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1、子模块 LA2 金属材料一、金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。（一）工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。1、铸造性能：金属在铸造成形的过程中，获得外形准确、内部健全的铸件的能力2、可焊性：材料在规定的施焊条件下，焊接成设计要求所规定的构件并满足预定服役要求的能力。3、可锻性：材料在锻造过程中经受塑性变形不开裂的能力。4、热处理性能：对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却
2、，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。5、切削加工性：切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性等。（二）使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。1、力学性能：金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能（过去也称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲等），对金属材料要求的力学性能也将不同。如图LA2
3、-1。图LA2-1金属受载荷时变形的分类：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。 （1）强度：这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为：抗拉强度极限（b）：材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。抗弯强度极限（bb）：抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考察脆性材料的强度。抗压强度极限（bc）等。 图LA2-2 低碳钢拉伸曲线图测定的强度指标主要有：（如图LA2-2低碳钢拉伸曲线图）a、强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以b表示。 b、屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极
4、限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用s表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。c、弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以e表示，单位为兆帕（Mpa）。 d、弹性模数：材料在弹性极限范围内的应力与应变（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=/=tg式中为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。
5、 （2）塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性。通常以拉伸试验测得，以伸长率和断面收缩率等指标表示。伸长率：=(L1-L0)/L0100%，式中：L0：试样原始标距长度； L1：试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度。断面收缩率=1-(D1/D0)2100%式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。与值越大，表明材料的塑性越好。如图LA2-3图LA2-3（3）硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。因此，硬度与强度有着一定的关系。根据硬度的测定方法，主要可以分为： a、布氏硬度（代号HB）,用一定
6、直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F。在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值。如图LA2-4： 图LA2-4b、洛氏硬度（HR）用有一定顶角（例如120）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕。由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示。根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以
7、HRC为最常用。洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间的换算关系：HRC0.1HB。如图LA2-5：图LA2-5c、里氏硬度（HL）：是目前最新颖的硬度表征方法，利用里氏硬度计进行测量，其检测原理是：里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放，冲头快速冲击在试件表面上，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的冲击速度与反弹速度（感应为冲击电压和反弹电压），里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示：HL=(Vr/Vi)1000式中：HL-里氏硬度值；Vr-冲头反弹速度；Vi-冲头冲击速度（注：实际应用装置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。里氏硬度计
8、是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。除了最常用的洛氏硬度HRC、布氏硬度HB和里氏硬度（HL）外，还有维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、显微硬度。 d、韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性： k=Ak/F 单位J/cm2或Kgm/cm2，1Kgm/cm2=9.8J/cm2式中：k：金属材料的冲击韧性Ak：为冲击
9、功F：为断口的原始截面积。（5）疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度s），未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂，金属不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限，用1表示，单位Mpa。金属材料疲劳断裂的特点是： （1）载荷应力是交变的； （2）载荷的作用时间较长； （3）断裂是瞬时发生的； （4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲劳：指在低应力条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。高周疲劳一般简称为疲劳。 （2）低周疲劳：指在高应力或高应变条件下
10、，应力循环周数在10000100000以下的疲劳。也称为塑性疲劳或应变疲劳。 （3）热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。 （4）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质的共同作用下，所产生的疲劳破坏。 （5）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。 2、化学性能金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。 3、物理性能金属的物理性能主要考虑： （1）密度（比重）：=P/V单位g/cm3。式中P为重量，V为体积。如表LA2-1 表LA2-1 常见金属材料的比重名称比重名称比重名称比重镁1.
11、7铜8.89白口铁7.27.5铝2.7银10.5钢7.87.9锌7.19铅11.3黄铜8.58.6锡7.3金19.3青铜7.4-9.2铁7.85铂21.45铝合金2.553.00镰8.9灰口铁6.87.4镁合金1.751.85（2）熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。如表LA2-2表LA2-2 常见金属材料的熔点名称熔点()名称熔点()1名称熔点()钨3400镍1455锌419钼2622锰1230铅327钛1800铜1083锡232铬1765金1063铸铁1200钒1900铝658碳钢14501500铁1538镁627青铜865
12、900 （3）热膨胀性：随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化1时，材料长度的增减量与其0时的长度之比。 （4）磁性：能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。 铁磁性金属当加热到某一温度时，就会失去磁性，该温度称为居里点。铁的居里点是7680C，镍的居里点是3600C。（5）导电性：金属传导电流的性能称为导电性。导电性好的金属电阻小，导电性差的金属电阻大。导电性最好的金属是银，其次是铜、铝。 （6）导热性：金属传导热量的性能称为导热性
13、。在制造散热器、热交换器等零件时，就要选用导热性好的材料。金属材料的导热性各有不同，设导热性最好的银的导热率为l，则铜的导热率为0.9，铝为0.5，铁为0.15，汞为 O02。（7）耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗各种介质腐蚀的能力，称为耐腐蚀性。在使用这些耐腐蚀性较差的金属时，常需要在表面进行喷漆、电镀等防护。（8）抗氧化性：金属材料在高温下抵抗氧化的能力，称为抗氧化性或热安定性。二、碳素钢对于含碳量小于211并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金，就称为碳素钢，简称碳钢。 碳素钢的分类方法，常用的有以下几种。1、按含碳量分类（1）低碳钢含碳量小于O25；（2）中碳钢含碳量在O25O60范围
14、内；（3）高碳锕含碳量大于060。 2、按质量分类（1）普通质量钢：钢中硫、磷含量较高，允许硫含量不大于0055，磷含量不大于O045。（2）优质钢：钢中硫、磷含量较低，允许硫含量不大于0045，磷含量不大于O040。 高级优质钢钢中硫、磷含量很低，允许硫含量不大予O030，磷含量不大于O035。3、按用途分类（1）碳素结构钢用于制造机械零件和工程结构的钢。（2）碳素工具钢用于制造各种加工工具(刀具、模 具)和量具的钢。三、碳素结构钢 碳素结构钢按钢的质量，可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。1、普通碳素结构钢分类和牌号（1）甲类钢按机械性能供应的钢（用A表示）。（2）乙类钢按化学成分供
15、应的钢（用B表示）。（3）特类钢按机械性能和化学成分供应的钢（用C表示）。阿拉伯数字表示不同牌号的顺序号。对于转炉冶炼的钢，还应标出炉别，氧气转炉钢标以符号“y”，碱性空气转炉钢标以符号“J”。沸腾钢在牌号末尾加符号“F”，半镇静钢加符号“b”。2、性能和用途 。（1）甲类钢：是按机械性能供应的钢。甲类钢的牌号数字愈大，则钢的强度愈高，而塑性愈低。 如：A1、A2、A3钢为低碳钢，具有良好的塑性和韧性，但强度不高，多轧制成钢板、圆钢、扁钢、钢筋等，制造桥梁和金属结构件或制造受载荷不大的铆钉、螺母、垫圈、轴套、蒸汽机车鞲鞴杆等零件。一般都在供应状态下使用，不进行热处理。 A4、A5钢为中碳钢，常用来制造承受中等载荷的零件
