1-金属材料的主要性能

2021/2/11一、金属材料的主要性能2021/2/12工程材料的性能铸造性能可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：2021/2/131.使用性能――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。包括：力学性能：（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）物理性能：（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等）化学性能：（抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等2.工艺性能――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工特性等。在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因此作为本章讨论的重点。金属材料的主要性能2021/2/14一、力学性能:定义:金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。指标:弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。金属材料的主要性能2021/2/15动画1常见的各种外载荷17金属材料的主要性能2021/2/161、强度和塑性（静载荷）塑性：金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力强度指标有：屈服强度（σS）、抗拉强度（σb）塑性指标有：伸长率δ、断面收缩率Ψ强度和塑性通过拉伸试验方法测得概念：材料在外力作用下的表现行为：变形、断裂材料在外力作用下的行为过程：弹性变形—塑性变形—断裂（永久变形）材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。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。金属材料的主要性能2021/2/17金属材料的主要性能拉伸试验机拉伸试样长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0设备与试样2021/2/18金属材料的主要性能拉伸曲线：载荷F~伸长量ΔL拉伸曲线拉伸试验2021/2/1919拉伸试验——应力应变曲线（σ-ε曲线）σ：应力ε：应变σP：比例极限σe：弹性极限σs：屈服极限σb：强度极限E：材料弹性模量（E=σ/ε）为了使曲线能够直接反映材料的力学性能，纵坐标用应力σ（即试样单位横截面上的拉力，σ=F/A0，A0为试样原始截面面积）表示，横坐标用应变ε（试样单位长度上的伸长量，ΔL/L）表示,绘制应力-应变曲线。σ-ε曲线和F~ΔL曲线形状相同，坐标含义不同。动画4低碳钢的应力应变图2021/2/110曲线分为四阶段：1．阶段I：弹性阶段[oab段]发生弹性变形，外力撤去，形变恢复。a:σe(比例极限)b:σs（弹性极限，材料发生弹性变形的最大抗力）oa段：△L∝F直线阶段，σ=Eεab段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2．阶段II：屈服阶段[bcd段]c:屈服点：σs（屈服强度，表示材料发生明显塑性变形时的抗力。）拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。金属材料的主要性能2021/2/1113．阶段III：强化阶段[dB段]均匀塑性变形阶段，应力增加，变形持续增加。B:σb（强度极限，或抗拉强度，指材料所能承受的最大载荷）4．阶段IV：颈缩阶段[BK段]局部集中塑性变形，应力下降，直至试样断裂。拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线1.低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷：只有第I阶段3.中、高碳钢：没有第II阶段颈缩金属材料的主要性能2021/2/112（1）屈服强度（σs，屈服极限）定义：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值，用σs表示，单位为MPa，表达式为：0.20.20FS条件屈服极限由于有很多材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点，无法确定屈服极限，因此规定试样产生0.2％塑性变形时的应力值为该材料的屈服极限，称为条件屈服极限，以σ0.2表示，如图所示。0SFss式中：Fs—试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷S0—试样的原始截面积（mm2）金属材料的主要性能—强度强度2021/2/113金属材料的主要性能—强度（2）抗拉强度定义：试样拉断前最大载荷所决定的应力值，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积，以σsb表示，单位为MPa，表达式为：0SFbb式中：Fb—指试样被拉断前所承受的最大外力S0—试样的原始截面积（mm2）电子拉伸试验机2021/2/114载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。材料产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率δ和断面收缩率ψ表示，两者均无单位量纲。22塑性金属材料的主要性能—塑性2021/2/115（1）伸长率δ：表示试样拉伸断裂后的相对伸长量δ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）塑性表示金属材料的主要性能—塑性按照伸长率可将材料分为：δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料（2）断面收缩率Ψ：表示试样断裂后截面的相对收缩量。Ψ=（S0-S1）/S0×100%式中：S0—试样的原始截面积（mm2）S1—试样断面处的最小截面积（mm2）2021/2/116定义：硬度是衡量材料软硬程度的指标，表征材料抵抗比它更硬的物体压入或刻划的能力。表示材料抵抗表面局部塑性变形的能力。硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏（显微硬度）硬度测试方法：以压入法最为普遍。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。2、硬度（静载荷）金属材料的主要性能—硬度2021/2/117布氏硬度测试原理图（１）布氏硬度HB用一定的载荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定时间后卸除载荷，载荷与压痕表面积S的比值，作为布氏硬度值，用HB表示，单位为N/mm2，即)(2102.022dDDDPHB金属材料的主要性能—硬度2021/2/1181）布氏硬度的特点：（HBSHBW）优点：压痕面积大，不受微小不均匀硬度的影响，试验数据稳定，重复性好。缺点：1.不适用于成品零件和额薄壁件的硬度检验;2.不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用;3.由于压痕较大，成品检验也有困难。2）适用范围：布氏硬度一般适用于硬度较低的材料。如：退火、正火、调质钢,铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料。测量压头为淬火钢球(布氏硬度值在450以下的材料)测量压头为硬质合金球(布氏硬度在650以下的材料)3）材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)金属材料的主要性能—硬度2021/2/119金属材料的主要性能—硬度（2）洛氏硬度HR原理：在先后两次施加载荷(初载荷及总载荷F)的条件下，将标准压头(顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm(1/16英寸)的钢球)压入试样表面，然后根据压痕的深度来确定试样的硬度。()0.002KhHR2021/2/120洛氏硬度的特点：（HRCHRBHRA）洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。标尺压头总载荷/N可测试材料有效值HRA金刚石（圆锥体）600硬质合金、表面淬火钢70～85HRB淬火钢球(Φ1.588mm)1000退火钢、非铁合金25～100HRC金刚石（圆锥体）1500一般淬火钢20～67注意：一般适用于硬度较高的材料。如：淬火钢等金属材料的主要性能—硬度2021/2/121动画洛氏硬度测量24动画布氏硬度测量金属材料的主要性能—硬度2021/2/122(3)维氏硬度――科学试验原理：将方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。维氏硬度：施加载荷与压痕表面积的比值。金属材料的主要性能—硬度适用范围：维氏硬度有小负荷维氏硬度，试验负荷1.961~49.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定2021/2/123维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计金属材料的主要性能—硬度2021/2/124动画是维氏硬度测定方法的示意。维氏硬度可采用统一的硬度指标，可以测量很软到很硬的材料的硬度，但测量麻烦。维氏硬度表示方法示例：600HV30/20：（数值+HV+载荷值+保压时间）26动画维氏硬度测定金属材料的主要性能—硬度2021/2/1253、冲击韧性（动载荷）金属材料的冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标，常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。金属材料的主要性能—冲击韧性1)定义：简称韧性，是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。（材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力）。2)常用韧性指标：冲击韧性值，一般用ak表示，单位为：J/cm22021/2/126(a)试样放置(b)冲击试验机摆锤冲击实验示意图金属材料的主要性能—冲击韧性2021/2/127冲击试验:将带有缺口的标准冲击试样，安放在冲击试验机的支座上,把重重量为G的摆锤从一定高度H落下，将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动升至高度h，设：Ak＝G（H－h）冲击韧度：ak=Ak/S(J/cm2)27动画冲击试验金属材料的主要性能—冲击韧性式中：Ak—折断试样所消耗的冲击吸收功（J）S—试样断口处的原始截面积（mm2）ak不能直接用于强度方面计算，但可作为鉴定材料质量和作为材料抵抗冲击能力大小的重要参考数据之一。影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。2021/2/128Titanic沉没原因Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果一项新的科学研究回答了80年未解之谜2021/2/129284、疲劳强度σr，N（交变载荷）金属材料的主要性能—疲劳强度定义：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。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钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb图1轴的疲劳试验2021/2/130当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。金属材料的主要性能—疲劳强度疲劳曲线2021/2/131实验证明，金属材料能承受的交变应力σ与断裂前应力循环次数N有如动画10所示的规律。由图可知，当σ低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。用σ－1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。一般钢的循环次数为107，有色金属为108。29动画疲劳强度曲线金属材料的主要性能—疲劳强度2021/2/1321943年美国T-2油轮发生断裂陶瓷、高分子材料：疲劳抗力很低；金属材料：疲劳强度较高；纤维增强复合材料：较好的抗疲劳性能。为提高零件的疲劳强度，除废改善其结