材料(如銅、鋅等) 三類。鐵磁性材料在外磁場中能強烈地被磁化；順磁性材料在外磁場中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用。工程上實用的強磁性材料是鐵磁性材料。 鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點。如鐵的居里點是770。,上一頁,返回,1.1.2 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，稱為耐腐蝕性。 腐蝕作用對金屬材料的危害很大。它不僅使金屬材料本身受到損傷，

6、嚴(yán)重時還會使金屬構(gòu)件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。這種現(xiàn)象在制藥、化肥、制酸、制堿等化工部門更應(yīng)引起足夠的重視。因此，提高金屬材料的耐腐蝕性能，對于節(jié)約金屬、延長金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。,下一頁,返回,1.1.2 金屬的化學(xué)性能,2. 抗氧化性 金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴(yán)重。這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍造成一種保護氣氛，避免金屬材料的氧化。,上一頁,下一頁,返回,1.1.2 金屬的化學(xué)性能,3. 化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料

7、的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設(shè)備(如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等)上的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。,上一頁,返回,圖1-1 載荷的作用形式,(a) (b) (c) (d) (e) (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,返回,1.2 金屬的力學(xué)性能,在機械設(shè)備及工具的設(shè)計、制造中選用金屬材料時，大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)，因此熟悉和掌握金屬材料的力學(xué)性能是非常重要的。 所謂力學(xué)性能是指金屬在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。力學(xué)性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。,下一頁,返回,1

8、.2 金屬的力學(xué)性能,金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，它可以分為靜載荷、沖擊載荷及疲勞載荷等三種： (1) 靜載荷 是指大小不變或變動很慢的載荷； (2) 沖擊載荷 是指突然增加的載荷； (3) 疲勞載荷 是指所經(jīng)受的周期性或非周期性的動載荷(也稱循環(huán)載荷)。 根據(jù)載荷作用方式不同，它可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等，如圖1-1所示。,上一頁,下一頁,返回,1.2 金屬的力學(xué)性能,金屬受外力作用后，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。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。 金屬受拉伸載荷或壓縮載荷作用時，其橫截面積上的應(yīng)

9、力( )按下式汁算： (1.3) 式中 外力(N)； 橫截面積(m2)； 應(yīng)力(Pa)。1Pa1N/m2。當(dāng)面積用mm2時，則應(yīng)力可用Mpa為單位。1Mpa1N/mm2106Pa。,上一頁,下一頁,返回,1.2 金屬的力學(xué)性能,1.2.1 強度 1.2.2 塑性 1.2.3 硬度 1.2.4 韌性 1.2.5 疲勞強度,上一頁,返回,圖1-2 低碳鋼的力伸長曲線,返回,圖1-3 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線,返回,圖1-3 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線,返回,圖1-4 圓形拉伸試樣,返回,圖1-5 鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線,返回,1.2.1 強度,1. 常溫靜載拉伸試驗 按國家標(biāo)準(zhǔn)（GBT397 - 1986）制作

10、標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在拉伸試驗機上緩慢的進行拉伸，使試樣承受軸向拉力，并引起試樣沿軸向伸長，直至試樣斷裂。在實驗中同時連續(xù)測量力和相應(yīng)的伸長量,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，即可得到拉力和相應(yīng)伸長變形的關(guān)系曲線，該曲線稱為拉伸圖，如圖1-2所示。,下一頁,返回,1.2.1 強度,通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，拉伸圖的形狀與試樣的尺寸有關(guān)，要研究金屬材料拉伸時的力學(xué)性能就需要消除試樣尺寸的影響。為了消除試樣橫截面尺寸的影響，將拉力F除以試樣原來的橫截面面積A，得到 ；為了消除試樣長度的影響，將變形 除以試樣原長 ，得到應(yīng)變 ，這樣曲線就轉(zhuǎn)變?yōu)?曲線，見圖1-3。 曲線的形狀與 曲線相似，但與試樣尺寸無關(guān)，僅反映金屬材料本身的特

11、性。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,2拉伸試樣 拉伸試樣的形狀一般有圓形和矩形兩類。在國家標(biāo)準(zhǔn)(GBT397 - 1986)中，對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。圖1-4所示為圓形拉伸試樣。 圖中 是試樣的直徑， 為標(biāo)距長度。根據(jù)標(biāo)距長度與直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長試樣( )和短試樣( )兩種。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,3應(yīng)力應(yīng)變曲線 在得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（見圖1-3）中，明顯地表現(xiàn)出下面幾個變形階段： (1) OA彈性變形階段 (2) BC 屈服階段 (3) CD 強化階段 (4) DE 縮頸階段(局部塑性變形階段) 工程上使用的金屬材料，多數(shù)沒有明顯

12、的屈服現(xiàn)象。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”，如鑄鐵等。圖1-5為鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,4. 強度指標(biāo) (1) 屈服點 用符號S表示，計算公式如下： （1.4） 對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按國標(biāo)GBT2281987規(guī)定可用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力表示： （1.5） (2) 抗拉強度 用符號b表示。計算公式如下： （1.6）,上一頁,返回,1.2.2 塑性,1. 伸長率 試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率，用符號 表示。其計算公式如下： （1.7） 必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率是不同的，因此，比較伸長率時要

13、注意試樣規(guī)格的統(tǒng)一。,下一頁,返回,1.2.2 塑性,2. 斷面收縮率 試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號 表示。其計算公式如下： （1.8） 金屬材料的伸長率（）和斷面收縮率（）數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成復(fù)雜形狀的零件。,上一頁,返回,1.2.3 硬度,1. 布氏硬度 (1) 測試原理 用符號 來表示，計算公式如下： (1.9) (2) 表示方法 (3) 適用范圍及優(yōu)缺點,下一頁,返回,1.2.3 硬度,2. 洛氏硬度 (1) 測試原理 洛氏硬度值按下列公式計算： (1.10) (

14、2) 常用洛氏硬度的三種標(biāo)尺及其適用范圍 (3) 表示方法 (4) 優(yōu)缺點,上一頁,下一頁,返回,1.2.3 硬度,3維氏硬度 (1) 試驗原理 維氏硬度用符號 表示。計算公式如下： (1.11) (2) 表示方法 (3) 適用范圍及優(yōu)缺點,上一頁,返回,1.2.4 韌性,1. 沖擊韌度 (1) 沖擊試樣 為了使試驗結(jié)果可以互相比較，必須采用標(biāo)準(zhǔn)試樣。沖擊試樣的類型很多，可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定來選擇。常用的試樣有10mm10mm55mm的U形缺口和V形缺口試樣， (2) 沖擊試驗原理 (3) 沖擊韌度的計算 (1.12),下一頁,返回,1.2.4 韌性,2多沖抗力 實踐表明，承受沖擊載荷的機械

15、零件，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕大多數(shù)是在一次沖擊不足以使零件破壞的小能量多次沖擊作用下而破壞的，如沖模的沖頭等。這類零件破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴展的結(jié)果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。對于這樣的零件，用沖擊韌度來作為設(shè)計依據(jù)顯然是不符合實際的，需要采用小能量多次沖擊試驗來檢驗這類金屬材料的抗沖擊性能，即檢驗其多沖抗力。,上一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,1. 疲勞的概念 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。,下一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,2. 疲勞破壞的特征 盡管交變載荷有各種不同的類型，但疲勞破壞仍有以下共同的特點： (1) 疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，而是突然破壞； (2) 引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服點； (3) 疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的策源地及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)(粗糙部分)，,上一頁,下一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,3. 疲勞曲線和疲勞極限 (1) 疲勞曲線 是指交變應(yīng)力與循環(huán)次