2金属材料性能及加工技术-材料的性能和金属材料的特性

第2讲金属材料特性及加工技术——金属材料力学性能及常用金属材料特性2.1引言金属材料是产品设计中应用较多的一种材料。金属具有其它材料不具备的优点，如强度大，不易变形，易成型（压延，切削，铸造等），易表面处理（电镀，喷涂等）。可以加热加工（如锻打成型），也可以冷加工（如冲压成型）。金属门把手FreeStyle剪刀EvaSolo垃圾桶2.2金属材料力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能指使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能；工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能力，包括液态成形性（铸造性能）、塑性成形性（锻造性能）、连接成形性（焊接性能）、切削加工性能和热处理工艺性能。在选用材料时大多以力学性能为主要依据。力学性能是指金属材料在载荷作用下所表现出来的抵抗能力。载荷分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷三种。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、韧度和疲劳强度等。定义：材料在力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。应力、应变刚度(弹性)屈服强度抗拉强度2.2.1金属材料力学性能—强度(strength)拉伸试样的颈缩现象弹性(elasticity)金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。随载荷撤除而消失的变形。弹性极限(elasticlimit):Fe弹性极限载荷(N)σe(Mpa)=S0试样原始横截面积(mm2)弹性变形(elasticdeformation):定义:试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb(Mpa)=S0试样原始横截面积(mm2)抗拉强度(tensilestrength)根据受力方向不同:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度抗剪强度、抗扭强度等。定义:指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。指标:断面收缩率(percentagereductioninarea):指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比。S0-S1ψ=×100%S02.2.2金属材料力学性能—塑性(plasticity)断后伸长率(延伸率)(specificelongation):指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比。L1–L0δ=×100%L0δ2--5%属脆性材科δ≈5--10%属韧性材料δ10%属塑性材料指标:2.2.2金属材料力学性能—塑性2.2.3硬度(hardness)定义：硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。常用硬度试验方法：布氏硬度测试法洛氏硬度测试法维氏硬度测试法布氏硬度计布氏硬度试验原理用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。布氏硬度标注符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度特点优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。洛氏硬度HR(RockwillHardness)洛氏硬度试验原理用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。00112332洛氏硬度符号、试验条件和应用举例70~85HRA20~70HRC25~100HRB洛氏硬度标注HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC70HRA〤50HRB40HRC〤维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。维氏硬度试验原理用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Sa维氏硬度试验原理维氏硬度标注与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。维氏硬度特点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。2.2.4韧性(Toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。定义：冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图金属的夏比冲击试验试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)g疲劳现象：零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。2.2.5疲劳强度（Fatigue）表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。疲劳极限σ-1疲劳曲线钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108提高疲劳极限途径改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化疲劳极限σ-11943年美国T-2油轮发生断裂2.3常用金属材料的特性①金属具有良好的导电导热性。所以，常用在电线、电缆以及散热器产品上。skantherm暖炉散热优良的钛合金外壳Thinkpad2.3常用金属材料的特性②金属具有良好的延展性。因此，可将金属材料锻打、压延、冲压成各种所需要的形状，经冲压成型的奥迪A4轿车框架精密锻造加工的宝马轿车铝合金轮毂2.3常用金属材料的特性③金属具有良好的表面光泽性。所以，可装饰产品表面。松下数码相机2.3常用金属材料的特性④金属宜采用各种电化学加工方法进行表面处理。所以，以获得特殊表面效果电镀处理的BRIZO水龙外壳经阳极氧化处理的索尼摄像机2.3常用金属材料的特性⑤金属具有较高的强度和刚度，耐磨不易断裂。所以，经常在一些传递大的力或承受较大强度的产品上得到应用。金属合页履带式装载机2.3常用金属材料的特性⑥金属宜成形、不易变形。加工方法简单、成型容易，当产品加工成型后，在正常使用环境中其尺寸不变。保证了产品的精度。ELEMENT室外用烧烤炉Vespa摩托车