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1、金属材料 与热处理,单元一 金属材料的力学性能 单元二 金属材料的工艺性能,内 容,掌握金属材料的强度和塑性的概念; 掌握金属材料的疲劳强度的概念; 掌握金属材料冲击韧性的概念; 掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法; 了解材料性能的表示方法。,教学目的和要求,一、强度、塑性; 二、疲劳强度; 三、冲击韧性; 四、硬度,教学内容摘要,利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。,教学重点、难点,教学难点,强度、硬度、塑性和韧性的概念。,教学重点,金属材料的基本知识,1.金属材料的类型:,具有金属光泽。 具有较好的延展性,容易加工成型。 易导电、传热,是热和电的良导体。,2. 金属材料的特点:,3.
2、 金属材料性能,使用性能,力学性能 (强度、硬度、塑性、韧性等) 物理性能(指熔点、导热性、导电性、磁性等) 化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等) 其它性能 (耐磨性、热硬性、消振性等),工艺性能加工成形的性能,静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷; 冲击载荷是指突然增加的载荷; 疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。,根据载荷作用性质不同,静载荷,冲击载荷,疲劳载荷,是指金属材料在外加载荷作用下所表现出来的抵抗能力。,1.1 金属材料的力学性能,工件在不同载荷形式下产生的变形,抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度,根据所加载荷形式的不同,强度表现为:,拉伸试验,(金属
3、的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定),GB/T228.1-2010,拉伸试样 (低碳钢),长试样:L0 =10d0,短试样:L0 =5d0,液压式万能电子材料试验机,拉伸试验机,拉伸试验(应力应变)曲线,e 弹性极限点 S 屈服点 b 极限载荷点 (缩颈点) K 断裂点,(1) 弹性变形阶段 (2) 屈服变形阶段 (3) 强化阶段 (4) 缩颈阶段,拉伸过程变化的三个阶段,拉伸试样的颈缩现象,弹性与塑性,弹性: 金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能回复其原来形状的性能,叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形,叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变
4、形,叫做塑性变形。,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。,灰铸铁的拉伸曲线,强度:用于表示金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。,工程上常用的强度衡量指标,屈服点 屈服强度 抗拉强度,注意:一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。,1.1.1 强度,对具有明显屈服现象的材料 金属材料产生屈服现象的最低应力值称为屈服强度,用 ReL 表示,即,对无明显屈服现象的金属材料 常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点,称为名义(条件)屈服强度,用 Rp0.2表示。如高碳钢、铜合金、铝合金等。,(MPa),(MPa),条件屈服强度:,1
5、. 屈服点、屈服强度,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,屈服强度:,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,2. 抗拉强度(强度极限),是指试样在拉断前所承受的最大应力。即:,式中:,Fm试样在拉断前所受到的最大载(N);,So试样原始横截面积( )。,Rm抗拉强度,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,(MPa),屈强比(ReL/ Rm ): 0.60.85 屈强比高,材料利用率越高; 屈强比低,零件的可靠性越高 综合考虑材料利用率和安全性,1. 1. 2 塑 性,塑性: 金属材料在外力作用下,产生永久变形而不致引起破坏的性能。 塑性的衡量(塑性指标):伸长率 A和断面收缩率 Z。 A 、Z
6、越高,材料的塑性越好,A 10% 属塑性材料,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,2. 伸长率(A) 是指试样拉断后的标距伸长量 与原始标距 之比。 用A表示,即,1.断面收缩率(Z) 是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。用下式表示,即:,1. 1. 3 硬 度,硬度的含义,布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度,是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表示金属材料抵抗局部变形的能力。,硬度的表示方法,常用的表示方法,压入法 划痕法 回跳法,用一定直径的压头(球体),以相应试验力压入待测表面,保持规定时间卸载后,测量材料表面压痕直径,以此计算出硬度值。,1. 布氏硬度,(1)
7、布氏硬度测量原理,布氏硬度计,淬火钢球 HBS (硬度值450的材料) 硬质合金钢球 HBW (硬度值450650的材料),(2)压头:,(3)表示方法,例如:350HBS 、 600HBW 一般,数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以及保存时间。单位为MPa(通常不标明),布氏硬度的优点:测量误差小,数据稳定。 缺点:压痕大,不宜测量成品零件或薄件的硬度,以及比压头还硬的材料。,布氏硬度适用于:常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料,毛坯。 当HBS450 时有效(HBW450-650),(4)布氏硬度特点,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径
8、1.588mm的淬火钢球,以相应试验力压入待测表面,保持规定时间卸载后卸除主试验力,以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。 实际测量时,硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。,(1)洛氏硬度测量原理,2 . 洛氏硬度,洛氏硬度计,(2) 洛氏硬度的分类及应用,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度,不可直接比较大小,表示为:硬度值+三种不同的标尺代号。(无单位) 例如:2085HRA 20100HRB 2070HRC,(3)洛氏硬度表示方法,HR = (k-h) / 0.002 不写单位,(4)洛氏硬度特点:,优点:,缺点 :,测量操作简单,方便快捷,压痕小;测量范围大,能测较薄工件。,测量精
9、度较低,可比性差,不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广泛的硬度试验方法。 可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。,(5)洛氏硬度应用:,布氏硬度与洛氏硬度的比较,洛式硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用成品和薄片,归于无损检测一类;布式硬度压痕较大,测量值准,不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类。 洛式硬度的硬度值是一无名数,没有单位。(因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。) 布式硬度的硬度值有单位,且和抗拉强度有一定的近似关系。 洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示,操作方便,快捷直观,适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直
10、径,然后查表或计算,操作较繁琐。 在一定条件下,HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为:1HRC1/10HB。,3 .维氏硬度(HV),维氏硬度(HV)测试计,用压头为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面,保持规定时间卸载后,在试样表面留下一个四方锥形的压痕,测量压痕两对角线长度,以此计算出硬度值。 (2)表示方法 维氏硬度用符号HV表示,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。 例如:580HV/30/20,(1)维氏硬度测量原理,优点:适用范围广,从极软到极硬材料都可测量;测量精度高,可比性强;能测较薄工件。,缺点:测量操作
11、较麻烦,测量效率低。,(4)应用:广泛用于科研单位和高校,以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,(3)特点:维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,1.1.4 冲击韧性,1. 冲击韧性,是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。,摆锤式一次冲击试验,小能量多次冲击试验,冲击韧性的测定方法,摆锤式一次冲击试验,摆锤式冲击实验机,试验原理,试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功(Ak ) 等于摆锤冲击试样前后的势能差。,( J ),冲击韧度ak,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,(J/cm),标准冲击试样有两种,一种是形缺口试样,另一种是形缺口试样。
12、它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。,材料的ak值愈大,韧性就愈好; 材料的ak值愈小,材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明,材料的ak值随试验温度的降低而降低。,2. 断裂韧性,低应力脆断 工程零(构)件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂,称为低应力脆断。 低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷,如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷,裂纹在应力的作用下失稳而扩展,最终导致零(构)件断裂。,1.1.5 疲劳强度, 疲劳破坏,零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下,经过一定的循环次数后也会发生突然断裂,这种现
13、象称为疲劳断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。, 疲劳破坏,材料在对称载荷下的应力变化规律。, 疲劳强度,材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的循环次数一般取 N = 107,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: R-1 = (0.450.55) Rm,疲劳曲线, 产生疲劳破坏的原因,材料有杂质、表面划伤等缺陷,应力集中,微裂纹,裂纹扩展,破 坏, 提高疲劳强度措施,材料方面 保证冶炼质量,减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。 设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变,以避免应力集中及其所引起的疲劳裂
14、纹。 工艺方面 降低零件表面粗糙度,并避免表面划痕、碰伤,防止这些地方出现形成疲劳裂纹;采用表面强化方法,如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等,降低材料表面形成裂纹的可能性。,1.2 金属材料的物理性能和化学性能,1.金属材料的物理性能:,比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、 热膨胀系数。,2.金属材料的化学性能:,耐酸性、耐碱性、抗氧化性。,成形工艺的应用,重要环节: 热处理,?,1.3 金属材料的工艺性能,金属材料的工艺性能:是指用不同的加工手段所表现出来的难易程度。,铸造性能(流动性、收缩、偏析等) 锻压性能 切削加工性 焊接性 热处理性能,小 结:,1.强度、塑性的拉深实验测试;三种不同硬度的测试方法。,2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含义、特点、表示方法、及衡量指标。,3.力学性能的实际应用,提高疲劳强度的措施。,本单元了解了金属材料的类型和性能。重点学习了金属材料的力学性能的指标:强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度。,研究的意义:,性能决定了材料的用途。 性能决定了材料和零部件生产方法。 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。,材料性能总结,课后作业题,1.什么是金属材料力学的性能?它与什么因素有关? 2.什么是强度?塑性?硬度?韧性?,谢谢大家!,