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1、品质培训教材工程材料与热处理品质培训教材工程材料与热处理主编：品质部第一章 金属材料与其性能第一节 金属材料分类与其定义 （了解） 金属：是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质，如钢、铝和铜等。金属材料是由一种金属元素或几种金属元素以与金属元素和非金属元素组成的，并具有金属特性的材料，包括金属和合金两类。 纯金属由于它的强度、硬度一般都比较低，而且冶炼提纯技术复杂，在使用上受到较大的限制，因此目前广泛使用的是合金状态的金属材料。 合金：是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。如青铜（由铜和锡两种元素组成的合金）、目前使用比较广的碳素钢是由铁和碳
2、组成的金属材料。工程材料分类：工程材料分金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料。金属材料：有钢、铁、铜、铝等；有机高分子材料：棉、丝、塑料等；无机非金属材料：陶瓷、水泥、普通玻璃等；复合材料：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等。思考题：.了解金属、合金定义？小结： 第二节 金属材料的物理性能、化学性能和力学性能 （掌握）一、物理性能 金属的物理性能有密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。. 密度：用来表示某种材料单位体积的质量。 （用符号表示；公式: ，注：金属的质量 金属的体积 金属的密度 ） 密度是工程材料的特性之一，在实际工作中，某些机械零件选材料时，必须考虑金属的密
3、度，如在航空工业领域中，密度是选用材料的关键性能指标之一。.熔点：材料有固态转变为液态时的熔化温度称为熔点。 纯金属都有固定的熔点，而合金的熔点取决于成分。根据熔点不同，金属可分为低熔点（低于700）金属和难熔金属两大类（例如锡、铅、锌等属于低熔点金属；而钨、钼、铬、钒等属于难熔金属）。.导热性：材料传导热量的能力，称为导热性。导热性能是工程上选择保温或热交换材料的重要依据之一，也是确定机件热处理保温时间的一个参数。 金属导热能力的大小常用热导率表示。热导率说明维持单位温度梯度（即温度差）时，在单位时间内，流经物体单位横截面的热量，单位是()。金属材料的热传导率越大，说明导热性越好。一般来说，
4、金属越纯，其导热能力越强。导热性好的金属其散热性也好，在制造散热器、热交换器等零件时，就要注意选择用导热性好的金属。.导电性：材料能够传导电流的能力，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率表示。长1m、截面积1mm的物体在一定温度下所具有的电阻值，叫做电阻率，单位是。电阻率越小，导电性就越好。电导率是电阻率的倒数，是表示材料导电能力的性能指标。电导率大的金属，电阻值小，则导电性好。在金属中，银的导电性最好，其次是铜和铝；合金的导电性比纯金属差。工业上常用导电性好的金属制作导电材料，如纯铜、纯铝；而导电性差的材料制作电热元件，如铜合金（康铜铜、镍锰合金）制作电阻材料。.热膨胀性：材料随温度变化
5、体积发生膨胀或收缩的特性，称为热膨胀性。一般材料都具有热胀和冷缩的特点。热膨胀的大小用线胀系数或体胀系数来表示。线胀系数的计算公式为（体胀系数约为线胀系数的倍） (其中式中膨胀前的长度；膨胀后的长度；温度拆；线胀系数) 在工程实际中，许多场合要考虑热膨胀性。如相互配合的柴油机活塞和缸套之间间隙很小，即要允许活塞在缸套内往复运动，又要保证其气密性，这就要求活塞与缸套材料的热膨胀性要相近，以避免二者卡住或漏气；又如铸造冷却时工件的体积收缩、精密量具因温度变化引起读数误差等。.磁性：金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能，称为磁性。 磁性材料中，铁与其合金（包括钢与铸铁）具有明显磁性。镍和钴也具
6、有磁性，但远不如铁。磁性只存在一定温度范围内，在高于一定温度时，其磁性就会消失。这一温度称为居里点。如铁的居里点为769，镍为358，钴为1150二、化学性能 金属与合金的化学性能：主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学浸蚀的能力，一般包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、油、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力，称为耐腐蚀性，简称耐蚀性。腐蚀对金属的危害很大。.抗氧化性几乎所有的金属都能与空气中的氧作用形成氧化物，称为氧化。如果氧化物膜结构致密，则可保护金属表层不在进行氧化，否则金属将受到破坏。金属在高温下对氧化的抵抗能力，称为抗氧化性，又
7、称抗高温氧化性。在实际使用中，有许多零件在高温状态下工作，制造这些零件的材料就要求具有良好的抗氧化性。.化学稳定性金属材料的化学稳定性是耐腐蚀性和抗氧化性的总称。在高温下工作的锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹等的零件应选择稳定性好的材料制造；在海水、酸、碱等腐蚀的环境中工作的零件，必须采用化学稳定性良好材料，如化工设备通常采用不锈钢来制造。三、力学性能 （掌握）金属材料在实际使用过程中受到外力和内力的作用，必然会产生变形。.外力（负载）外力就是指载荷，也称负载或负荷。载荷一般分为：静载荷、冲击载荷、交变载荷。1） 静载荷：是指大小不变或是缓慢变化的载荷。2） 冲击载荷：是指大小突
8、然变化的载荷。3） 交变载荷：是指大小、方向随时间周期性变化的载荷，又称循环载荷。载荷按其作用形式不同，又可分为：拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等。（如图载荷作用形式所示）.变形 金属材料受到载荷作用后，形状和尺寸发生变化，称为变形。变形按卸除载荷后能否完全消失，分为：弹性变形和塑性变形两种。）弹性变形：材料在载荷作用下发生变形，当载荷卸除后，变形也完全消失。这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。）塑性变形：当作用在材料上载荷超过某一限度，此时若卸除载荷，大部分变形随之消失（弹性变形部分），但是留下了部分变形不能消失，这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形，又称为永久变形。.内力和应力
9、当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。或物体由于外因（受力、温度变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。可用公式： (式中，外力， 横截面积 ， 应力)提示：应力往往不是均匀地分布在截面上。若零件截面有突变，如有孔或沟槽等存在时，在其附近的很小范围内应力显著提高，这种应力局部增大的现象称为应力集中，实践证明，应力集中对零件的安
10、全使用是不利的，而一般计算物体应力是以均匀分布为条件的。金属材料在载荷的作用下所表现出来的一些列力学特性，如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳等，称为金属材料的力学性能。这些力学性能指标反映了金属材料在各种形式载荷作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与各种加工工艺也有密切关系，是选用金属材料的重要依据。注： ，强度或抗拉强度：是指金属材料在静荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。（根据载荷作用形式的不同，强度可以分为：抗拉、抗压、抗扭和抗弯强度等，一般是以抗拉强度作为最基本的强度指标）；或材料承受拉应力而不破坏的能力或试样拉断前承受的最大标称拉应力叫抗拉强度；（或者说，材料抵抗把它拉断的能力）（或者说，
11、材料被拉断时的拉应力）。，塑性：是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。，韧性：冲击载荷作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。，疲劳：材料在交变载荷作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。思考题： 什么是载荷？可分为哪几类？什么是金属的力学性能，金属的力学性能包含哪些？解释名词：韧性、疲劳、硬度、塑性、抗拉强度、静载荷、交变载荷、冲击载荷？小结： 第三节 金属材料力学性能的测量，强度（抗拉强度）的测量强度是指金属材料在静荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。根据载荷作用形式的不同，强
12、度可以分为：抗拉、抗压、抗扭和抗弯强度等，一般是以抗拉强度作为最基本的强度指标。金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。拉伸试验采用静拉伸力对试验轴向拉伸，测量力和相应的伸长，一般拉至断裂，以测定其力学性能，拉伸试验方法简单，测量数据准确，是目前广泛采用的力学性能试验方法之一。 （）拉伸试样：拉伸试样的形状有圆形和矩形等，在国家力学拉伸试验标准中，对试样的形状、尺寸和加工要求都有明确的规定，其中圆形试样是最常见的。 （）拉伸试验：用缓慢拉伸力对试样轴向拉伸，测量力和相应的伸长，拉至断裂，测定其力学性能。在拉伸过程中，拉伸机上的自动绘图装置绘制出拉伸力与伸长量的
13、关系曲线，这条曲线称为力伸长曲线。 （）力伸长曲线：以下以低碳钢的力伸长曲线来说明材料的拉伸特性（低碳钢在拉伸试验过程中出现不同的变形阶段）。 如图阶段一：（弹性阶段） 试样变形完全是弹性的，卸载后试样恢复原状。在点以下，试样伸长随载荷成正比地增加，超过比例伸长力后，不成正比关系，最大弹性伸长力。阶段二：（屈服阶段） 当载荷超过时卸载，伸长的试样只能部分地恢复，保留一部分参与变形（塑性变形）。当继续保持载荷时，力指示器的指针停止转动或开始往回转，拉伸曲线图上出现平台或锯齿状，说明这时的载荷不变或减少，而试样却继续伸长，这种现象叫做屈服。屈服平台恒定的力为屈服力，屈服后材料开始出现明显塑性变形。阶段三：（强化阶段） 在屈服阶段以后，欲使材料继续伸长，必须继续施加更大的力，随着塑性变形增大，材料变形抗力不成比例地逐渐增加，这种现象叫做形变强化（或称为加工硬化）。拉伸曲线上的最大力为, 即为材料在拉伸时的最大力。在此阶段试样变形均匀。阶段四：（局部塑性变形阶段） 当载荷达到后，试样抗力下降，施加的力也随之下降，而变形继续增加，这时试样的某一部分横截面急剧缩小，出现“缩颈”，这时变形主要局限于缩颈附近，直至断裂，为断裂点应力。，强度和塑性指标 )屈服点：屈服点表示材料在试验过程中，载荷不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。其计算公式： (其中 表示屈服点；表示试样发生屈服
