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1、机械设计基础 多媒体课件,编 辑：李光玲 动画制作：李光玲 文 字：李光玲,1.4 金属材料的性能,1、金属材料的性能,使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性能：,指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,2、金属材料力学性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,强度,一、材料的拉伸曲线,1、oe段：直线、弹性变性,2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形,5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩
2、小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。(强化阶段),3、s s段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形,1.4.1金属材料的力学性能,低碳钢的拉伸曲线图,(a)原始试样 （b)拉伸后试样 圆形拉伸试样,长试样:l0=10d0 短试样l0=5d0,低碳钢的拉伸过程,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。,二、强度的指标,3、抗拉强度b,指试样拉断前所承受的最大拉应力。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,2、屈服点,b = Fb/S0,当材料的内应力b时，材料将产生断裂。 b常用作脆性材料的选材和
3、设计的依据。,s = Fs/S0,1、弹性极限e,e = Fe/S0,没有明显屈服现象的金属材料（铸铁、高碳钢）： 工程上规定 用条件屈服点（ 0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。,4.低碳钢和铸铁在压缩时的力学性能,塑性,塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。,1、断后伸长率,2、断面收缩率,指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。,指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,L0:标距 Lk:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。,S0 :试件原横截面积。 Sk:断裂后颈缩处的横截面积，
4、用卡尺直接量出。,5%为塑性材料， 5%为脆材料,硬度,1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和压痕或划痕的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,2、硬度的测试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度,1、布氏硬度试验（布氏硬度计）,原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如：120HBS（用钢球压头 ） 500HBW（硬质合金球）,4、测量范围 用于测量灰铸
5、铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,一、布氏硬度,3、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低,南山学院,1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）,原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC,4、测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,二、洛氏硬度,3、优缺点 （1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应
6、测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。,洛氏硬度测量原理图,将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后, 测量其残余压入深度h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。,韧性,韧性是指材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。 用冲击吸收功除以试样缺口处截面积
7、 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。,冲击吸收功:AK=mgh1-mgh2 (J) 不用计算,从试验机上获得 AK越大,材料的韧性越好,冲击韧度:k=AK /S,疲劳强度,在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。,材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用r表示。,1.4.2 金属材料的加工工艺性能
8、,金属材料的一般加工过程如下：,1.焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。,2.切削性能 切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。 金属材料具有适当的硬度(170 HBS230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性
9、能。,3.压力加工性能金属材料在外力的作用下变形成为零件的加工方法称为压力加工。压力加工分为热压力加工（锻造）和冷压力加工（冲压）。压力加工性能是指材料是否易于用压力加工方法制成零件的性能。如锻造性能。它主要取决于金属的塑性和变形抗力。,1.4.2 金属材料的加工工艺性能,流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。 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。 收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。 偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成
10、分和组织的不均匀现象称为偏析。 偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。,1.4.2 金属材料的加工工艺性能,4.铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。,5.热处理性能 金属经热处理可使性能顺利改善的性质称为热处理性能。钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好, 碳钢的淬透性较差。 铝合金的热处理要求较严。 铜合金只有几种可以用热处理强化。,1.5 钢的热处理方法及目的,1、热处理的概念,2、热处理的目的,将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需
11、组织与性能的工艺。,（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能,钢的热处理原理,根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：,1、整体热处理,2、表面热处理,表面淬火、气相沉积,3、化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗,退火、正火、淬火、回火,1.5 钢的热处理,热处理的理论依据,1.5 钢的热处理,钢的退火与正火,1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。,2、目的：1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；2）细化晶粒，消除组织缺陷；3）消除内应力 。,一、钢的退火,1.5 钢的热处理,3、分类：根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火
12、和去应力退火。 （1）完全退火1、定义：将钢加热Ac3以上3050C,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500C以下，出炉空冷。2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。3、适用范围：亚共析钢型材。,1.5 钢的热处理,（2）球化退火1、定义：将钢加热到Ac1以上2030 C,保温后随炉缓冷至600 C，出炉空冷。2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。,1.5 钢的热处理,（3）去应力退火1、定义：将钢加热到500-600 C,保温后随炉缓冷至200-300 C出炉空冷。又称低温退火。2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的
13、内应力 。（没有发生组织变化）3、适用范围：用于所有的钢。,1.5 钢的热处理,二、钢的正火,1、概念：将钢件加热到Ac3或Accm线以上3050 C ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。,2、目的：1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理；3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。,1.5 钢的热处理,退火与正火的加热温度范围,1.5 钢的热处理,正火和退火比较:,正火的冷却速度稍快一些，正火组织比较细，其硬度高，强度高； 操作简便，生产周期短，能耗少。,选择:,一般情况下，优先考虑采用正火； 当零件复杂时，则用退火； 正火作为较重
14、要零件的预先热处理（正火球化退火或淬火）,正火作为一般零件的最终热处理。,2、目的：提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。,1、概念：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。,三、钢的淬火,1.5 钢的热处理,3、淬火剂：水、矿物油、盐水和碱水等。,为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。,4. 淬火方法:,1.5 钢的热处理,4、淬火方法：（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。 特点：操作简单，容易实现自动化。
15、（2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。特点：可防止变形与开裂。（3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。特点：有效减小内应力，防止变形与开裂； 但只适于小尺寸工件。,1.5 钢的热处理,四、钢的回火,1、回火的概念：将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保 温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。,2、回火的目的：降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。,1.5 钢的热处理,3、回火的种类 按回火温度的不同，回火可分以下三种：低温回火：150 C 250 C 中温回火：350 C 500 C 高温回火：500 C 650 C
16、,1.5 钢的热处理,1、低温回火（150250）C 目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应 力,减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。2、中温回火（350500）C 目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35-45HRC.主要用于：弹性零件及热锻模具等。3、高温回火（500650）C 目的：获得良好的综合力学性能。又称调质处理。硬度为25-35HRC.主要用于：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。,1.5 钢的热处理,回火的种类,五 钢的表面热处理,为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理. 1、表面淬火1)、概念：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺。,
