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1、第一章第一章 金属材料性能金属材料性能第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能第二节第二节 材料的物理、化学性能和工艺性材料的物理、化学性能和工艺性能能1第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料具有良好的各项性能。为了合理地使用和加工金属材料具有良好的各项性能。为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其金属材料，必须了解其使用性能使用性能和和工艺性能。工艺性能。使用性能：使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可靠性和寿命。靠性和
2、寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能。性能。工艺性能：工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能: :指金属材料在外力作用时指金属材料在外力作用时表现出来的性能。外力（载荷）形式主要有：表现出来的性能。外力（载荷）形式主要有：拉伸、拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等；压缩、弯曲、剪切、扭转
3、等；常用的力学性能指标常用的力学性能指标有：有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等3一、弹性和刚度一、弹性和刚度 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限Re ，即，即材料承受最大弹性材料承受最大弹性变形时的应力。变形时的应力。 图图1-2 1-2 退火低碳钢的拉伸曲退火低碳钢的拉伸曲线线4低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机5刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量性模量E(E(单位为单位为MPa)MPa)。弹性模量弹性模量E E：表征材料产生弹性变形的难易程
4、度。弹：表征材料产生弹性变形的难易程度。弹性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性模量，模量，可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。零件的刚度。弹性模量弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐渐降低外，材料的其他强化手段如热处理、冷热加工、渐降低外，材料的其他强化手
5、段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的合金化等对弹性模量的影响较小影响较小。 6二、强度与塑性二、强度与塑性1 1 强度：强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度ReRe：材料发生微量塑性变形时的应力值。：材料发生微量塑性变形时的应力值。 S S点附近点附近，发生，发生塑性变形增加而塑性变形增加而应力不增加，这应力不增加，这种现象叫做种现象叫做屈服屈服。S S点对应的应点对应的应力称为屈服强度。力称为屈服强度。7规定塑性延伸强度规定塑性延伸强度R Rp p：由由于有很多材料的拉伸曲于有很多材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点，线上没有
6、明显的屈服点，无法确定屈服极限，一无法确定屈服极限，一般工程上以般工程上以0.2%0.2%塑性变塑性变形时的应力值为该材料形时的应力值为该材料的规定塑性延伸强度，的规定塑性延伸强度，以以 R Rp0.2p0.2表示表示。特别注意：屈服强度反映材料特别注意：屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标。要的零件设计指标。8抗拉强度抗拉强度Rm Rm ：试样拉断前最大载荷所决定试样拉断前最大载荷所决定的应力值，即试样所能承受的应力值，即试样所能承受的最大载荷除以试样原始横的最大载荷除以试样原始横截面积，单位为截面积，单位为MPaMPasmsm段均匀塑性变形阶
7、段，段均匀塑性变形阶段，应应力随着应变增加而增加，力随着应变增加而增加，产生应变强化。超过产生应变强化。超过m m点后，试样开始发生局部塑性变点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E E点点迅速断裂。迅速断裂。m m点所对应的应力为抗拉强度点所对应的应力为抗拉强度R Rm ml抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计的材料评价的重要指标。计的材料评价的重要指标。92 2 2 2 塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能材料受力破坏前可承受最大塑
8、性变形的能材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。力。力。力。 断后延伸率断后延伸率断后延伸率断后延伸率 A A A A：断面收缩率断面收缩率 Z Z：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象10说明：说明： 用断面缩率表示塑性比断后伸长率更用断面缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变形。接近真实变形。 AZ 时，无颈缩，为脆性材料时，无颈缩，为脆性材料 A A11三、硬度三、硬度材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。布氏硬度布氏硬度HBWHBW布布氏氏硬硬度度计计12 布氏硬度的布氏硬度的单位为单位为N/mmN/mm2 2，但习惯
9、上只写数值而，但习惯上只写数值而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。 布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号：硬度值写在符号HBWHBW之之前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：球球体直径（体直径（mmmm）；）；试验力（试验力（KgfKgf）；）；力保持时间力保持时间（s s），如），如600HBW 1/30/20600HBW 1/30/20。布氏硬度压痕布氏硬度压痕13布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压
10、头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的铸铁及有色金属的硬度。硬度。材料的材料的Rm与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: Rm(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： Rm(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： Rm(MPa)1HB或或 Rm(MPa) 0.6(HB-40)14洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根根据据压压头头类类型型和
11、和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用用的的标尺为标尺为A、B、C。 15符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点缺点：测量结果分散度大。测
12、量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕16维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕17维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后表示，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。面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度维氏硬度试验试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优
13、点。洛氏硬度的优点。 小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计18四、冲击韧性四、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击吸指标为冲击吸收能量收能量AKU或或AKV(通过冲击通过冲击实验测得实验测得)。19五、疲劳和断裂韧性五、疲劳和断裂韧性材料在低于材料在低于Re的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为称为疲劳极限。用疲劳极限。用R-1表示。表示。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数
14、为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。20 1-疲劳源、疲劳源、2-疲劳裂纹疲劳裂纹扩展区和扩展区和3-瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口示意图疲劳断口示意图金属的疲劳极限受到很多金属的疲劳极限受到很多因素的影响，因素的影响，主要有工作主要有工作条件、表面状态、材质、条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件残余内应力等。改善零件的结构形状，避免应力集的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化值以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的的方法，都能提高零件的疲劳极限疲劳极限 。21疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提
15、高表面改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）22断裂韧性：断裂韧性：断裂韧性：断裂韧性：工程上有时会出现材料在工程上有时会出现材料在远低于抗拉强度的情况下发生断裂的远低于抗拉强度的情况下发生断裂的现象。现象。 材料中总是存在缺陷，常见的材料中总是存在缺陷，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。低应力脆性断裂。 材料抵抗
16、内部裂纹失稳扩展的材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。能力称为断裂韧性。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式23Y Y为与裂纹形状，加载方式为与裂纹形状，加载方式及试样有关的系数，及试样有关的系数，为为断裂应力，断裂应力，为临界裂纹为临界裂纹半长。半长。 l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。标。K K1c1c与与ReRe一样是材料本身的一种力学性能指标。一样是材料本身的一种力学性能指标。24六、材料的高温和低温性能六、材料的高温和低温性能零零( (构构) )件
17、服役的环境是多种多样的，如有的零件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在室温下测定的性能指标就不能代表它在高温或低温室温下测定的性能指标就不能代表它在高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一般温度升高，材料强度降低。一般温度升高，材料强度降低。251 1、高温性能、高温性能 材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。形的现象称为蠕变。 蠕变的另一种表现形式是应力松驰蠕变的另一种表
18、现形式是应力松驰，它是指承受弹性变，它是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应长工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松驰，将会使紧固失效。力松驰，将会使紧固失效。 在高温下，材料的强度是用在高温下，材料的强度是用蠕变强度和持久强度蠕变强度和持久强度来表示来表示的。的。蠕变强度蠕变强度是指材料在一定温度下、一定时间内产生一定是指材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。永久变形量所能承受的最大应力。 持久强度持久强度是指材料在给
19、定温度是指材料在给定温度T (T (单位单位)和规定的持续和规定的持续时间时间t(t(单位单位h)h)内引起断裂的最大应力值内引起断裂的最大应力值 。262 2、低温性能、低温性能随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。重时甚至发生脆断。可通过材料的冲击功与温度的变化可通过材料的冲击功与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化。当温度降到某一值关系来确定材料的韧、脆状态转化。当温度降到某一值时，冲击吸收能量时，冲击吸收能量KUKU或或KVKV值会急剧减小，使材料呈脆性值会急剧减小，使材料呈脆性状态。材料由韧性状态转变为脆
20、性状态的温度状态。材料由韧性状态转变为脆性状态的温度T Tk k称为韧称为韧脆转化温度。材料的脆转化温度。材料的T Tk k低，表明其低温韧性好。低，表明其低温韧性好。冷脆：冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限；一般都发生在其破坏应力往往远低于材料的屈服极限；一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下下2020；脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的；脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/31/3；发生脆断的裂纹源是构件中的应力
21、集中处。；发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。27韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称韧脆转变称韧脆转变。发生韧。发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度。温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。28TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没
22、的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关29Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板30 材材料料的的物物理理性性能能指指不不发发生生化化学学反反应应就就能能表表现现出出来来的的性性能能，如如密密度度、熔熔点点、导导热热性性、导导电电性性、热热膨膨胀胀性性和和磁磁性。性。 材材料料的的化化学学性性能能是是材材料料在在化化学学介介质质的的作作用用下下所所表表现现出出来来的的性性能能。如如材材料料的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能和和抗抗氧氧化化性性能能和和化化学学稳定性能。稳定性
23、能。 第二节金属材料的物理和化学性能第二节金属材料的物理和化学性能 第三节金属材料的工艺性能第三节金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力；按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性的能力；按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。31铸铸造造性性能能：指指利利用用金金属属的的可可熔熔性性将将其其熔熔化化后后，注注入入铸铸型型制制成成铸铸件件的的难难易易程程度度；包包括括金金属属液液体体的的流流动动性性和和收收缩性。缩性。 锻锻造造性性能能：指指金
24、金属属材材料料在在锻锻造造过过程程中中承承受受压压力力加加工工而而具有的塑性变形能力。具有的塑性变形能力。 焊接性焊接性：指材料被焊接的难易性质。：指材料被焊接的难易性质。 切切削削加加工工性性：表表示示对对材材料料进进行行切切削削的的难难易易程程度度，可可用用切切削削抗抗力力的的大大小小，加加工工表表面面质质量量、排排屑屑的的难难易易程程度度，切切削削刀具的寿命来衡量。刀具的寿命来衡量。 热热处处理理工工艺艺性性：指指标标有有淬淬硬硬性性、淬淬透透性性、淬淬火火变变形形与与淬淬裂裂、表表面面氧氧化化与与脱脱碳碳，过过热热与与过过烧烧，回回火火稳稳定定性性与与脆性。脆性。 32小小 结结了解工
25、程材料在工业中的地位，发展简史，了解工程材料在工业中的地位，发展简史，材料分类。材料分类。掌握金属材料的主要性能指标。掌握金属材料的主要性能指标。33 复习思考题一复习思考题一1. 1. 说明下列力学性能指标的名称、意义和单位：说明下列力学性能指标的名称、意义和单位：R Rm m 、R Re e 、R Rp0.2p0.2 、A A、Z Z、HBWHBW、HRCHRC、HVHV。 2. 2. 绘出低碳钢退火态度绘出低碳钢退火态度R R- - 曲线，指出曲线上各点的含义及试样的变化情况。曲线，指出曲线上各点的含义及试样的变化情况。3.3.说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测定方法、各自的优缺点和适用
26、场合。说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测定方法、各自的优缺点和适用场合。 4. 4.甲、乙、丙三种材料的硬度分别为甲、乙、丙三种材料的硬度分别为600HBW600HBW、800HV800HV和和50HRC50HRC，试比较其硬度，试比较其硬度的高低。的高低。 5. 5.疲劳破坏是如何形成的？提高零件疲劳极限的方法有哪些？疲劳破坏是如何形成的？提高零件疲劳极限的方法有哪些？ 6. 6.何为冲击韧性？说明冲击韧性的符号和单位何为冲击韧性？说明冲击韧性的符号和单位 7. 7.金属材料主要具有哪些物理性能、化学性能和工艺性能？金属材料主要具有哪些物理性能、化学性能和工艺性能？ 8. 8.设计刚度好的零件应用何种指标选材？采用何种材料为宜？设计刚度好的零件应用何种指标选材？采用何种材料为宜？ 9. 9.试分析下列几种说法是否正确？为什么？试分析下列几种说法是否正确？为什么？（）材料的（）材料的E E值越大，塑性越差；值越大，塑性越差；（）脆性材料拉伸时不产生颈缩现象；（）脆性材料拉伸时不产生颈缩现象；（）布氏硬度适合于测试成品材料的硬度，维氏硬度可测试整体材料的硬度；（）布氏硬度适合于测试成品材料的硬度，维氏硬度可测试整体材料的硬度；（）塑性材料零件可用屈服强度作为设计指标，脆性材料应用抗拉强度作为（）塑性材料零件可用屈服强度作为设计指标，脆性材料应用抗拉强度作为设计指标。设计指标。34
