第一章 金属材料的性能.ppt

机械制造基础,汽制教研室,第一章金属材料的性能,教学要求主要内容本章重点本章小结,教学要求,通过学习，学生应掌握金属材料的力学性能指标和测试方法，以及各个指标的物理意义。在设计机械零件和选择材料时要能根据零件的工作环境，零件所承受的载荷情况重点考虑某些力学性能指标。,主要内容,第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的物理、化学和工艺性能,本章重点,金属材料的力学性能指标和测试方法，以及各个指标的物理意义。,,1.1.1强度和塑性,机器上由金属材料研制成的零、部件，在工作过程中都要承受外力或称载荷作用。,荷作用的结果将引起零、部件形状和尺寸的改变，这种改变称为变形。,常见的变形方式有,拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切。,常用的力学性能试验方法有拉伸试验、硬度试验、冲击试验等。力学性能的主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度等。,一、强度,强度--金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。,强度的分类,抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等。,各种强度之间有一定的联系。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。,抗拉强度是通过拉伸试验测定的。,拉伸试验的方法用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。,根据测得的数据，可求出有关的力学性能。,1．拉伸试样试验时应先将被测金属材料制成标准试样。,图1-1所示为圆形拉伸试样。,图1-1圆形拉伸试样a拉伸前b拉断后d0试样的直径；l0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l010d0和短试样l05d0。,2．力－伸长曲线,拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力－伸长曲线，也称拉伸图。,低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段,1）弹性变形当载荷不超过Fe时，拉伸曲线Oe为直线，试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。,图1-2低碳钢的力伸长曲线,2塑性变形,当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长。此时若卸除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。,当载荷达到Fs时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服”。,（3）断裂,当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k点时，试样随即断裂。Fk为试样断裂时的载荷。,在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本上是沿着整个试样标距长度内发生的，属于均匀变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。,3．强度指标,强度指标是用应力值来表示的。试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力即内力。,单位截面积上的内力，称为应力，用符号σ表示。,弹性极限金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σe表示。,式中Fe弹性变形范围内的最大载N；S0试样原始横截面积mm2。,抗拉强度试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。,式中Fb试样断裂前所能承受的最大载荷N；S0试样的原始横截面积mm2。,低碳钢的屈服强度σs约为240MPa，抗拉强度σb约为400MPa。,工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的σs，还希望具有一定的屈强比σs／σb。,屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不致于立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有利用率就太低。,二、塑性,金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。,1．伸长率,伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号δ表示。即,式中l0试样的原始标距长度mm；l1试样拉断后的标距长度mm。,2．断面收缩率,断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。即,式中So试样原始横截面积mm2；S1试样断裂处的横截面积mm2。,伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用δ10和δ5表示，δ10也常写成δ。,δ和ψ是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性就越好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。,1.1.2硬度,硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。,硬度是金属材料的重要性能之一，也是检验工、模具和机械零件质量的一项重要指标。,常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。,一、布氏硬度,测定原理是用规定的试验力F，把直径为D的硬质合金球压人被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，在放大镜下测量被测试金属表面的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积所承受的平均压力（F/S），以此作为被测试金属的布氏硬度值，如图1-3所示。,布氏硬度用符号HBW表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。硬度符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面的数值表示试验条件的指标，依次为球体直径、试验力大小及试验力保持时间（10～15s时不标注）。,例如600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金球，在294N的试验力作用下保持20s，测得的布氏硬度值为600。,进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径D、试验载荷F和载荷保持时间。,GB/T231.1－2002规定,1、球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；,2、试验力（单位N）与球体直径平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6种（根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表选定0.102F/D2）；,3、试验力的保持时间为10～15s。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力保持时间允许误差为2s。,布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。,二、洛氏硬度,测定原理用顶角为120的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球或硬质合金球作压头，在初试验力F0及总试验力F分别作用下压入金属表面，然后卸除主试验力F1，在初试验力F0下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压人0.002mm为一个硬度单位。,图1-4洛氏硬度试验原理,如图1-4所示。图中0-0为金刚石圆锥压头没有和试样接触时的位置，1-1为压头在初试验力100N作用下，2-2为在总试验力作用下，压头压入深度为h2时的位置；3-3为卸除主试验力保留初试验力后压头的位置h3。,这样，压痕的深度hh3－h1，洛氏硬度的计算公式为,洛氏硬度,式中h压痕深度；N给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。,淬火钢球压头用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定。,洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是A、B、C三种标尺。,优点操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。,缺点精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。,三、维氏硬度维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，不同的是所用压头为锥面夹角为136o的金刚石正四棱锥体，如图1-5所示。,试验时用规定的试验力F，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积S，以F／S的数值来表示试样的硬度值，用符号HV表示。,维氏硬度试验常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、94.2N、490.3N、980.7N等几种。在试样厚度允许的情况下尽可能选用较大的试验力，以获得较大的压痕，提高测量精度。,维氏硬度标注时，在符号HV前面标出硬度值，在HV后面的数值依次表示试验力值和试验力保持时间保持时间为10～15s时不标出。,例如640HV300表示在试验力为294.2N下，保持10～15s测得的维氏硬度为640；640HV300／20表示在试验力为294.2N下，保持20s测得的维氏硬度值为640。,实际测量时，用装在机体上的测量显微镜，测出压痕投影的两对角线的平均长度d，然后根据d的大小查表（GB/T4340－1999），求得所测的硬度即可。,维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。维氏硬度值需要测量压痕对角线，经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不宜用于成批零件的常规检验。由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系。,根据试验结果，可获得粗略换算公式如下当硬度在200～600HBW范围内HRC≈1／10HBW当硬度小于450HBW时HBW≈HV,1.1.3冲击韧度,金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。通常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如图1-6所示。,试验时，把标准冲击试样的缺口背向摆锤方向放在冲击试验机上，将摆锤扬起到规定高度H1，然后自由落下，将试样冲断。,摆锤冲断试样所消耗的功为AKmgH1－H2，称做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出，单位为焦耳（J）。用试样缺口处的横截面积S去除AK所得的商即为该材料的冲击韧度值，用符号αK表示，单位为焦耳／厘米2J／cm2。即,试样缺口有U和V两种，冲击韧度值分别以αKU和αKV表示。,αKV值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑性变形，断口呈灰色纤维状；,αKV值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽而较为平整。,强度、塑性两者均好的材料，αKV值也高。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则αKV值越低。,1.1.4疲劳强度,有许多零件如齿轮、弹簧等是在交变应力指大小和方向随时间作用期性变化下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。,图1-7是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，纵坐标表示交变应力。,从该曲线可以看出，材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不破坏。,我们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。,通常光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用σ-1表示。,对钢材来说，我们把经受10E7周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲劳强度。,对于有色金属，一般则需规定应力循环次数在10E8或更多周次，才能确定其疲劳强度。,影响疲劳强度的因素主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。,上述力学性能指标，都是用小尺寸的光滑试样或标准试样，在规定性质的载荷作用下测得的。光滑试样或标准试样的力学性能指标不能直接代表材料制成零件后的性能。,理由,1、因为实际零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材料中出现缺陷如孔洞、夹杂物，表面损伤等的可能性也增大；,2、零件在实际工作中所受的载荷往往是复杂的，零件的形状、表面粗糙度值等也与试样差异很大。,1、密度2、熔点3、导电性4、导热性5、热膨胀性6、磁性,1-2金属材料的物理、化学和工艺性能,1.2.1金属材料的物理性能,1、耐腐蚀性2、抗氧化性,1.2.2金属材料的化学性能,1、铸造性能2、焊接性能3、锻造性能4、切削加工性5、冲压性能6、热处理工艺性,1.2.3金属材料的工艺性能,小结,金属材料的力学性能是指材料在不同形式的载荷作用下所表现出来的特性。由于载荷的形式不同，材料可表现出不同的力学性能，如强度、塑性、硬度、韧度和疲劳强度等。强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，通常以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。通过静拉伸试验可测得强度和塑性。硬度也是在静载荷作用下测试的，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。冲击韧度在一次冲击载荷下测试。疲劳强度是在交变应力作用下测试。金属材料的各种力学性能之间有一定的联系。一般提高金属的强度和硬度，往往会降低其塑性和韧度；反之若提高塑性和韧度，则会削弱其强度。,