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1、第1章 材料的性能,本章知识点 先导案例 第一节材料的机械性能 第二节材料的物理、化学性能 第三节材料的加工工艺性能 知识扩展 先导案例解决 本章小结 思考题,本章知识点,1掌握材料的强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等机 械性能的概念及特点。 2掌握材料的加工工艺性能。 3了解材料的物理和化学特性。,返回,先导案例,请想想该图片的零件材料具有什么性能？为什么？,下一页,返回,先导案例,金属材料的性能直接关系到金属制品和金属结构的质量、使用寿命和加工成本，是产品选材和拟定加工工艺方案的重要依据。其性能主要包括以下两个方面。 （1）使用性能，即为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应
2、具备的性能，它包括力学、物理、化学等方面的性能。 （2）工艺性能，即反映金属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。,下一页,上一页,返回,先导案例,根据载荷性质，零件受力情况可分为静载荷和动载荷两类。静载荷是指逐渐而缓慢的作用在工件上的力，如机床床头箱对床身的压力、钢索的拉力、梁的弯矩、轴的扭矩和剪切力等。动载荷包括冲击载荷和交变载荷等，如空气锤锤杆所受的冲击力。齿轮、曲轴、弹簧等零件所承受力的大小与方向是随时间而变化的载荷等。,下一页,上一页,返回,先导案例,无论何种固体材料，其内部原子之间都存在相
3、互平衡的原子结合力的相互作用。当工作材料受外力作用时，原来的平衡状态受到破坏，材料中任何一个小单元与其邻近的各小单元之间就诱发了新的力，称为内力。在单位截面上的内力，称为应力，以表示。材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形，包括弹性变形（卸载后可恢复原来形状和尺寸）和塑性变形（卸载后不能完全恢复原来形状和尺寸）。,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,一、强度 强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等，各种强度之间有一定的联系。通常多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。金属材
4、料的抗拉强度是用静拉伸力对标准试样在万能材料试验机上进行拉伸试验来测定。,下一页,返回,第一节 材料的机械性能,1拉伸试样 为了使金属材料的力学性能指标在测试时能排除因试样形状、尺寸的不同而造成的影响，并便于分析比较，试验时应先将被测金属材料制成标准试样。图1-1所示为圆形拉抻试样。图中，d0是试样的直径，l0是标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）。 2力一伸长曲线 拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力伸长曲线，也称拉伸图。图1-2是低碳钢的力伸长曲线。图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长L，单位为mm.,下一页
5、,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,由图可见，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段。 （1）Oe弹性变形阶段 当载荷不超过Fe时，拉伸曲线为直线，即试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（2）es塑性变形阶段 当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，此时若卸除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。 当载荷达到Fs时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，这表明在载荷基本不变的
6、情况下，试样却继续变形，这种现象为“屈服”。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（3）当载荷超过Fs后，试样的伸长量与载荷以曲线关系上升，但曲线的斜率比Oe段的斜率小，即载荷的增加量不大，而试样的伸长量却很大，这表明在超过Fs后，试样已开始产生大量的塑性变形。当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k点时，试样随即断裂。Fb为试样断裂时的载荷。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（4）在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本上是在整个
7、试样标距长度内发生的，属于均匀变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,3强度指标 强度指标是用应力值来度量的。根据力学原理，试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力（即内力）。单位截面积上的内力，称为应力，用符号表示。 从拉伸曲线可得出，有三个载荷值比较重要：一个是弹性变形范围内的最大载荷Fe；第二个是最小屈服载荷Fs；另一个是最大载荷Fb。通过这三个载荷值，可以得出金属材料的三个主要强度指标。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（1）弹性极限。是金属材料能保持弹性变形的最大应力，用e表示
8、。 e Fe /SO 式中Fe弹性变形范围内的最大载荷（）； SO试样原始横截面积（mm2）。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（2）屈服强度。是使材料产生屈服现象时的最小应力，用s表示。 s OS/Fs 式中Fs使材料产生屈服的最小载荷（）； SO试样的原始横截面积（mm2）。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,对于低塑性材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，因此这类材料的屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（一般用变形量为试样长度的0.2%表示）的应力为屈服强度，用0.2表示，称为条件屈服强度。即0.2 F2 . 0 /OS 式中 F0.2塑性变形量为试样长度的0.2
9、时的载荷（）；SO试样原始横截面积（mm2）。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（3）抗拉强度。试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用b 表示。 b=Fb/OS 式中Fb试样断裂前所能承受的最大载荷（N）； SO试样的原始横截面积（mm2）。 低碳钢的屈服强度s约为240MPa，抗拉强度b约为400MPa。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,工程上所用的金属材料，不仅要具有较高的s，而且要具有一定的屈强比（s/b）。屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不会立即断裂。但如果屈强比太小，材料强度的有效利用率就太低。,下一页
10、,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,二、硬度 硬度是指金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是金属材料的重要性能之一，也是检验机械零件质量的一项重要指标。由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便、迅速，又属无损检验，故在生产上和科研中应用都十分广泛。 测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法，它用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的压入法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（一）布氏硬度 布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持
11、一定时间后卸除载荷，用金属表面压痕的面积S除以载荷所得的商。作为布氏硬度值。如图1-3所示。 布氏硬度值 S/F= 式中D球体直径（mm）； F载荷（N）； d压痕平均直径（mm）。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,试验时测量出压痕的平均直径d，经计算或查表即可得出所测材料的布氏硬度值。 布氏硬度的符号是：当压头为淬火钢球时，用HBS表示，适合于布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，用HBW表示，适合于布氏硬度值为450650的材料。符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按压球直径、载荷及载荷保持时间（1015s不标注）的顺序用数字表示试验条件。,下一页,上一页,
12、返回,第一节 材料的机械性能,例如： 150HBS10/10000/30表示用直径为10mm的淬火钢球在10000N载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150； 500HBW5/7500表示用直径为5mm的硬质合金球在7500N载荷作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,由于金属材料有硬有软、有厚有薄，如果采用一种标准的载荷F和压球直径D，就会出现：若对硬的材料合适，而对软的材料会发生压球陷入金属材料内的现象；若对厚的工件合适，而对薄的工作可能发生压穿的现象。因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求使用大小不同的载荷F和压球直径D，具体情况如
13、表1-1所列。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,试验后压痕直径应在0.25Dd 0.6D的范围内，否则试验结果无效，应考虑换用其他载荷重做试验。因为若d值太小，灵敏度和准确性将随之降低，d值太大，压痕的几何形状不能保持相似关系，影响试验结果的准确性。 当试验条件允许时，应尽量选用直径为10mm的球体作压头。选用的F/D2比值不同时布氏硬度值不能直接比较。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定，数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。其缺点是压痕较大，易损坏成品的表面，不能测定太薄的试样硬度。,下一页,上一
14、页,返回,第一节 材料的机械性能,（二）洛氏硬度 当材料的硬度较高或试样过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试。 洛氏硬度试验，是用顶角为120o的金刚石圆锥或直径为1.588mm（1/16）的淬火钢球作压头，在初试验力F0及总试验力F（初试验力F0与主试验力F1之和）分别作用下压入金属表面，然后卸除主试验力F1，在初试验力F0下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入0.002mm为一个硬度单位。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,洛氏硬度试验原理如图1-4所示。图中0-0为金刚石压头没有和试样接触时的位置，1-1为压头在初载荷（100N）作用下压入试样h
15、1位置；2-2为压头在全部规定载荷（初载荷+主载荷）作用下压入h2位置；3-3为卸除主载荷保留初载荷后的位置h3。这样，压痕的深度h=h3-h1，洛氏硬度的计算公式为： 洛氏硬度值=- C/（002 . 0h） 式中h压痕深度；C常数，当压头为淬火钢球时C=130，压头为金刚石圆锥时C=100。 材料越硬，h便越小，而所测得的洛氏硬度值越大。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,淬火钢球压头适用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定，洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而作不同规定，组成不同的洛氏硬度标尺，其试验规范见表1-2。 洛氏硬
16、度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。其缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,（三）维氏硬度 维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。所不同的是所用压头锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，如图1-5所示。试验时在载荷F作用下，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积S，以F/S的数值来表示试样的硬度，用符号HV表示。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,HV= 式中F载荷（N）； d压痕对角线的算术平均值（mm）。 HV可根据所测得的d值从维氏硬度表中直接查出。,下一页,上一页,返回,第一节 材料的机械性能,由于维氏硬度所用的压头为正四棱锥，当载荷改变时，压痕的几何形状恒相似，所以维氏硬度所用载荷可以随意选择（如50N、100N、150N、2
