材料的主要性能.ppt

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1、第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能教学重点：金属材料的力学性能教学重点：金属材料的力学性能 教学难点：教学难点：-曲线特点曲线特点1.1.使用性能使用性能（1 1）力学性能）力学性能（2 2）物理性能）物理性能（3 3）化学性能）化学性能2.2.工艺性能工艺性能加工成形的性能加工成形的性能材料的主要性能材料的主要性能:第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 p力学性能（又称机械性能）力学性能（又称机械性能）是指金属材料在受外力作用时所是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。反映出来的性能。p零件受力情况有：零件受力情况有：静载荷、动载荷、交变载荷静载荷、动载荷、

2、交变载荷p力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据1.1.衡量在静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度衡量在静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度2.2.衡量在动载荷作用下的力学性能指标有：冲击韧度衡量在动载荷作用下的力学性能指标有：冲击韧度3.3.衡量在交变载荷作用下的力学性能指标有：疲劳强度。衡量在交变载荷作用下的力学性能指标有：疲劳强度。外力作用下材料的变形与失效外力作用下材料的变形与失效FFF=F （MPa）外力 内力应力FF=F/S一、强度与塑性一、强度与塑性 标准试件p强度强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂材料

3、抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。的能力。p塑性塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。不破坏的能力。p拉伸试验拉伸试验长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）=F F/A/Ao o=L L/L L0 0 分分别别以以和和为为纵纵坐坐标标和和横横坐坐标标，绘绘出出应应力力-应应变变曲曲线线。应应力力-应应变变曲曲线线的的形形状状与与拉拉伸伸曲曲线线完完全全相相似似，只只是是坐坐标标与与数数值值不不同。同。oe弹性变形阶段；弹性变形阶段；es屈服阶段；屈服阶段；sb强化阶段；强化

4、阶段；bk缩颈阶段缩颈阶段s-屈服点屈服点 b-开始发生缩颈现象开始发生缩颈现象退火低碳钢力退火低碳钢力-伸长曲线伸长曲线 屈服极限屈服极限 S强化阶段弹性极限弹性极限 P屈服阶段屈服阶段强度极限强度极限 B颈缩阶段弹性阶段弹性阶段拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象颈缩现象颈缩现象低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线铸铁拉伸曲线Fl：载荷伸长量拉伸曲线 ：应力应变曲线（1 1）弹性变形：）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失随外力消失而消失的变形而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。（

5、2 2）塑性变形）塑性变形材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不产生永久的不可恢复的变形可恢复的变形，称为，称为塑性变形塑性变形。两种基本变形形式两种基本变形形式弹性变形塑性变形断裂变形的三个阶段变形的三个阶段（1 1）断裂（）断裂（2 2）塑性变形（）塑性变形（3 3）过量弹性变（）过量弹性变（4 4）磨损（）磨损（5 5）腐蚀）腐蚀常见的几种失效形式常见的几种失效形式1 1强度强度：强度强度材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1）屈服点（屈服点（屈服屈服强度）（强度）（S S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材

6、料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。S S =Fs/A =Fs/A0 0（MPaMPa）式中：式中：F Fss试样屈服时的载荷，试样屈服时的载荷，N N；A A0 0试样原始横截面积，试样原始横截面积，mmmm2 2。l当材料单位面积上所受的应力当材料单位面积上所受的应力ee ss 时，材料将产生明显的塑性变形。时，材料将产生明显的塑性变形。（1）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。屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。中、高碳钢和其他脆中、高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服现性金属材料无明显屈服现象，国家标准以产生象，国家标准以产生0.2%0.2%塑性变形的应力来表示屈塑性

7、变形的应力来表示屈服强度，即：服强度，即：0.20.2 =F F0.20.2 /A A0 0（2）抗拉强度）抗拉强度p抗拉强度抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号用符号b b表示，单位表示，单位 MpaMpa，即即 b b=F Fb b /A/A0 0 (MpaMpa)式中：式中：F Fb b试样承受的最大载荷，试样承受的最大载荷，N N；A A0 0试样原始横截面积，试样原始横截面积，mm2mm2。p屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义评定金属材料时有重要意义 。

8、机械零件多以机械零件多以s s作为强度作为强度设计的依据。设计的依据。p对于脆性材料，在强度计算时，则以对于脆性材料，在强度计算时，则以b b为依据。为依据。材料在外力作用下，产生塑性变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生塑性变形而不引起破坏的能力。（2）断面收缩率:FFL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.塑性塑性 10%属塑性材料属塑性材料(1)(1)伸长率伸长率=（L L1 1-L-L0 0）/L L0 0 100%100%式中：式中：L L0 0试样原标距的长度（试样原标距的长度（mmmm）L L1 1试样拉断后的标距长度

9、（试样拉断后的标距长度（mmmm）金金属属材材料料抵抵抗抗局局部部变变形形、特特别别是是塑塑性性变变形形、压痕、划痕的能力。压痕、划痕的能力。硬度是衡量金属软硬的硬度是衡量金属软硬的判据。判据。硬度直硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性接影响到材料的耐磨性及切削加工性二硬度二硬度布氏硬度计布氏硬度计 1、布氏硬度、布氏硬度应用：应用：测量比较软的材料。测量范围测量比较软的材料。测量范围 HBS450HBS450、HBW650HBW650的金属材料。的金属材料。优缺点：优缺点：压痕大，测量准确，但测压痕大，测量准确，但测量费时压痕较大不能测量成品件。量费时压痕较大不能测量成品件。用一定直径的压

10、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。布布 氏氏 硬硬 度度 测量测量淬火钢球淬火钢球 HBSHBS硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW压头材质表示方法压头材质表示方法布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料,选用淬火钢球压头选用淬火钢球压头布氏硬度值布氏硬度值与压头与压头例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料，的材料，选用选用硬质合金球压头压头例如：例如：550HBW550HBW 600HBW600HBW布布 氏氏 硬硬 度度 标标 注注 符号符号H

11、BS或或HBW之前的数字表示硬度值，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、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。如载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得测得的布氏硬度值为的布氏硬度值为120。优点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。重复性强。缺点：缺点：压痕面积较大，测量费时。压痕面积较大，测量费时。应用：应用：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

12、铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。布氏硬度特点布氏硬度特点 用锥顶角为用锥顶角为120120的金刚石圆锥或直的金刚石圆锥或直径径1.588mm1.588mm的淬火钢球，以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除入待测表面，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增量主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。来计算出硬度值。洛洛 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值2.洛氏硬度洛氏硬度001

13、12332h1h2h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛洛 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理20671500N120金刚石圆锥体HRC251001000N1.588mm钢球HRB7085600N120金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围洛氏硬度洛氏硬度应用范围应用范围HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不

14、可直接比较大小例如：例如：50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 注：注：HBSHBS和和HBWHBW分别测得的硬度，可直接比较大小例如：例如：400HBW=400HBS洛氏硬度标注优点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。测量范围大，能测较薄工件。缺点：缺点：测量精度较低，可比性差，需多次测量精度较低，可比性差，需多次测量，不同标尺的硬度值不能比较。测量，不同标尺的硬度值不能比较。洛氏硬度特点洛氏硬度特点是生产中应用最广泛的硬度是生产中应用最广泛的硬度 试验方法。试验方法。可用于可用于成品检验和薄件表面硬度

15、检验。成品检验和薄件表面硬度检验。不适于不适于测量组织不均匀材料。测量组织不均匀材料。洛氏硬度应用洛氏硬度应用三、韧性三、韧性 有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。n金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。击韧性。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度冲击韧度(大能量、一次冲断）。大能量、一次冲断）。n 试验

16、表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。n冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。方法。A AK K=G=G（H H1 1 H H2 2）（）（J J）a ak k=A AK K/S /S （J/cmJ/cm2 2）式中：式中：冲击韧度（冲击韧度（akak）就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸

17、收功。击吸收功。AkAk折断试样所消耗的冲击功（折断试样所消耗的冲击功（J J）S S 试样断口处的原始截面积（试样断口处的原始截面积（cm2cm2）材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。冲击韧性冲击韧性 计算公式计算公式；A A k k=GHGH1 1 -GH-GH2 2 =G=G（H H1 1 -H-H2 2）试样被冲断过程中试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收吸收的能量即冲击吸收功（功（Ak ）等于摆锤冲）等于摆锤冲击试样前后的势能差。击试样前后的势能差。试验过程如图所示。试验过程如图所示。冲击韧度（冲击韧度（a k）：）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积冲击吸收功除以试样缺口处截面积。试验原

18、理试验原理疲劳现象：疲劳现象：零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。四、疲劳强度四、疲劳强度在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。疲劳强度：疲劳强度：材料在无数次重复或交变载荷作用下不材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。引起破坏的最大应力。据统计，约据统计，约80%80%的机件失效为疲劳破坏。的机件失效为疲劳破坏。p在循环载荷作用下，材料承在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力受一定的循环应力和断裂时和断裂时相应的循环次数相

19、应的循环次数N N之间的关系可之间的关系可以用曲线来描述，即以用曲线来描述，即之之间的关系曲线，称间的关系曲线，称疲劳曲线疲劳曲线p当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号号-1-1表示，即当应力低于表示，即当应力低于-1-1值，既使循环周次无穷多也值，既使循环周次无穷多也不发生断裂不发生断裂 。钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N=10N=107 7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=10N=108 8提高疲劳极限途径：提高疲劳极限途径：1.1.改善零件的结构形状改善零件的结构形状2.2.降低表面粗糙度值

20、降低表面粗糙度值3.3.采取表面强化采取表面强化疲劳极限疲劳极限-1-1第二节第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能金属材料的物理、化学及工艺性能 一、物理性能一、物理性能1 1 密度密度2 2 熔点熔点3 3 导热性导热性4 4 导电性导电性5 5 热膨胀性热膨胀性6 6 磁性磁性二、化学性能二、化学性能 它是金属材料在它是金属材料在室温或高温室温或高温时抵抗各种化学作用时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等如耐酸性、耐碱性等)2 2抗氧化性抗氧化性3 3化学稳定性化学稳定性三、工

21、艺性能三、工艺性能工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等加工性等 1 1、铸造性能：、铸造性能：金属在铸造成形过程中获得外形准确、金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。铁和青铜的铸造性能较好。2 2、锻造性能：、锻造性能：金属材料利用锻压加工

22、方法成形的难金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好属的锻造性能越好3 3、焊接性能、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。服役要求的能力。4 4、切削加工性能、切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。难易程度。作业 思考题：思考题：P11P11 第第1 1、2 2、4 4书面作业：书面作业：P11P11 第第3 3、5 5题题