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1、第一章第一章 材料的性能材料的性能使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。材料在使用过程中所表现的性能。包包括括力学性能、物理性能和化学性能。力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。包包括括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。一一、金属材料的一般性能金属材料的一般性能 （一）金属材料的物理性能（一）金属材料的物理性能1. 密度密度 2. 熔点熔点 3. 导电性导电性 4. 导热性导热性 5. 热膨胀性热膨胀性 6. 磁性磁性 （二）（二） 金属材料的化学性能金属材料的化学性能
2、化学性能化学性能指金属材料与周围介质扫触时抵抗指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。发生化学或电化学反应的性能。1.耐腐蚀性耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2. 抗氧化性抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧指金属材料在高温下，抵抗产生氧 化皮的能力。化皮的能力。耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等等如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等等二、材料的力学性能二、材料的力学性能二、材料的力学性能二、材料的力学性能（一）弹性和刚度一）弹性和刚度一
3、）弹性和刚度一）弹性和刚度材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 l l弹性弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材料承受最大弹材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。l l刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标指标为弹性模量为弹性模量E E。 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应力应力
4、 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0弹性模量的大小主要取决于弹性模量的大小主要取决于材料的本性材料的本性，除随温度升，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。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。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 ）（MPatgE a a= = =（二）强度与塑性（二）强度与塑性（二）强度与塑性（二）强度与塑性强度强度：材料在外力作用下：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。
5、屈服强度屈服强度 s：材料发生微：材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余：残余变形量为变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前：材料断裂前所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。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力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为： 伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象说明：说明： 用断面收缩率
6、表示塑性比伸长率更接近真实变用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，为常数时，塑性值才有可比性。塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征（三）冲击韧性（三）冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为指标为冲击韧性值冲击韧性值a ak k( (通
7、过冲击实验测得通过冲击实验测得) )。韧脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有
8、关直接有关Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板（四）疲劳（四）疲劳材料在低于材料在低于 s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疲劳极限。用力称为疲劳极限。用 -1表示。表示。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图（五）硬度（五）硬度材料抵抗表面局部
9、塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度布氏硬度HBHB压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适用于布氏硬度值在适用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用于布氏硬度在用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。 l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值, 符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。如如 120HBS10/1000/30 表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球
10、在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得的布氏硬度值为得的布氏硬度值为120。 布氏硬度的布氏硬度的优点优点：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。 适适于于测测量量退退火火、正正火火、调调质质钢钢,铸铸铁铁及及有有色色金金属属的的硬硬度。度。洛氏硬度洛氏硬度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，常常用用的标尺为的标尺为
11、A、B、C。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。HRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗如硬质合金、表淬层和渗碳层。碳层。HRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火如有色金属和退火、正火钢等。钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。维氏硬度维氏硬度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
12、度值，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。后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维氏硬度试验度试验 、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洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为为临界裂纹半长，单位为 l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场
13、强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关存在缺陷有关 .（六）断裂韧性（六）断裂韧性（七）热疲劳（七）热疲劳一一些些在在温温度度急急剧剧反反复复变变化化条条件件下下工工作作的的零零件件，承承受受热热循循环环引引起起的的应应力力或或热热应应变变，使使材材料料受受到到疲疲劳劳损损伤伤而而破破坏坏，这这种种现现象象称称为为热疲劳。热疲劳。（一）铸造性能（一）铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。 1. 1. 流动性流动性 熔融金属的流动能力。熔融金属的流动
14、能力。 完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 2. 2. 收缩性收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。少的现象。 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。 铸造用金属材料的收缩率越小越好。铸造用金属材料的收缩率越小越好。 3. 3. 偏析偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。的不均匀现象。 偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的偏析大使铸件各部分的力学性
15、能有很大的差异，降低铸件的质量。差异，降低铸件的质量。三、三、 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 二、锻造性能二、锻造性能 锻造性锻造性 金属材料用锻压加工方法成形的金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。适应能力。金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。锻造性能越好。 三、焊接性能三、焊接性能 焊接性焊接性 金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。 获得优质焊接接头的难易程度。获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。 低低碳碳钢钢和和碳碳的的质质量量分分数数低低
16、于于0.18 0.18 % %的的合合金金钢钢焊接性能较好。焊接性能较好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 四、切削加工性能四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。 金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分改变钢的化学成分( (加少量铅、磷加少量铅、磷) )和进行适当和进行适当的热处理的热处理( (低碳钢正火，高碳钢球化退火低碳钢正火，高碳钢球化退火)
17、 )可提高钢可提高钢的切削加工性能。的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。 五、热处理工艺性能五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, , 即钢接受淬火的能力。即钢接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透等合金元素的合金钢淬透性比较好性比较好, , 碳钢的淬透性较差。碳钢的淬透性较差。 铝合金的热处理要求较严。铝合金的热处理要求较严。 铜合金只有几种可以用热处理强化。铜合金只有几种可以用热处理强化。 6. 工艺性能包括哪些方面？各自的含义？工艺性能包括哪些方面？各自的含义？练习题练习题
18、一、名词解释一、名词解释工艺性能工艺性能 、 使用性能、使用性能、 刚度刚度 、 疲劳疲劳 、 冲击韧度冲击韧度二、简答题二、简答题1. 何谓金属材料的力学性能？有哪些主要指标？各自的定义？何谓金属材料的力学性能？有哪些主要指标？各自的定义？2. 外力（载荷）有哪些主要形式？按载荷特性又可分成哪三外力（载荷）有哪些主要形式？按载荷特性又可分成哪三 类？各自概念？类？各自概念？ 3.硬度的种类？各自的表示方法和应用范围？硬度的种类？各自的表示方法和应用范围？5. 金属材料的物理和化学性能包括哪些方面？金属材料的物理和化学性能包括哪些方面？4. 何谓条件疲劳极限？其影响因素？何谓条件疲劳极限？其影响因素？
