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1、第第1章章 金属的性能金属的性能1.1 1.1 金属的物理性能和化学性能金属的物理性能和化学性能1.2 1.2 金属的力学性能金属的力学性能1.3 1.3 金属的工艺性能金属的工艺性能1.1 1.1 金属的物理性能和化学性能金属的物理性能和化学性能1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能1.1.2 金属的化学性能金属的化学性能返回1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能1. 密度密度某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。金属的密度即是单某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。金属的密度即是单位体积金属的质量。密度的表达式如下：位体积金属的质量。密度的表达式如下： (1.1)(1.1)式中式中
2、 物质的密度物质的密度(kg(kgm3)m3)； 物质的质量物质的质量(kg)(kg)； 物质的体积物质的体积(m3)(m3)。下一页返回1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能密度是金属材料的特性之一。不同金属材料的密度是不同的。在密度是金属材料的特性之一。不同金属材料的密度是不同的。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量( (重量重量) )也也就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制成设备的自就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制成设备的自重和效能。重和效能。一般将密度小于一般将密度小于5 5lO3kglO3kgm3m3的金属称为轻
3、金属，密度大于的金属称为轻金属，密度大于5 5lO3kglO3kgm3m3的金属称为重金属。的金属称为重金属。 利用密度公式可以计算大型零件的质量，测量金属的密度可利用密度公式可以计算大型零件的质量，测量金属的密度可以鉴别金属和确定某些金属铸件的致密程度。以鉴别金属和确定某些金属铸件的致密程度。 上一页下一页返回1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能2. 熔点熔点金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属都有固定金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属都有固定的熔点。的熔点。合金的熔点决定于它的成分，例如钢和生铁虽然都是铁和碳的合合金的熔点决定于它的成分，例如钢和生铁虽然都是铁
4、和碳的合金，但由于含碳量不同，熔点也不同。熔点对于金属和合金金，但由于含碳量不同，熔点也不同。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属熔点高的金属称为难熔金属( (如钨、钼、钒等如钨、钼、钒等) )，可以用来制造耐，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属( (如锡、铅等如锡、铅等) )，可，可以用来制造印刷铅字以用来制造印刷铅字( (铅与锑的合金铅与锑的合金) )、保险丝
5、、保险丝( (铅、锡、铋、铅、锡、铋、镉的合金镉的合金) )和防火安全阀等零件。和防火安全阀等零件。上一页下一页返回1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能3. 3. 导热性导热性金属材料传导热量的性能称为导热性。金属材料传导热量的性能称为导热性。导热性的大小通常用热导率来衡量。热导率的符号是导热性的大小通常用热导率来衡量。热导率的符号是，单位是，单位是W/(W/(m mK K) )。热导率越大，金属的导热性越好。金属的导热能。热导率越大，金属的导热性越好。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。力以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。上一页下一页返回1.1.1
6、 金属的物理性能金属的物理性能4. 导电性导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性能的指标是电阻率衡量金属材料导电性能的指标是电阻率，电阻率的单位是，电阻率的单位是cmcm，电阻率越小，金属导电性越好。金属导电性以银为，电阻率越小，金属导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导电性好的金属如纯铜、纯铝，适于做导电材料，导电性差的金导电性好的金属如纯铜、纯铝，适于做导电材料，导电性差的金属如康铜和铁铬铝合金适于做电热元件。属如康铜和铁铬铝合金适于做电热元件。上一页下一页返回
7、1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能5. 热膨胀性热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。热膨胀性的大小用线胀系数热膨胀性的大小用线胀系数l l和体胀系数和体胀系数V V来表示。线胀系数来表示。线胀系数计算公式如下：计算公式如下： （1.21.2）式中式中 线胀系数线胀系数(1(1K K或或1 1) )； 膨胀前长度膨胀前长度(m)(m)； 膨胀后长度膨胀后长度(m)(m)； 温度变化量温度变化量 (K(
8、K或或) )。 上一页下一页返回1.1.1 金属的物理性能金属的物理性能6.磁性磁性金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料( (如铁、钴等如铁、钴等) )、顺磁性材料顺磁性材料( (如锰、铬等如锰、铬等) )、抗磁性材料、抗磁性材料( (如铜、锌等如铜、锌等) ) 三类。三类。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在外磁铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在外磁场中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场场中，只能微
9、弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用。工程上实用的强磁性材料是铁磁性对材料本身的磁化作用。工程上实用的强磁性材料是铁磁性材料。材料。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点。如铁的居里点是这个转变温度称为居里点。如铁的居里点是770770。上一页返回1.1.2 金属的化学性能金属的化学性能1. 耐腐蚀性耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。的能力，称为耐腐蚀性。腐蚀作用对
10、金属材料的危害很大。它不仅使金属材料本身受到损腐蚀作用对金属材料的危害很大。它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。这种现象在制药、化肥、制酸、制碱等化工部门更应引起足这种现象在制药、化肥、制酸、制碱等化工部门更应引起足够的重视。因此，提高金属材料的耐腐蚀性能，对于节约金够的重视。因此，提高金属材料的耐腐蚀性能，对于节约金属、延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。属、延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。 下一页返回1.1.2 金属的化学性能金属的化学性能2. 抗氧化性抗氧化性金属材料在加
11、热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加速，例如钢材在铸造、锻造、热处料的氧化随温度升高而加速，例如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。这不仅造成材料理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。这不仅造成材料过量的损耗，也可形成各种缺陷。为此，常在工件的周围造过量的损耗，也可形成各种缺陷。为此，常在工件的周围造成一种保护气氛，避免金属材料的氧化。成一种保护气氛，避免金属材料的氧化。上一页下一页返回1.1.2 金属的化学性能金属的化学性能3. 化学稳定性化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗
12、氧化性的总称。金属材料化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备设备( (如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等) )上的部件上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。需要选择热稳定性好的材料来制造。上一页返回图图1-1 载荷的作用形式载荷的作用形式 (a) (b) (c) (d) (e)(a) (b) (c) (d) (e)(a)(a)拉伸载荷拉伸载荷 (b)(b)压缩载荷压缩载荷 (c)(c)弯曲载荷弯曲载荷 (d)(d)剪切载荷剪切
13、载荷 (e)(e)扭转载荷扭转载荷返回1.2 1.2 金属的力学性能金属的力学性能在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以力学在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。非常重要的。所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能。力学性能所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 下一页返回1.2 1.2 金属的力学性能金属的力学性能金属材料在加工及使用过程中所受的外
14、力称为载荷。根据载荷作金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷等三种：等三种： (1) 静载荷静载荷 是指大小不变或变动很慢的载荷；是指大小不变或变动很慢的载荷； (2) 冲击载荷冲击载荷 是指突然增加的载荷；是指突然增加的载荷； (3) 疲劳载荷疲劳载荷 是指所经受的周期性或非周期性的动载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷(也也称循环载荷称循环载荷)。根据载荷作用方式不同，它可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载根据载荷作用方式不同，它可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷
15、和扭转载荷等，如荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图图1-1所示。所示。上一页下一页返回1.2 1.2 金属的力学性能金属的力学性能金属受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力金属受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力( )按按下式汁算：下式汁算： (1.3)式中式中 外力外力(N)； 横截面积横截面积(m2)； 应力应力(Pa)。1Pa1N/m2。当面积用。当面积用mm2时，时，
16、则应力可用则应力可用Mpa为单位。为单位。1Mpa1N/mm2106Pa。上一页下一页返回1.2 1.2 金属的力学性能金属的力学性能1.2.1 强度强度1.2.2 塑性塑性1.2.3 硬度硬度1.2.4 韧性韧性1.2.5 疲劳强度疲劳强度上一页返回图图1-2 低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线返回图图1-3 低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线返回图图1-3 低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线返回图图1-4 1-4 圆形拉伸试样圆形拉伸试样返回图图1-5 1-5 铸铁的应力铸铁的应力应变曲线应变曲线返回1.2.1 强度强度1. 常温静载拉伸试验常温静载拉伸试验按国家标准（按国家
17、标准（GBGBT397 - 1986T397 - 1986）制作标准拉伸试样，在拉伸试）制作标准拉伸试样，在拉伸试验机上缓慢的进行拉伸，使试样承受轴向拉力，并引起试样验机上缓慢的进行拉伸，使试样承受轴向拉力，并引起试样沿轴向伸长，直至试样断裂。在实验中同时连续测量力和相沿轴向伸长，直至试样断裂。在实验中同时连续测量力和相应的伸长量应的伸长量, ,根据测得的数据，即可得到拉力和相应伸长变形根据测得的数据，即可得到拉力和相应伸长变形的关系曲线，该曲线称为拉伸图，如的关系曲线，该曲线称为拉伸图，如图图1-21-2所示。所示。 下一页返回1.2.1 强度强度通过观察可以发现，拉伸图的形状与试样的尺寸有
18、关，要研究金通过观察可以发现，拉伸图的形状与试样的尺寸有关，要研究金属材料拉伸时的力学性能就需要消除试样尺寸的影响。为了属材料拉伸时的力学性能就需要消除试样尺寸的影响。为了消除试样横截面尺寸的影响，将拉力消除试样横截面尺寸的影响，将拉力F F除以试样原来的横截面除以试样原来的横截面面积面积A A，得到，得到 ；为了消除试样长度的影响，将变形；为了消除试样长度的影响，将变形 除以试除以试样原长样原长 ，得到应变，得到应变 ，这样曲线就转变为，这样曲线就转变为 曲线，见曲线，见图图1-31-3。 曲线的形状与曲线的形状与 曲线相似，但与试样尺寸无关，仅反曲线相似，但与试样尺寸无关，仅反映金属材料本
19、身的特性。映金属材料本身的特性。 上一页下一页返回1.2.1 强度强度2拉伸试样拉伸试样 拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。在国家标准拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。在国家标准(GB(GBT397 - 1986)T397 - 1986)中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。的规定。图图1-41-4所示为圆形拉伸试样。所示为圆形拉伸试样。 图中图中 是试样的直径，是试样的直径， 为标距长度。根据标距长度与直径为标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样之间的关系，试样可分为长试样( )( )和短试样和短试样( )( )两两种。
20、种。上一页下一页返回1.2.1 强度强度3 3应力应力应变曲线应变曲线在得到的应力在得到的应力应变曲线图（见应变曲线图（见图图1-31-3）中，明显地表现出下面）中，明显地表现出下面几个变形阶段：几个变形阶段：(1) OA(1) OA弹性变形阶段弹性变形阶段(2) BC (2) BC 屈服阶段屈服阶段 (3) CD (3) CD 强化阶段强化阶段(4) DE (4) DE 缩颈阶段缩颈阶段( (局部塑性变形阶段局部塑性变形阶段) ) 工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象。有些脆性材工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生料，不仅没有屈服
21、现象，而且也不产生“缩颈缩颈”，如铸铁等。，如铸铁等。图图1-51-5为铸铁的应力为铸铁的应力应变曲线。应变曲线。上一页下一页返回1.2.1 强度强度4. 强度指标强度指标(1) (1) 屈服点屈服点 用符号用符号S S表示，计算公式如下：表示，计算公式如下： （1.41.4） 对于无明显屈服现象的金属材料，按国标对于无明显屈服现象的金属材料，按国标GBGBT228T22819871987规规定可用规定残余伸长应力表示：定可用规定残余伸长应力表示： （1.51.5）(2) (2) 抗拉强度抗拉强度 用符号用符号b b表示。计算公式如下：表示。计算公式如下： （1.61.6）上一页返回1.2.2
22、 塑性塑性 1. 1. 伸长率伸长率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率，用符试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率，用符号号 表示。其计算公式如下：表示。其计算公式如下： （1.71.7） 必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的，因此，比较伸长率时要注意试样规格的统一。的，因此，比较伸长率时要注意试样规格的统一。下一页返回1.2.2 塑性塑性 2. 2. 断面收缩率断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率
23、，用符号称为断面收缩率，用符号 表示。其计算公式如下：表示。其计算公式如下： （1.81.8）金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。 上一页返回1.2.3 硬度硬度1. 1. 布氏硬度布氏硬度(1) 测试原理测试原理用符号用符号 来表示，计算公式如下：来表示，计算公式如下： (1.9)(2) 表示方法表示方法 (3) 适用范围及优缺点适用范围及
24、优缺点 下一页返回1.2.3 硬度硬度2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度(1) (1) 测试原理测试原理洛氏硬度值按下列公式计算：洛氏硬度值按下列公式计算： (1.10)(1.10)(2) (2) 常用洛氏硬度的三种标尺及其适用范围常用洛氏硬度的三种标尺及其适用范围(3) (3) 表示方法表示方法(4) (4) 优缺点优缺点上一页下一页返回1.2.3 硬度硬度3 3维氏硬度维氏硬度(1) (1) 试验原理试验原理维氏硬度用符号维氏硬度用符号 表示。计算公式如下：表示。计算公式如下： (1.11)(1.11)(2) (2) 表示方法表示方法(3) (3) 适用范围及优缺点适用范围及优缺点 上一页返回1
25、.2.4 韧性韧性1. 1. 冲击韧度冲击韧度(1) (1) 冲击试样冲击试样为了使试验结果可以互相比较，必须采用标准试样。冲击试样的为了使试验结果可以互相比较，必须采用标准试样。冲击试样的类型很多，可根据国家标准有关规定来选择。常用的试样有类型很多，可根据国家标准有关规定来选择。常用的试样有10mm10mm10mm10mm55mm55mm的的U U形缺口和形缺口和V V形缺口试样，形缺口试样，(2) (2) 冲击试验原理冲击试验原理(3) (3) 冲击韧度的计算冲击韧度的计算 (1.12)(1.12)下一页返回1.2.4 韧性韧性2 2多冲抗力多冲抗力实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因
26、一次大能量冲击而实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如冲模的冲头等。这类零件破坏多次冲击作用下而破坏的，如冲模的冲头等。这类零件破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的，需要采用小能量韧度来作为设计依据显然是不符合实际的，需要采用小能量多次
27、冲击试验来检验这类金属材料的抗冲击性能，即检验其多次冲击试验来检验这类金属材料的抗冲击性能，即检验其多冲抗力。多冲抗力。上一页返回1.2.5 疲劳强度疲劳强度1. 1. 疲劳的概念疲劳的概念许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈
28、服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。属的疲劳。 下一页返回1.2.5 疲劳强度疲劳强度2. 2. 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征尽管交变载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏仍有以下共同的特尽管交变载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏仍有以下共同的特点：点：(1) (1) 疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；而是突然破坏；(2) (2) 引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；(3)
29、 (3) 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区扩展区（光滑部分）和最后断裂区( (粗糙部分粗糙部分) )， 上一页下一页返回1.2.5 疲劳强度疲劳强度3. 3. 疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线和疲劳极限(1) (1) 疲劳曲线疲劳曲线 是指交变应力与循环次数的关系曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线(2) (2) 疲劳极限疲劳极限 实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定应力循环周次而不断裂的最大应力对于黑色金属，一般规定应力循环
30、周次而不断裂的最大应力为疲劳极限；有色金属、不锈钢等取周次。为疲劳极限；有色金属、不锈钢等取周次。 金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如工作条件、表面状金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。改善零件的结构形式、态、材料成分、组织及残余内应力等。改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度及采取各种表面强化的方法，都能提高降低零件表面粗糙度及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。零件的疲劳极限。上一页返回1.3 1.3 金属的工艺性能金属的工艺性能1.1.铸造性能铸造性能1 1）流动性）流动性2 2）收缩性）收缩性3 3）偏析倾向）偏析倾向2.2.锻造性能锻造性能3.3.焊接性能焊接性能4.4.切削加工性能切削加工性能5.5.热处理性能热处理性能返回
