1-3材料的力学性能和工艺性能

广水市职教中心1§1-3材料的力学性能和工艺性能冯义明广水市职教中心2材料性能的分类材料是人类社会发展的重要物质基础，它是现代科学技术和生产发展的重要支柱之一。众多的工程材料之所以获得广泛的应用，是因为它们具备许多优异的性能。材料的性能可分为两类：使用性能：反映材料在使用过程中所表现出来的特性，它包括：力学性能：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等；物理性能：导电性、导热性、热膨胀性和磁性等；化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等。工艺性能：反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性，它包括：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性等。广水市职教中心3一、金属材料的力学性能概述力学性能：材料在外力作用下所表现出来的特性叫做力学性能。它的主要指标是强度、塑性、韧性、硬度和疲劳强度等。上述指标既是选材的重要依据，又是控制、检验材料质量的重要参数。载荷与变形：材料受到外力作用时，会引起尺寸与形状的改变，这种外力叫载荷（或称负荷），尺寸与形状的改变叫变形。载荷与变形的关系可由拉伸试验测定。广水市职教中心4拉伸试验：拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法。通常将材料制成标准试样，装在拉伸试验机上，对试样缓慢施加拉力，使之不断产生变形，直到拉断试样为止。根据拉伸试验过程中的载荷和对应的变形量关系，可画出材料的拉伸曲线。图中的纵坐标表示载荷，横坐标表示变形量，可以从图上确定出材料的常规力学性能指标。广水市职教中心51.强度强度：是材料在载荷（外力）作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗外力的能力越大，则强度越高。内力：材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力，称为内力，其大小和外力相等，方向相反。应力：在单位面积上产生的内力称为应力,单位Pa（帕），即N/m2。工程上常用MPa（兆帕），1MPa=106Pa，或1MPa=1N/mm2。强度的大小，就是用应力来表示的。广水市职教中心6（1）屈服强度：由图1-6可知，当载荷增加到Fs时，如果不再继续增加载荷，则试样仍能继续伸长，这种现象叫屈服。将开始发生屈服现象时的应力，也即开始出现塑性变形时的应力，叫做屈服强度σs。σs=Fs/A0式中，Fs——试样屈服时的载荷，N；A0——试样的原始截面积，mm2。（2）抗拉强度：当载荷超过Fs以后，试样将继续变形，载荷达到最大值后，试样产生缩颈，有效截面急剧减小，直至断裂。抗拉强度是试样在断裂前所能承受的最大应力，用σb表示。σb=Fb/A0式中，Fb——试样断裂前的最大载荷，N。抗拉强度是设计和选材的主要依据之一。广水市职教中心72.塑性塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。材料断裂前，塑性变形愈大，表示它的塑性愈好，反之则表示其塑性差。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。（1）伸长率：伸长率是指试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比，即标距的相对伸长，用δ表示。式中，l0——试样原始的标距长度；l1——试样断裂后的标距长度。伸长率大小与试样尺寸有关。按长径比不同，试样有长试样（l0=10d0；d0：试样原始直径）和短试样（l0=5d0）两种，分别用δ10（或δ）和δ5表示。%100001lll广水市职教中心8（2）断面收缩率：断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，用ψ表示。式中，A0——试样的原始横截面积；A1——试样断口处的横截面积。断面收缩率与试样与试样尺寸无关，所以它能比较可靠地代表材料的塑性。材料的δ和ψ值愈大，表示材料的塑性愈好。塑性指标在工程技术中具有重要的意义，良好的塑性可使零件完成某些成型工艺，如锻压、轧制、冷拔等。同时也增加了材料使用的安全可靠性。%100010AAA广水市职教中心93.硬度硬度是指金属材料抵抗其他更硬的物体压入其表面的能力，也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力。硬度是衡量材料性能的一个综合的工程量或技术量。通常材料硬度越高，耐磨性越好，强度也较高。测定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。布氏硬度及其测定布氏硬度试验原理布氏硬度的测定是在布氏硬度试验机上进行的，试验原理如图1-7所示。用直径为D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值。广水市职教中心10布氏硬度值的符号：压头为淬硬钢球时：HBS压头为硬质合金球时：HBW布氏硬度值的计算：当所加载荷的单位为kgf时：当所加载荷的单位为N时：由上式可知，当试验载荷和球体直径一定时，压痕直径d越大，则布氏硬度值越小，即材料的硬度越低。在实际应用中，只要测出压痕直径d，就可在专用表中查出相应的布氏硬度值。布氏硬度试验的优缺点：优点：测定的数据准确、稳定、数据重复性强，多适用于测定未经淬火的各种钢、灰铸铁和有色金属的硬度。缺点：压痕面积大，易损坏成品的表面，所以不适用于较薄的零件及成品零件的硬度检验。22(2)(dDDDFDhFAFHBWHBS22(2102.0)(dDDDFDhFAFHBWHBS广水市职教中心11洛氏硬度及其测定洛氏硬度试验原理洛氏硬度的测定是在洛氏硬度试验机上进行的。它是以锥顶角为120°的金刚石圆锥体，或直径为1.5875mm(1/16in)的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测金属材料的表层，然后根据压痕的深度来确定洛氏硬度值。在相同的试验条件下，压痕深度越小，则材料的硬度值越高。洛氏硬度值的确定实际测量时，为了减少因材料（试样）表面不平而引起的误差，应先加初载荷，后加主载荷，并可在洛氏硬度试验机的刻度盘上，直接读出硬度值。广水市职教中心12洛氏硬度的三种标记洛氏硬度试验的优缺点：优点：洛氏硬度试验操作简单、方便、迅速，适用范围广，可用来测量薄片和成品。缺点：测量结果不如布氏硬度准确。标记符号HRAHRBHRC压头锥顶角为120°的金刚石圆锥体直径为1.5875mm(1/16in)的淬火钢球锥顶角为120°的金刚石圆锥体预载荷98N总载荷588N980N1471N适用材料较硬材料,如硬质合金、表面淬火钢等软材料，如软钢、退火钢、铜合金等中等硬度材料，如淬火钢、调质钢等。HRC应用最广。广水市职教中心13维氏硬度及其测定维氏硬度试验原理维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同，它是用顶角为136°的四棱锥金刚石，在较小的载荷（压力）F（常用50~100N）作用下压入被测材料表面，并按规定保持一定时间，然后用附在试验计上的显微镜测量压痕的对角线长度d，以凹痕单位表面积上所承受的压力作为维氏硬度值。维氏硬度值的符号：HV维氏硬度值的计算：维氏硬度试验的特点：维氏硬度法所测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，测量范围广，采用较小的压力可以测量硬度较高的薄件（如硬质合金、渗碳层、渗氮层）而不致于将被测件压穿。28544.1dFSFHV压痕广水市职教中心144.冲击韧性机械设备中有很多零件要承受冲击载荷的作用。对于承受冲击载荷的零件的力学性能不能只以强度和硬度指标来衡量，这是因为一些强度较高的金属，在冲击载荷的作用下也往往会发生断裂。因此，对于一些承受冲击载荷的机械零件和工具，还必须考虑金属材料的冲击韧性。冲击韧性：是指金属材料在冲击载荷的作用下抵抗破坏的能力。冲击韧性的测定方法：将被测材料制成标准缺口（V形或U形）试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断，试验原理如图1-8所示。广水市职教中心15冲断试样所消耗的能量称为冲击功，用Wkv（或Wku）表示，其数值为重锤冲断试样的势能差，其值可从试验机刻度盘上读得。冲击韧性值就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功，用akv（或aku）表示，单位为J/cm2，即式中，A0——试样缺口处横截面面积，cm2；Wkv（Wku）——V型（U型）缺口试样冲断时所消耗的冲击功，J。akv（或aku）值越低，表示材料的冲击韧性越差，在受到冲击时越易断裂；反之，akv（或aku）值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。00AWaAWakukukvkv或广水市职教中心165.疲劳强度疲劳破坏：许多机械零件，如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，经常受到大小和方向周期性变化的载荷的作用。这种交变载荷常常会使材料在小于其强度极限，甚至于小于其弹性极限的情况下，经多次循环后，在没有明显外观变形时，发生断裂，这种破坏称疲劳破坏（或疲劳断裂）。疲劳破坏的特点：疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳破坏都是突然发生的，常常会造成严重事故，具有很大的危险。疲劳强度：是表示材料经周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。条件疲劳强度：对于钢材，一般取循环次数N=107；对于有色金属取N=108为基数来确定材料的疲劳强度。金属的疲劳强度与很多因素有关，人们可通过改善零件结构形状，避免应力集中，改善表面粗糙度，进行表面热处理和表面强化处理来提高金属材料的疲劳强度。广水市职教中心17二、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，它是力学、物理、化学性能的综合表现。它包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性等。1.铸造性铸造：是将熔融金属浇入与工件形状相应的铸造型腔中，待其冷却后，得到毛坯或零件的成形方法。铸造性能：是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能，如流动性、收缩性、偏析性以及吸气性等。如果某一金属材料在液态时流动能力大，不容易吸收气体，冷凝过程中收缩小，凝固后铸件的化学成分均匀，则认为这种金属材料具有良好的铸造性能。在常用的金属材料中，灰铸铁和青铜有良好的铸造性能。广水市职教中心182.锻造性锻造性：是指锻造金属材料的难易程度。若金属材料在锻造时塑性好（能发生较大的塑性变形而破坏），变形抗力水上（锻造时消耗功率小），则称该金属锻造性好；反之，则锻造性差。所以，金属的锻造性是金属的塑性和变形抗力两者的综合性能。钢的锻造性与化学成分有关：低碳钢的锻造性比中碳钢、高碳钢好；普通碳钢的锻造性比同样含碳量的合金钢好；铸铁没有锻造性。广水市职教中心193.焊接性焊接性：是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。焊接性能好的材料，可用一般的焊接方法和焊接工艺进行焊接，焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹等到缺陷，其强度与母材相近。焊接性能差的金属材料要采用特殊的焊接方法和焊接工艺才能进行焊接。金属的焊接性很大程度上受金属本身的材质（如化学成分）的影响。在常用金属材料中，低碳钢有良好的焊接性，而高碳钢和铸铁焊接性则较差。广水市职教中心204.切削加工性切削加工性：是指金属材料被切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何参数等因素有关。通常，可根据材料的硬度和韧性对材料的切削加工性作大致的判断。工件硬度过高，刀具易磨损，寿命短，甚至不能切削加工；硬度过低，容易粘刀，且不易断屑，加工后表面粗糙。所以硬度过高或过低、韧性过大的材料，其切削性能较差。碳钢硬度为150~250HBS时，有较好的切削加工性。灰铸铁具有良好的切削加工性。