金属学及热处理(2).ppt

金属学及热处理,第1章工程材料的性能,机械工程系焦建雄,,,,,,第1章金属材料的性能PeranceofMetalMaterial,1.1材料的使用性能1.2材料的工艺性能,1.1材料的使用性能,材料性能使用性能材料在使用中表现出来的性能包括物理性能化学性能力学性能工艺性能材料在加工制作中表现出的性能包括铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能热处理性能,1.1.1物理性能,1.密度物体的质量与其体积的比值。小于4称为轻金属，反之称为重金属。影响自重和效能。2.熔点固液相变温度。小于700℃为低熔点金属，反之为高熔点金属。3.导电性传导电流的能力。纯金属中，银的导电性最好，其次是铜、铝。合金的导电性比纯金属差。导电性好的金属如纯铜、纯铝，适宜作导电材料。导电性差的某些合金如Ni-Cr合金，Fe-Cr-Al合金可用作电热元件电阻丝等。,1.1材料的使用性能,1.1材料的使用性能,4.导热性传导热量的能力。金属中银的导热性好，铜、铝次之。纯金属的导热性又比合金好。5.热膨帐性热胀冷缩的性能。工业上常用热膨胀性来紧密配合组合件，但热膨胀性对精密零件不利。6.磁性材料被磁化的能力。铁磁性材料如钴、铁等容易被外磁场磁化和吸引，顺磁性材料如锰、铬等在外磁场中只能微弱地被磁化，逆磁性材料如铜、锌等不但不会被外磁场吸引，还会削弱磁场。,1.1.1物理性能,1.1材料的使用性能,1.耐腐蚀性工程材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。腐蚀对材料危害极大，因此，提高工程材料的耐腐蚀性能，对于节约工程材料、延长工程材料的使用寿命，具有现实的经济意义。2.热稳定性工程材料在高温下抵抗氧化的能力。在高温条件下工作的设备，如锅炉、加热设备、喷气发动机上的部件需要选择热稳定性好的材料制造。,1.1.2化学性能,1.1.3力学性能,※定义力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和断裂的性能。※指标弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。,1.1材料的使用性能,1.1.3力学性能,※几个相关概念载荷外力，负荷。静载荷大小、方向几乎不变的载荷。动截荷大小或（和）方向随时间变化的载荷变形材料受力发生形状与尺寸改变的现象。弹性变形变形量随外力增减而增减。塑性变形受外力后不可恢复的那部分变形。（残余）弹性与塑性弹性外力去除后变形恢复的能力。塑性外力去除后产生残余变形量的能力。应力单位面积上所受的内力。,1.1材料的使用性能,※拉伸试验（GB6397-86）,拉伸试验机,长试样L010d0,短试样L05d0,※拉伸试验（GB6397-86）,拉伸试样,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,,※拉伸图,※拉伸图,,□弹性elasticity金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,□弹性变形elasticdeation随载荷撤除而消失的变形。,1.强度strength材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。,种类抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。,,2屈服强度yieldstrength屈服点S,,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。,,,3条件屈服强度塑性变形量为0.2,,,4抗拉强度tensilestrength试样在断裂前所能承受的最大应力。,,2.塑性plasticity是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,1断面收缩率percentagereductioninarea是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。,,,,2伸长率延伸率specificelongation是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。,δ10属塑性材料,注意δ10（δ）与δ5的区别，同一材料的δ5δ10,,3.硬度hardness是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。,布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS锉刀法,常用测量硬度的方法,,1布氏硬度HBBrinell-hardness,1布氏硬度HBBrinell-hardness,适用范围,＜450HBS;,＜650HBW;,,1布氏硬度HBBrinell-hardness,式中F载荷，ND压头直径，mmS压痕表面积，mm2h压痕深度，mmd压良平均直径，mm.,,1）计算式,1布氏硬度HBBrinell-hardness,只要满足F／D2为一常数，那么对同一种金属材料当采用不同的F、D进行试验时可保证得到相同的布氏硬度值。,,2）试验规范,国标规定F／D2的比值有30、15、10、5、2.5、1.25、1，共七种比值。布氏硬度试验时，根据被测材料的种类、工件硬度范围和厚度的不同，选择相应的压头球体直径D、试验力F及试验力保持时间t。,1布氏硬度HBBrinell-hardness,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。采用钢球直径D为10mm,载荷P为3000kgf,载荷持续时间为10S可省实验条件。,3）表示方法,1布氏硬度HBBrinell-hardness,①硬度值较精确，因为压痕直径大，能较真实地反映出金属材料的平均性能。②可近似换算出金属的强度，因而应用广泛。例如低碳钢σb≈0.36HBS高碳钢σb≈0.34HBS，灰口铸铁σb≈HBS-40．③测量过程比较麻烦且压痕较大，不宜测量成品及薄件，只适合测量硬度不高的铸铁。④用钢球压头测量时，硬度值必须小于450，用硬质合金球压头时，硬度值必须小于650，否则球体本身会发生变形，使测量结果不准确。应用软金属，退火钢，调质钢，铸铁等。,4）特点及应用,2洛氏硬度HRRockwllhardness,10HRC≈HBS,1）原理,2洛氏硬度HRRockwllhardness,h越大，金属的硬度越低，反之则越高。考虑到数值越大，表示金属的硬度越高的习惯，故采用一个常数K减去h来表示硬度的高低，并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度值。,,2）表达式,2洛氏硬度HRRockwllhardness,标尺及适应范围,,Φ″,2洛氏硬度HRRockwllhardness,3）特点,,1、测量硬度的范围大，可测从很软到很硬的金属材料。2、测量过程简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值。3、压痕较小；可测成品及薄的工件。4、精确度不如布氏硬度高，当材料内部组织和硬度不均匀时，硬度数据波动较大，结果不够准确。通常需要在不同部位测量数次，取其平均值代表金属材料的硬度。,2洛氏硬度HRRockwllhardness,4）标尺及适应范围,,3维氏硬度HVdiamondpenetratorhardness,适用范围,测量薄板类;,HV≈HBS;,,3维氏硬度HV,维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验相同，只是维氏硬度用的压头是相对面夹角为136的正四棱锥体金刚石压头，负荷较小常用的载荷F有5、10、20、30、100和120kgf几种。,式中HV维氏硬度F试验力Nd压痕两对角线长度算术平均值mm,,,,4肖氏硬度HSdrophardness,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,h,5锉刀法,一组硬度差为5HRC的锉刀。例如10HRC、15HRC、20HRC等。,硬度小结,※各种硬度试验法测得的硬度值不能直接进行比较，必须通过专门的硬度换算成同一种硬度值后才能比较其大小。※硬度与强度有一定的关系，通过测定硬度可综合控制材料的强度、塑性、韧性，且硬度属于无损检测，，测试简单方便，故应用广泛。※硬度是检验毛坯、成品、热处理工件的重要性能指标，零件图中都注有零件的硬度要求。,4.冲击韧性notchtoughness,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为,AkmgH–mghJ,冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,4.冲击韧性notchtoughness,冲击韧性αk值愈大，表明材料的韧性愈大。韧性大的金属，在冲击载荷作用下不易损坏。承受冲击和震动的机件，如起落架等，就需选择韧性较好的材料制造。必须说明，使用不同类型的试样U型缺口初V型缺口进行试验时，其冲击吸收功应分别称为Aku或Akv，冲击韧性则标为αku和αkv。,4.冲击韧性notchtoughness,多次冲击抗力通过多次冲击试验方法进行测定，原理如视频所示。试样在冲头多次冲击下断裂，经受的冲击次数，代表金属的多冲抗力。实践证明，材料在小能量多次冲击载荷作用下，其冲击抗力不是由受到能量很大、冲击次数很少的冲击抗力值ak所确定。而是由材料的强度所确定。,4.冲击韧性notchtoughness,小能量多次冲击试验,5.疲劳强度fatiguestrength,始于疲劳源,许多机械零件，如曲轴、齿轮、弹簧，在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的交变应力的作用。这些零件发生断裂时的应力，远小于该材料的σb，甚至低于σs，这种现象称为疲劳或疲劳断裂。,疲劳破坏产生的原因,5.疲劳强度fatiguestrength,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，而是突然破坏。②引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点。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扩展区光滑部分。,疲劳破坏的特点,5.疲劳强度fatiguestrength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。,,钢材的循环次数一般取N107,有色金属的循环次数一般取N108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系σ-10.45～0.55σb,,1943年美国T-2油轮发生断裂,,5.疲劳强度fatiguestrength,影响σ-1的因素,提高σ-1的措施,①工作条件②表面质量状态③材料的本质④内部残余内应力,①降低表面的粗糙度②避免结构形状引起应力集中③表面强化处理表面喷丸、表面渗氮、表面淬火、表面冷轧等，使零件表面产生残余压应力,6.比强度specificstrength材料的强度值与密度值之比。,7.刚度,Eσ/εσEε,材料在受力时抵抗弹性变形的能力。用弹性模量E来评价，它表示材料弹性变形的难易程度。,1.2金属材料的工艺性能,工艺性能是指工程材料接受各种工艺方法加工的能力，包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。工艺性能直接影响零件加工后的工艺质量，是选材和制订零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。,本章作业,P92、3、5、68、9、10、13、14、16提示注意强度σ与延伸率δ的写法强度σ的单位用MPa，不用Pa。也不能写成指数式，且不带小数点。,,,,,,关于习题,1-2在测定强度上σs与σ0.2有什么不同答测σ0.2时人为地规定了附加条件。1-3在设计机械零件时多用哪两种强度指标，为什么答多用σb和σs（σ0.2）。因为对塑性材料，过量塑性变形（屈服）是失效的主要形式，而对脆性材料，断裂是失效的主要形式。,关于习题,1-5..,求伸长率和断面收缩率。答δ548ψ511-6标距不相同的伸长率能否进行比较，为什么答不能比较。因为,关于习题,1-8根据图1-5中1、2、3、4四种材料的应力-应变曲线，试比较其搞拉强度、屈服点、刚度和塑性，并找出最佳者。答σb2σb1σb3σb2σs1σs3σs2σs4E1E3E2E4δ3δ4δ2δ1最佳者强、塑性配合最佳者2,关于习题,1-13下列说法是否正确如不正确请更正（1）机械在运行中各零件都承受外加载荷，材料强度高的不会变形，材料强度低的一定会变形。（2）材料的强度高，其硬度就高，所以刚度就大。（√）（3）强度高的材料，塑性就低。（不一定）（4）弹性极限高的材料，所产生的弹性变形大。（）,,关于习题,1-14下列零件图样标注的硬度是否正确如有错误，请改正。（1）HBS600650600650HBW（2）HRC70-757075HRA（3）HRB90N/mm290HRB4HB200300MN/m2200300HBS,欢迎进入第2章学习,,,