工程材料与机械制造基础-2-金属材料的主要性能

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1、工程材料与机械制造基础海洋科学与技术学院海洋科学与技术学院 贾贾 非非Dalian University of TechnologyDalian University of Technology第二章 金属材料的主要性能*主 要 内 容l一、静载荷下金属材料的力学性能l二、动载和高温下金属材料的力学性能l三、金属材料的物理、化学和工艺性能*材料的性能 使用性能：材料在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。神舟一号飞船*金属材料的力学性能 力学性能： 指材料在力或能量的作

2、用下所表现出的行为。 影响材料力学性能的因素：作用力特点：如力的种类（静态力、动态力、磨蚀力等）；施力方式：速度、方向及大小的变化，局部或全面施力等；应力状态：简单应力拉、压、剪、扭、弯，复杂应力两种以上简单应力的复合；受力状态下所处的环境：温度、压力、介质、特殊空间等。*静载荷下金属材料的力学性能* 力学试验的对象，可以是构件、零部件或材料。 构件或零部件的试验，主要是考验它在类似服役条件 下的行为，试验时的外载分布、温度变化、介质条件 等都尽可能复现其实际使用的状态，以考核其结构强 度、使用寿命、失效形式。 一些大型构件不便于用实物直接试验时，也可以采用 模型或模拟的试验方法。这些试验多半

3、是在复杂的加 载条件下进行的，不能以材料的基本力学性质试验来 代替，甚至零部件的试验也不能代替整机的试验。静载荷下金属材料的力学性能* 材料的力学试验则是在从金属材料中加工出的试样上 进行的，是力学试验的基础工作。 力学试验的目的： 确定材料在各种受载条件下的行为，为工程设计提 供依据。 材质的比较性检验。如具有持定用途的材料的筛选 ，企业中原材料、半成品或产品的质量控制等。 通过力学行为与金属内部状态研究的配合，掌握力 学性质变化的基本原理，各种因素影响的本质，为高 性能材料的研制提供指导。静载荷下金属材料的力学性能* 力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条件而变化。外界因素可以

4、直接影响材料的性质，也可能通过改变其内部组织而影响它的力学行为。 在力学件质的研究中，仅依靠力学试验的结果是不够 的。为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、 点 阵类型、缺陷分布等关系发掘出来，就必须配合 进行各种组织检验、结构分析、断口研究、应力分析 、物理性质测试等多种试验工作，这些试验与力学试 验相配合，可以有效地揭示材料行为的内在本质，是 力学冶金学科发展的实验基础。静载荷下金属材料的力学性能*一、 强 度四、 冲击韧性三、 硬 度二、 塑 性静载荷下金属材料的力学性能*（一）强度的测定拉伸实验（二）强度的概念（三）强度指标一、 强 度静载荷下金属材料的力学性能*强度的测定-拉伸实

5、验拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0 *强度的测定-拉伸实验力伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段拉伸试验机低碳钢拉伸力与伸长量的关系曲线。*强度的测定-拉伸实验力伸长曲线弹性变形阶段 外力不超过Fe，材料只产生可恢复的弹性变形。 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能 恢复其原来形状的性能。 弹性变形 随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其 大小与外力成正比。 塑性变形阶段 外力超过Fe后，试样开始产生永久变形（在外力去除后保留下来的不能恢复的变形），即塑性变 形。*强度的测定-拉伸实验LF

6、0脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。*低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力 = F/A0 应变 = (l-l0)/l0强度的测定-拉伸实验*弹性和刚度 弹性：指标为弹性极限e， 即材料承受最大弹性变形时 的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性 变形的能力。指标为弹性模 量E。 e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 *强度与塑性 材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。应用强度是机械零件（或工

7、程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。强度的概念*强度指标 屈服强度s：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，即材料发生微量塑性变形时的应力值。屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续 伸长时的应力。FsA0s=计算公式*强度指标 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的 应力值。脆性材料的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力。LF0F0.20.2%L0应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。F0.2A00.2=计算公式*强度指标 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。b=FbA0应用：脆性材料

8、制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。计算公式*塑性衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。塑性：*塑性指标伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象*塑性指标 说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为 常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用10表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 10 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征*塑性指标 屈强比 用s/

9、b表示，可反映材料屈服后强化能力的高低，其 值一般在0.650.75之间。 屈强比越小，表示材料屈服极限与强度极限的差距越 大，塑性越好，发生脆性破坏的可能性越小，工程构 件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂。但屈强 比太小，也使材料在弹性变形范围内承受载荷小，强 度水平就不能充分发挥。 屈强比越大，屈服极限接近强度极限，承载能力越强 ，材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感， 耐疲劳抗力下降，并容易发生脆性破坏。*静载荷下金属材料的力学性能 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标，反映材料抵抗硬物压入表面的能力，也可看作是材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。测量硬度的试验方

10、法很多，主要有压入法、回跳法和刻画法三大类。生产中应用最多的是压入法测得的硬度，主要有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等几种不同的测定方法。*硬度*布氏硬度计 布氏硬度HB: 采用一定直径的钢球或硬质合金压头，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，得到一直径的压痕，载荷除以压痕表面积的值。硬度* 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布 氏硬度在650以下的材料。l符号HBS或HBW之前的数字表示 硬度值, 符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径、载荷及载荷保 持时间。如 120HBS10/1000/

11、30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷 作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度* 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。 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)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁布氏硬度*布氏硬度试验规范金属类型布氏硬度值 /HBS或HBW试样厚度 /mm试验力与压头 直径的关系 0.102

12、F/D2压头直径 D/mm试验力 F/N持续时间 t/s黑色金属 14063 42 23010 5 2.529.42103 7.355103 1.83910310151406 63 31010 5 2.59.807103 2.452103 612.41015有色金属 13063 42 23010 5 2.529.42103 7.355103 1.8391033023513093 63 310（5或15）10 5 2.59.807103 2.452103 612.4302356 63 35（2.5或1.5）10 5 2.52.452103 612.4 153.2602*硬度 洛氏硬度 把具有标准

13、形状和尺寸的压头（金刚石圆 锥或大钢球），先用一初载荷F0压入材料，压到位置 1-1，压入深度为h1。再加一主载荷，压到位置2-2。 最后撤去主载荷（初载荷不撤掉），压痕弹回至位置3 -3，其深度为h3。用两次载荷作用后的深度差h=h3- h1表示洛氏硬度。 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 *h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度* 符号HR前面的数字为硬度值 ，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料, 如 硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料, 如 有色金属和退火、正

14、火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料， 如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便， 压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与 金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度*洛氏硬度试验适用范围硬度符号压头类型初始试验力 F0/N主试验力 F1/N硬度范围HRA120金刚石圆锥98.07490.32088HRAHRB直径1.588mm钢球98.07882.620100HRBHRC120金刚石圆锥98.071373.02070HRC*硬度 维氏硬度 原理基本上和布氏硬度相同，压头是金刚石的正四棱锥体。在试验力F的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，计算压痕的表面

15、积A，以压痕单位面积上的力表示试样的硬度值，用符号HV表示。 金刚石压头上两相对面间夹角为136，这是为了在较 低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或接近。*维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度* 维氏硬度符号HV，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硬度*维氏硬度试验适用范围试验标准硬度符号试验力 F/N试样或试验层厚度试样要求GB/T 4340-84金属维氏硬度试验 方法HV5HV10049.03980.7至少为压痕对角线平 均长度的1.5倍，即 1.5d试验面为平面，表面粗糙 度Ra=0.2；从曲面上测得硬度值按标准附录修正GB/T 5030-85金属小负荷维氏硬 度试验方法HV0.2HV31.961 49.031.5d试验面为平面，表面粗糙 度Ra=0.1；从曲面上测得硬度值按标准附录修正GB/T 4342-91金属显微维氏硬度 试验方法HV0.01HV0.198.0710-3 1.9611.5d试验后支撑背面不应 出现变形痕迹试验面为光滑平面，表面 粗糙度Ra不大于0.1m各种硬度大致的换算关系如下：1HBS10HRC；1H