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1、江苏工业学院机械工程系油气储运教研室储运焊接与安装技术教案及讲稿教学内容（讲稿）强度与塑性、金属的晶体结构与结晶第一章材料的力学性能金属材料性能分：使用性能、工艺性能。使用性能：为保证设备等能正常工作，金属材料应具备的性能，在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）和化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能：在制造过程中，金属材料适应各种冷、热加工的性能。如铸造性、锻造性、焊接性、热处理性、切削加工性等。力学性能指在使用过程中，要受到各种载荷的作用，金属材料在载荷作用下所反映出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击吸收功、疲劳极限、断裂韧度等。命材
2、料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形一塑性变形一断裂。弹性变形是外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形是外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形。拉伸试验：可求出金属材料的强度与塑性。 标滩撞伸试榨图拉伸实验力一伸长曲线n 20D40()6t0 KOO2? X (r1|11n 510O0 5 0 5 E- 3 I不同材料的拉伸应力一应变曲线、强度 强度指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。应力指材料单位面积上的内力。内力是当金属材料受载荷作用未引起破坏时，其内部产生与载荷相平衡的力。1. 屈服点与规定残余伸长应力屈服点指金属材料开始产生屈服现象
3、时的最低应力。用符号O s表示：O s=Fs/SoFs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） So：试样原始横截面积（平方毫米）2. 抗拉强度抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力，用符号0 b表示。O b=Fb/SoFb：试样承受的最大拉伸力（N） So：试样原始横截面积（平方毫米）三、塑性指标 塑性：材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。1. 断后伸长率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用符祟表示。喝=(11-10)/ 10X100%2. 断面收缩率试样断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号中表示。即W =(S0
4、-S1)/S0X100%断面收缩繁不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，且 在使用中万一超截，由于变形而能避免突然断裂。故大多数机械零件除要求具用较高的强度外，还须有定塑性。一般情况，伸长率达5%或断面收缩率达10%的材料，即可满足大多数零件的使用要求。第二节硬度硬度指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合 的物理量。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压痕
5、的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、IW U布氏硬度试皑蛾度用HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。一、布氏硬度1、试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压 入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球 形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受 的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”2F表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“ HBW ”表示。HBS （HBW ） = = 0.012 H 凹- d2 ）HBS（HBW）:用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬
6、度值；直径（mm）.F：试验力（N）； d：压痕平均直径（mm）；D：钢球（硬质合金球）布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位。2、选择试验规范在进行布氏硬度试验时，钢球直径D、施加的试验力F和试验力保持时间、应根据被测试金属的种类和试样厚度，按下表所示的布氏硬度试验规范正确地进行选择。布氏硬度试验规范材料布氏硬度0.102 F/D2钢及铸铁 1401030铜及其合金 13051030轻金属及其合金 80251010铅、锡1.25备注F单位:D单位:Nmm由布氏硬度值的计算公式可以看出，当所加试验力F与钢球（或硬质合金球）直径D已选定时，硬 度埴HBS （HBW）只与压痕
7、直径d有关。d越大，则HBS （HBW）值越小，表明材料越软；反之，d越 小，HBS （HBW）值越大，表明材料越硬。除采用钢球（或硬质合金球）直径D为10mm，试验力F为3000 kgf（29421N），保持时间10 一 15s的试验条件外，在其它试验条件下测得的硬度值，应在符号HBS的后面用相应的数字注明压头直江苏工业学院机械工程系油气储运教研室储运焊接与安装技术教案及讲稿径、试验力大小和试验力保持时间。如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的钢球作压头，在1000kgf（9807N）的试验力作用下，保持时间为 30s后所测得的硬度值为120。如500HBW5/750，即表示
8、用5mm的硬质钢球作压头，在750kgf（735N） 的试验力作用下，保持时间为01-15s后所测得的硬度值为500。淬火钢球用于测定硬度HBSV450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材 等。为了避免压头变形，可用硬质合金球压头，它适用于测试HBWV650的金属材料。（我国目前布氏 硬度试验机压头主要是淬火钢球。）3、试验的优缺点布氏硬度试验优点：试验时使用压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。 布氏硬度试验缺点：对金属表面损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。 布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如
9、铸铁）硬度。二、洛氏硬度1、试验原理Iff 1-4渣氐悝度试睑般理囹洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588 哑的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验 时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主 试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确 定被测金属材料的洛氏硬度值。c 一 h HR =洛氏硬度值，用符号HR表示。0.02c 为常数（对 HRC、HRA，c 取 0.2；对 HRB，c 取 0.26）。由此获得洛氏硬度值HR为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。2、常用洛氏硬度标尺及适用范围标尺压头类型总试验力kgf硬度值有效
10、范围应 用HRA120金刚石圆锥体60070-88硬质合金、表面淬火层或渗碳层等HRB(1/16) ” ( 1.588 哑)钢球100020-100有色金属、退火、正火钢等HRC120金刚石圆锥体150020-70淬火钢、调质钢等上述洛氏硬度三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在 中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1： 10，如40HRC 相当于400 H BS 。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（HR C为20-70）为有效。3、试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出
11、硬度值； 压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度； 对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：因压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的 硬度值。三、维氏硬度布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料。洛氏硬度试验虽可用于测定较材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。维氏硬度试验可测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。1、试验原理维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于 压头采用锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按
12、规定保持一定 时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如书上P9图1 5所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位 面积上所承受的平均压力表示，符号HV。.1362Fsin宁时= 0.102 = 0.189 pd2d2式中 F一作用在压头上的试验力（N） ,d一压痕两对角线长度的平均值（mm）,HV值的单位为N / 哑2，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。2、常用试验力及其适用范围维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03980.7N的范围内选择试验力。 常用的试验胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7NHV符号前面的数字为硬度值，后面依 次用
13、相应数字注明试验力和试验力保持时间（1015s不标注）。如6 4 0 /HV 3 0 / 2 0,表示30kgf （294.2N）试验力，保持时间为20s测得维氏硬度值为640。维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果 精确可靠。当试验力小于0.2 kgf（1.961N ）时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。3、试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约 束不存在压头变形问题；压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故
14、效率不如洛氏硬度试验高。根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它 们适用于不同的材料。各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见下表。压头匠头形状现度计算箕式器注傩视图墙祝图布氏伽度1版制球或02P im p .0.25Dd0. HIM致姓民 U云微金钢石.杨锥m为哉荷）维匠顾匝与播威硬 应所用拔荷孕同洛氏距度金婀再的花:iT径 1|111lfi.fi, .10的或111虻）HK 0.0U211 70 85胸 25 100HRC 20 670=4*0第二章金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识1、晶体与非晶体固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列特点可分为晶体与非 晶体两大类.凡原子按一定规律排列的固态物质，称晶体。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。晶体特点： 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 具有一定的熔点，如铁的熔点为1538C，铜的熔点为1083C。 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。非晶体特点： 原子在三维空间呈不规则的排列。 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性液体。如塑料、玻璃、沥青等。 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2、晶体
