金属材料与热处理配套课件第1章

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1、第一章 金属材料的性能,第一章 金属材料的性能,零件是构成机械产品的基本单元，零件材料的各方面性能是产品质量的基础，决定着产品的使用性能和寿命。本章介绍金属材料的机械性能、物化性能、工艺性能的性能指标和含义及相关的测定方法；在工程应用中如何根据需要选择合适性能的材料。,第一章 金属材料的性能,1掌握金属材料的各项力学指标和用途； 2熟悉金属材料的物理性能和工艺性能相关知识及实际应用意义； 3了解各项力学指标的测定和计算方法。,第一节 金属材料的机械性能,第一章 金属材料的性能,第一节 金属材料的机械性能,1.强度 金属材料在静载荷作用下抵抗永久塑性变形和断裂的能力，称为强度。 在工程上使用弹性

2、极限、屈服强度、抗拉强度。,第一节 金属材料的机械性能,强度的获得方式-拉伸试验 （a）试样,图1-1 比例试样,第一节 金属材料的机械性能,强度的获得方式-拉伸试验 （b）低碳钢拉伸曲线,第一节 金属材料的机械性能,第一节 金属材料的机械性能,(1)弹性极限e 弹性极限是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，它可按下式计算： (1-2) 式中 Fe试样产生完全弹性变形时的最大载荷，A0试样的原始横截面面积。,第一节 金属材料的机械性能,(2)屈服强度s 屈服强度是材料开始产生明显塑性变形时的最小应力，屈服强度可按下式计算： (1-3) 式中 Fs试样产生屈服时的载荷， A0试样的原始横截

3、面面积。,第一节 金属材料的机械性能,(3)抗拉强度b 抗拉强度是材料断裂前的最大应力值；对应材料承受最大均匀塑性变形的抗力，即： (1-4) 式中 Fb-试样在断裂前所承受的最大载荷， A0试样的原始横截面面积。,第一节 金属材料的机械性能,2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。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率，两个指标均为百分率(%)表示。 (1-5) (1-6),3硬度 硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，是金属材料一项重要的技术指标。在工程上常用的硬度指标根据材料的软硬程度可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。,第

4、一节 金属材料的机械性能,(1)布氏硬度(HB) 布氏硬度试验按国家标准的规定，以直径为D的淬硬钢球或硬质合金作压头，在压力F下压入待测金属表面，保持一定时间后卸去载荷，此时试样表面出现直径为d的压痕。用压力F除以压痕表面积所得的值，作为被测材料的布氏硬度值，单位Kgf/mm2(MPa)，一般不标单位。,第一节 金属材料的机械性能,图1-3布氏硬度实验原理,(2)洛氏硬度(HR) 是用一个顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬硬钢球为压头，以一定的压力压入材料表面，根据压头压入深度确定硬度见图1-4。其值可直接从硬度计刻度盘读出。,第一节 金属材料的机械性能,图1-4洛氏硬度实验

5、原理,第一节 金属材料的机械性能,洛氏硬度根据压头及载荷不同， 分为HRA、HRB、HRC三种,表1-1 洛氏硬度符号、试验条件和应用,第一节 金属材料的机械性能,布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。,第一节 金属材料的机械性能,布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 洛氏硬度的特点： 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

6、理质量检查中应用最多。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。,(3)维氏硬度(HV) 是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，但不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136的正四棱锥体，如图1-5所示。,第一节 金属材料的机械性能,图1-5维氏硬度实验原理,第一节 金属材料的机械性能,4 冲击韧性 有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，

7、即冲击韧度。,第一节 金属材料的机械性能,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。,第一节 金属材料的机械性能,冲击试验 试验原理,第一节 金属材料的机械性能,5疲劳强度,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 。 零件的疲劳断裂过程可分为裂

8、纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 。,第一节 金属材料的机械性能,图1-7 钢铁材料的疲劳曲线(-N),由图可见，越小，疲劳 寿命N越大。当应力低于 某一数值时，经无数次应 力循环也不会发生疲劳断 裂，此应力称为材料的疲 劳极限。在疲劳强度的测 定中，不可能把循环次数 作到无穷大，而是规定一 定的循环次数作为基数。 常用钢材的循环基数为10 次，有色金属和某些超高 强度钢的循环基数为10次。,第二节 金属材料的物化性能,在设计和工程应用时除了要根据实际工况考虑选择材料的各项机械性能参数，还要充分考虑金属材料的其它性能，这些性能在特殊要求的工作环境下起到非常大的作用。主要是金属材料的物理性能和

9、化学性能。,1.物理性能 金属材料的物理性能是指金属特有的属性，如密度、磁性、熔点、导电性、光泽、热膨胀性能等。,第二节 金属材料的物化性能,(1)密度 单位体积内所含某种物质的质量称为该物质的密度。密度的表达式如下： (1-10) 式中 物质的密度(kgm3), 物质的质量(kg),V 物质的体积(m3)。,第二节 金属材料的物化性能,第二节 金属材料的物化性能,密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。在体积相同的情况下金属材料的密度越大其质量(重量)也就越大。金属材料的密度，直接关系到用它所制成设备的自重和效能。一般将密度小于5103 kgm3。的金属称为轻金属密度大于510

10、3 kgm3称为重金属。在要求特殊和有重量要求时一般选择合适的金属，如航空航天零件一般用轻金属材料来制作。 密度公式的其他用途是可以计算大型零件的质量，测量金属的密度，也可以鉴别金属和确定某些金属铸件的致密程度。,第二节 金属材料的物化性能,(2)熔点 金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。每种金属都有同定的熔点。而合金的熔点决定于它的成分是个变化的值，例如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于含碳量不同，熔点也不同。熔点是金属和合金冶炼、铸造、焊接等热加工的重要工艺参数，熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钢、钒等)，可以用来制造耐高温零件，如在火箭导弹燃气轮机和喷气式飞机上得到广泛应用。熔

11、点低的金属称为易熔金属(如锡铅等)，可以用来制造印刷铅字(铅与锑的合金)、保险丝(铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。,第二节 金属材料的物化性能,(3)导热性 金属材料传导热量的性能称为导热性，导热性的大小通常用热导率来衡量，热导率的符号是A(单位是W(mK)，热导率越大,金属的导热性越好。金属的导热能力最好的是银,其次是铜、铝，一般合金的导热性比纯金属差。导热性是金属材料的重要性能之一，在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，除考虑熔点以外还必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，从而使金属材料在热加工后产生变形或破坏。导热性好的金属其散热性能也好，因此在

12、制造散热器、热交换器与活塞等零件时要选用导热性好的金属材料，如使用铜和铝材料做散热器和暖气片。,第二节 金属材料的物化性能,(4)导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性能的指标是电阻率，电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的标准单位是。电阻率越小，金属导电性能越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差，导电性好的金属如纯铜、纯铝，适于做导电材料如用它制作电缆和电线；导电性差的金属如铁铬铝合金适于做电热元件。,第二节 金属材料的物化性能,(5)热膨胀性 金属材料随着温

13、度变化而发生膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。一般来说。金属受热时膨胀体积增大；冷却时收缩。体积减小。热膨胀性的大小用线胀系数和体胀系数来表示。体胀系数近似为线胀系数的3倍。在很多实际工作中需要考虑材料热胀冷缩的影响，例如在加工工件时要在温度低时测量工件的尺寸，否者就很容易出废品。,第二节 金属材料的物化性能,(6)磁性 金属材料在磁场中受到磁化能吸引金属的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可将金属材料分为铁磁性材料(如铁、钴等)、顺磁性材料(如锰、铬等)和抗磁性材料(如铜、锌等)三类。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或

14、削弱外磁场对材料本身的磁化作用。工程上使用的强磁性料是铁磁性材料，铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测试仪表等。顺磁材料用于电磁铁、电器开关、电机、液压控制开关等。抗磁性材料则用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料,第二节 金属材料的物化性能,2、化学性能 (2)抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力,称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加剧。例如钢材在铸造、锻造、热处理和焊接等热加工时表面的氧化现象比较严重，这不仅造成材料的过量损耗，还可能形成各种缺陷。为此，在加工时常在工件的周围形成一种保护气氛，避免金属材料的氧化。比如炼钢时上端为二氧化碳气体，焊接时用不同的保护气体以避免金属

15、被氧化。,第二节 金属材料的物化性能,2、化学性能 (3)化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件须选用热稳定性好的材料来制造。,第三节 金属材料的工艺性能,工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，即金属材料采用某种加工方法制成产品的难易程度。金属材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。,第三节 金属材料的工艺性能,1铸造性能 金

16、属在铸造成形过程中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析等。 (1)流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。,第三节 金属材料的工艺性能,1铸造性能 (2)收缩性。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的能力称为收缩性。铸件收缩不仅影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故用于铸造的金属其收缩率越小越好。,第三节 金属材料的工艺性能,1铸造性能 (3)偏析。金属凝固后，内部化学成分或组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸铁产生铸造缺陷。,第三节 金属材料的工艺性能,2.锻造性能 锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的