第一章金属材料的性能

第一章金属的性能金属材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节金属的力学性能工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷按作用形式不同分：6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。分为弹性变形与塑性变形外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。一、强度概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。=F/S-----应力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228-2002）1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0万能材料试验机a)WE系列液压式b)WDW系列电子式2.力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。应力=P/F0应变=(l-l0)/l0三、强度——金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力工程上常用的金属材料的强度指标：•屈服点（σs）或规定残余伸长应力（σr）•抗拉强度(σb)•屈服点（σs）:指材料产生屈服时的应力0.2:r规定残余伸长率为0.2%时的应力0ssFS材料屈服时的拉力（N）屈服点（屈服极限）0.2原标准（GB228-76）：屈服强度很重要，大多数零件不允许有塑性变形•规定残余伸长应力:对有明显屈服现象的材料对无明显屈服现象的材料•抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值0bbFS拉伸过程中最大的拉力（N）•若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的σs或σ0.2进行设计计算。•若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的σb来设计计算。•因此σs和σb是机械零件设计计算的主要依据。很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值•强度的意义•强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。•强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。•因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。二、塑性——在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力•常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1LoL试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1SoS试样原始截面积（mm2）•δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。•一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为脆性材料，如灰铸铁.塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂•强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。•正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。GB/T228-2002新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ三、硬度硬度：硬度试验方法:压入法它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度试验原理图)/()(2102.0102.0)(222mmNdDDDFSFWHBS压2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于＜450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于＜650HBW试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择材料种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（kgf)试验力保持时间/s钢、铸铁140-4506～34～223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)1214066～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属1306～34～223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～3562.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度试验规范3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持时间（s）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120•习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如170HBS。4、适用范围常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复性强、测量结果准确缺点：压痕大，不适合成品检验二、洛氏硬度测定原理硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870～85适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025～100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020～67适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表1-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号002.0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。4、适用范围优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。2、计算公式21891.0dFHV3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。四、冲击韧性强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。•冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。•冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。1、冲击试验•冲击试样•冲击试验原理•一次摆锤冲击试验•冲击韧性的表示方法•如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。•焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。原理•冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。•所以，摆锤用于冲断试样的能量AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。2.材料冲击韧性的表示方法•国标GB/T229－1994•冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。•根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。2.材料冲击韧性的表示方法•国标GB/T229－2007•冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量;•K＝mg（H1-H2）2.材料冲击韧性的表示方法•按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳（J）。•冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。•冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。•冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV8转变温度Tt韧脆转变温度TC•缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便•用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。•用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。3.冲击试验的应用3.冲击试验的应用•缺口冲击试验由于其本身