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1、金属材料与热处理 项目一 金属材料的性能,项目导入,金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛应用于制造生产和生活用具，金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有许多良好的性能。 在机械制造过程中，为了设计制造具有较强竞争力的产品，必须了解和掌握金属材料的各种性能，以便使机械产品在设计、选材和制造等方面体现出最优化。,认识金属材料,画低碳钢拉伸曲线图,金属材料的冲击试验和疲劳试验,测试钢的硬度,金属的其他性能,认识金属材料,金属材料具有比其他材料优越的性能，广泛的应用于机械制造、工程建设，交通、石 油化工、农业、国防等领域，所以我们认识金属材料具有重要意义。,一、金属材料的基本概念,金属是指具有
2、特殊的光泽、良好的导电性、导热性，一定的强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。 金属元素是指具有金属特性的元素称金属元素。在化学元素周期表中，约四分之三是 属于金属元素。 金属材料是由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料通称为金属材料。,金属材料,黑色金属材料,碳素钢,合金钢,碳素结构钢,碳素工具钢,铸造碳钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,黑色金属材料,黑色金属材料,黑色金属材料,黑色金属材料,铜及铜合金,铝及铝合金,钛及钛合金,轴承合金,铸铁,有色金属材料,硬质合金,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。 使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。包
3、括:物理性能、化学性能、力学性能等。 工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能。包括:铸造性能、锻造性、焊接性能、热处理性和切削加工性。,金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种。 （1）静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 （2）冲击载荷是指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 （3）交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 根据作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。,金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变
4、形和塑性变形两种。 弹性变形是指随载荷的去除而消失的变形。不能随载荷的去除而消失的变形是塑性变形，也称永久变形。 这两种变形的区别在于当载荷去除时变形是否能够“恢复”。 金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，金属受拉伸或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力按下式计算: = 式中: R应力 F拉力（或压力） S横截面积,画低碳钢拉伸曲线图,在建筑工地、港口码头、工厂车间等地方，同学们经常会看到用一根或几根钢丝绳就可以提起几吨甚至上百吨的货物。由此可见，钢丝绳能承受由这些货物所产生的力即拉力，这说明金属材料应具有一定的抗拉强度才会具有
5、使用价值。,低碳钢是生活中常见的一种优质碳素结构钢，其碳的质量分数平均小于0.25%。塑性、韧性较高，冷挤压性能和焊接性能好、抗拉强度为253500 MPa，伸长率 A14%。 低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉 体和农用机具等。优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品;制成棒材，制作强度要求不高的机械零件。,拉伸实验是用国家标准规定制成的金属试样，把试样装夹在拉伸试验机上，在轴向静拉伸力的作用下使它不断产生变形，直到断裂为止。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其他
6、拉伸性能指标。 （1）测定拉伸曲线的试样和设备 （2）认识低碳钢拉伸曲线,拉伸试验常用的标准试样截面为圆形。根据GB/T 2282010要求制成圆柱形拉伸试样。根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样和短试样两种，长试样l0 =10d0，短试样l0=5d0。 拉伸试验机也叫材料拉伸试验机、万能拉伸强度试验机。主要用于各种金属、非金属及复合材料进行力学性能指标的测试。如检测金属材料的最大承载拉力、抗拉强度、伸长变形、延伸率等技术指标。在拉伸试验机上，试样从变形到拉断，可以通过自动记录设备把拉力与伸长量的关系用曲线表示出来，该曲线即为拉伸曲线。,由拉伸曲线可以看出，低碳钢在外力作用下所引起的
7、变形和失效的过程大致可以分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段四个阶段。 （1） oe弹性变形阶段 随着载荷增加，拉力在e点以下，试样变形完全是弹性的，此时如卸载，试样即恢复原状。随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为能恢复原始形状和尺寸的最大拉伸力。,（2） es屈服阶段 当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样的伸长只能部分恢复，而保留部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。当载荷增加到Fs时,铸铁的力伸长曲线图上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服，Fs称为屈服载荷，屈服后，材料将残留较大的塑
8、性变形。,（3）sb强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形的增加，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称为冷作硬化）。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。 （4）bz缩颈阶段 当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。试样所需要的载荷也随之降低，这时伸长主要集中在缩颈部位，直至断裂。,金属材料的弹性变形是一种可逆行变形，在弹性变形过程中无论是在加载期还是在卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系。金属材料弹性指标是指弹性极限，而金属材料的刚度指标是指弹性模量。 1.弹性极限 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即
9、 = 式中: Re弹性极限; Fe试样产生弹性变形时所承受的最大载荷; S0试样原始横截面积。,2.弹性模量 弹性模量是指在应力应变曲线上完全弹性变形阶段，应力与应变的比值，用E表示，即= 在工程上 E（单位为N/mm2）称为材料的刚度，是材料的重要力学性能指标之一，它表征材料对弹性变形的抗力。其值越大，材料产生一定量的弹性变形所需的应力越大，表明材料不容易产生弹性变形，即材料的刚度大。在机械工程中的一些零件或构件，除了满足强度要求外，还应严格控制弹性变形量，如锻模。若没有足够的刚度，所加工的零件尺寸就不准确。,强度是指在静载荷作用下金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。强度指标主要有屈服强度和抗
10、拉强度。 1.屈服强度 屈服强度是指当材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。分为上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）。上屈服强度（ReH）是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度（ReL）是指屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。 = = 式中: FeH试件发生屈服而力首次下降前承受的最大载荷，N; FeL试件发生屈服时承受的最小载荷，N; S0试样原始横截面积，mm2。,对于无明显屈服现象的材料，则规定以残余应变量达0.2%时的应力值作为屈服强度，并以符号Rr0.2表示。 0.2 = 0.2 0 式中: F0.2残余伸长率达0.2%时的载荷，N;
11、 S0 试样原始横截面积，mm 绝大多数零件在工作时不允许产生明显的塑性变形，否则将丧失其自身精度或与其他零件的相对配合受影响，因此屈服强度是防止材料因过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据; 根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中，防止脆性断裂的参考依据。,2.抗拉强度 抗拉强度是指金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度。用符号Rm表示,按下列公式计算: = 0 式中: Fm试样断裂前承受的最大载荷，N; S0试样原始横截面积，mm2。 它反映了金属材料抵抗断裂的能力，其数值越大，金属材料断裂
12、前所能承受的应力值越大。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂，Rm也是机械零件设计和选材的重要依据之一。,塑性是指材料在载荷作用下，产生永久性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 1.断后伸长率A 断后伸长率是指断后试样标距的伸长量与原始标距之比的百分率。用符号A表示，即: = 0 0 100% 式中: Lu试样断裂后的标距，mm; L0试样的原始标距，mm。 必须说明，材料的伸长率与试样的原始标距L0和原始截面积S0密切相关，在S0相同的情况下，L0越长则A越小，反之亦然。因此，对于同一材料的试样而具有不同长度或截面积要得到比较一致的A
13、值，或者对于不同材料的试样要得到可比较的A值，必须使L0/S0为一常数。,2.断面收缩率Z 断面收缩率是指断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率。用符号Z表示。即: z= 0 0 100% 式中: Su试样断裂处的最小横截面积，mm2; S0试样的原始横截面积，mm2。 断后伸长率A和断面收缩率Z越大，材料的塑性越好。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻造、轧制等成型工艺，且在使用时万一超载，由于塑性变形而能避免突然断裂，因此比较安全。 断后伸长率 A与试样的尺寸有关，短试样的伸长率要大于长试样。断面收缩率Z与试样的尺寸无关，因此可以更可靠、更灵敏的反映金属材料的塑性变化。通常以伸长
14、率的大小来区别金属材料塑性的好坏，A （2%5%）的金属材料称为塑性材料，如铜、钢、铝等; A （2%5%）的金属材料称为脆性材料，如铸铁。,测试钢的硬度,在日常生活中，我们用手锤锤击铅块和钢块，或用划针在铅块和钢块划线，就会发现在铅块上留下的痕迹比在钢块上留下的痕迹要深，这是为什么呢?这是因为钢比铅块硬，那么，如何知道材料的硬度呢?这就需要通过硬度试验测定。,1.布氏硬度的测试原理 按GB/T 231.12002的规定，对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样的压痕直径d，然后根据压痕直径 d 计算其硬度值。用符号HBW表示，布氏硬度值可用下式进行计
15、算: HBS HBW =0.102 =0.102 2 2 2 式中: HBS（HBW）用钢球（或硬质合金球）试验时的布氏硬度值; F试验力，N; S压痕表面积，mm2; d压痕直径，mm; D钢球直径，mm。,2.布氏硬度值的表示方法 布氏硬度值的表示方法为:硬度值+HBW+球直径+试验力+规定时间。试验力保持时间1015 s时不标注。 例如:530HBW 5/750表示用直径5 mm的硬质合金球在7355 N（750 kgf）的试验力作用下，保持101 5s时测得的布氏硬度值为530。 又如:170 HBS 10/1000/30表示用直径10 mm的钢球在9807 N（1000 kgf）的试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为170。 做布氏硬度试验时，压头球体的直径（D）、试验力（F）及试验力保持时间（t），应根据被测金属材料的种类、硬度值的范围及金属的厚度进行选择。 常用的压头直径（D）有1、2、2.5、5和10 mm五种，试验力（F）在9807 N29.42 kN范围内。试验力保持时间，一般黑色金属为1015 s;有色金属为30 s;布氏硬度值小于35时
