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1、金属材料 与热处理单元一单元一 金属材料的力学性能金属材料的力学性能单元二单元二 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能内内 容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、难点教学重点、难点教学难点教学难点教学难点教学难点强度、硬度、塑性和韧性的概念。强度、硬度、塑性和韧性的概念。教学重点教学重点教学重点教学重点l 金属材料的基本知识金
2、属材料的基本知识 1.1.金属材料的类型：金属材料的类型：具有金属光泽。具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。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。易导电、传热，是热和电的良导体。2. 2. 金属材料的特点：金属材料的特点：3. 3. 金属材料性能金属材料性能使用性能使用性能力学性能力学性能 ( (强度、硬度、塑性、韧性等强度、硬度、塑性、韧性等) )物理性能物理性能（指熔点、导热性、导电性、磁性等）（指熔点、导热性、导电性、磁性等）化学性能化学性能 ( (抗氧化性、抗腐蚀性等抗氧化性、抗腐蚀性等) )其它性能其它性能 ( (耐磨性、热硬性、消振性等耐磨性、热
3、硬性、消振性等) )工艺性能工艺性能加工成形的性能加工成形的性能静载荷静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳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是指金属材料在外加载荷外加载荷作用下所表现出来的抵抗能力。作用下所表现出来的抵抗能力。1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能工件在不同载荷形式下产生的变形变形 抗拉强度抗拉强度抗压强度抗压强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度根据所加载荷形式的不同，强度表现为：根据所加载荷形式的不同，强度表现为：拉伸试验拉伸试验（金属的抗
4、拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）GB/T228.1-2010GB/T228.1-2010l 拉伸试样拉伸试样拉伸试样拉伸试样 （低碳钢）低碳钢）低碳钢）低碳钢）d0L0长试样长试样：L L0 0 =10 =10d d0 0 短试样短试样：L L0 0 =5 =5d d0 0 液压式万能电子材料试验机液压式万能电子材料试验机l 拉伸试验机拉伸试验机拉伸试验机拉伸试验机l 拉伸试验（应力拉伸试验（应力拉伸试验（应力拉伸试验（应力应变）曲线应变）曲线应变）曲线应变）曲线 e e 弹性极限点弹性极限点S S 屈服点屈服点b b 极限载荷点极限载荷点 （缩颈
5、点）（缩颈点）K K 断裂点断裂点（1 1） 弹性变形阶段弹性变形阶段（2 2） 屈服变形阶段屈服变形阶段（3 3） 强化阶段强化阶段（4 4） 缩颈阶段缩颈阶段拉伸过程变化的三个阶段拉伸过程变化的三个阶段拉伸过程变化的三个阶段拉伸过程变化的三个阶段拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象弹性与塑性弹性与塑性弹性与塑性弹性与塑性弹性弹性: : 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。其原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形弹性变形: : 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。塑
6、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形，叫在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。做塑性变形。脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）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。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。灰灰铸铸铁铁的的拉拉伸伸曲曲线线强度强度：用于表示金属材料在外力作用下抵抗塑性变：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。形和破坏的能力。工程上常用的工程上常用的强度衡量指标强度衡量指标屈服点屈服点屈服强度屈服强度抗拉强
7、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注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。的指标。1.1.1 强度对对具有明具有明显显屈服屈服现现象的材料象的材料 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。F0.2S0Rp0.2 =（MPa）（MPa）条件屈服强度条件屈服强度: :1. 1. 屈服点、屈服强度屈服点、屈服强度屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材
8、料选材和评定的依据。屈服强度屈服强度:脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。2. 2. 抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限）是指是指试样试样在拉断前所承受的最大在拉断前所承受的最大应应力。即：力。即：式中：式中：Fm试样试样在拉断前所受到的最大在拉断前所受到的最大载载（N）；）； So试样试样原始横截面原始横截面积积（ ）。）。Rm抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。（MPaMPa）屈强比屈强比（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
9、1. 1. 2 塑 性塑性塑性: 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。坏的性能。塑性的衡量（塑性指标）：伸长率塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 A和断面收缩率和断面收缩率 Z。A 、Z越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好A 10% 属塑性材料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。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。2. 2. 伸长率（伸长率（伸长率（伸长率（A A）是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量
10、 与原始标距与原始标距 之比。之比。用用A表示，即表示，即 1.1.断面收断面收断面收断面收缩缩缩缩率（率（率（率（Z Z）是指试样拉断处横截面积的是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。收缩量与原始横截面积之比。用下式表示，即：用下式表示，即：1. 1. 3 硬 度硬度的含义硬度的含义布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维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。示金属材料抵抗局部变形的能力。硬度的表示方法硬度的表示方法常用的表示方法常用的表示方法压入法压入法划痕法划痕法回跳法回跳法用一定直径
11、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. 1. 布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度 （1 1）布氏硬度）布氏硬度测测量原理量原理布氏硬度计淬火钢球 HBS HBS （硬度值 450450的材料）硬质合金钢球 HBWHBW （硬度值450450650650的材料）（2）压头压头： （3）表示方法）表示方法例如：例如：350HBS 、 600HBW一般，一般，数字数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力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。以及保存时间。单位为单位为MPa（通常不标明）（通常不标明） 布氏硬度
12、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，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头还硬的材料。还硬的材料。布氏硬度适用于：布氏硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、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。退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。 当当HBS450 时有效（时有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特点）布氏硬度特点用锥顶角为用锥顶角为120120的金刚石圆锥或直径的金刚石圆锥或直径1.588mm1.588mm的淬火钢球，以
13、相应试验力压的淬火钢球，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除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。增量来计算出硬度值。实际测量时，硬度值一般有硬度计的实际测量时，硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。刻度盘上直接读出。(1)(1)洛氏硬度洛氏硬度测测量原理量原理2 . 2 . 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度计洛氏硬度计(2) (2) 洛氏硬度的分类及应用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：表示为：硬度值硬度值+ +三种不同的标尺代号三种不同的标尺代号。
14、（。（无单位）无单位）例如：例如：2085HRA2085HRA 20100HRB 20100HRB 2070HRC 2070HRC（3）洛氏硬度表示方法）洛氏硬度表示方法HR = (k-h) / 0.002 HR = (k-h) / 0.002 不写单位不写单位（4）洛氏硬度特点：）洛氏硬度特点：优点优点：缺点缺点 ：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。是生产中应用最广泛的硬度试验方
15、法。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于可用于可用于可用于成品检验和薄件表面硬度检验。成品检验和薄件表面硬度检验。成品检验和薄件表面硬度检验。成品检验和薄件表面硬度检验。不适于不适于不适于不适于测量组织不均匀材料。测量组织不均匀材料。测量组织不均匀材料。测量组织不均匀材料。（5）洛氏硬度）洛氏硬度应应用：用：l布氏硬度与洛氏硬度的比较u洛式硬度洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适压痕很小，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；用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度布式硬度压痕较大，测量值压痕较大，测量值准，
16、不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。u洛式硬度洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式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。）硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度布式硬度的硬度值有单位，且和的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。抗拉强度有一定的近似关系。u洛式硬度洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快直接在表盘上显示、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径，然后查表或计算
17、，操作较繁琐。径，然后查表或计算，操作较繁琐。 在一定条件下，在一定条件下，HBHB与与HRCHRC可以查表互换。其心算公式可大概可以查表互换。其心算公式可大概记为：记为：1HRC1/10HB1HRC1/10HB。 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3 .3 .维氏硬度（维氏硬度（HVHV）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维氏硬度（维氏硬度（维氏硬度（维氏硬度（HVHV）测试计）测试计）测试计）测试计用压头为用压头为锥面夹角为锥面夹角为136136的的金刚石四棱锥体。以一定的试验金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表
18、面，保持规定时间卸载后，在试样表面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。算出硬度值。（2 2）表示方法）表示方法 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬表示，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。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：例如：580580HVHV/30/20/30/20（1）维维氏硬度氏硬度测测量原理量原理优点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量适用范围广，从极软到极硬材料都
19、可测量; ;测量测量精度高，可比性强；能测较薄工件。精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。测量操作较麻烦，测量效率低。（4）应用：）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度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。检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。（3）特点：）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。1.1.4 1.1.4 冲击韧性冲击韧性 1. 1. 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性是指金属材料在是指金属材料在冲击载荷作用下冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力
20、。抵抗变形和断裂的能力。摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验冲击韧性的测定方法冲击韧性的测定方法l 摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验摆锤式冲击实验机摆锤式冲击实验机试验原理试验原理试样被冲断过程中吸收的能量即试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功冲击吸收功（A Ak k ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。等于摆锤冲击试样前后的势能差。( J )( J )冲击韧度冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。ak=AkAq(J/cm)n n 标准冲击试样有两种，一种
21、是形缺口试样，另一种是标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是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。它们的冲击韧度值分别以形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KUKU和和和和a KVKV。n 材料的材料的ak值愈值愈大大，韧性就愈好韧性就愈好；n 材料的材料的ak值愈值愈小小，材料的脆性愈大。材料的脆性愈大。n 通常把通常把ak值值小小的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料n 研究表明，材料的研究表明，材料的ak值随试验值随试验温度的降低而降低温度的降低而
22、降低。2. 2. 2. 2. 断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性l 低应力脆断低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况工程零（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。下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。l 低应力脆断的原因低应力脆断的原因 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。致零（构）件断裂。1.1.5 1.1.5
23、 疲劳强度疲劳强度 疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏 零件、工具等即使在零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷低于材料屈服强度的交变载荷作用下，作用下，经过一定的循环次数后也会发生经过一定的循环次数后也会发生突然断裂突然断裂，这种现象称为疲劳，这种现象称为疲劳断裂。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。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。 疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏材料在对称载荷下的应力变化规律。材料在对称载荷下的应力变化规律。 疲劳强度疲劳强度疲劳强度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。材料交变应力和断裂前应力循环次数之
24、间的关系。有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 108钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: R-1 = (0.45 (0.450.55) 0.55) Rm疲劳曲线疲劳曲线产生疲劳破坏的原因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应力集中 微裂纹微裂纹 裂纹扩展裂纹扩展 破破 坏坏 提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施 材料方面材料方面 保证冶炼质量，保证冶炼质量，减少夹杂物减少夹杂物和热加工产生的和热加工产生的气孔和疏松等缺陷气孔
25、和疏松等缺陷。设计方面设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集避免应力集中及其所中及其所引起的疲劳裂纹。引起的疲劳裂纹。工艺方面工艺方面 降低零件表面粗糙度，并避降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤免表面划痕、碰伤，防止这些地方出，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。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金属材料的物理性能和化学性能1.1.
26、金属材料的物理性能：金属材料的物理性能：比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。热膨胀系数。2.2.金属材料的化学性能：金属材料的化学性能：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。耐酸性、耐碱性、抗氧化性。成形工艺的应用重要环节：重要环节：热处理热处理？1.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金金属属材材料料的的工工艺艺性性能能：是是指指用用不不同同的的加加工工手手段段所所表现出来的难易程度。表现出来的难易程度。l 铸造性能（流动性、收缩、偏析等）铸造性能（流动性、收缩、偏析等）l 锻压性能锻压性能l 切削加工性切削加工性l 焊接性焊接性l 热处理性能
27、热处理性能小结：1.1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度的测试方法。的测试方法。2.2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含强度、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。义、特点、表示方法、及衡量指标。3.3.力学性能的实际应用，提高疲劳强度的措施。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、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。塑性、韧性、硬度以及疲劳强度。研究的意义：研究的意义：1.性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。2.性能决定了材料和零部件性能决定了材料和零部件生产方法。生产方法。3.性能的变化规律为改变材性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供料性能达到人们需求提供途径。途径。材料性能总结课后作业题1.1.什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？2.2.什么是强度？塑性？硬度？韧性？什么是强度？塑性？硬度？韧性？谢谢大家！
