第一章金属材料的性能课件.ppt

1、4:45:524:45:52 复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料4:45:53选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：工作环境等：其中选材：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。加上材料的资源、价格等多方面考虑。4:45:

2、53毛坯选择毛坯选择车削车削传统的有传统的有现代的有现代的有有液态成形毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形型材等毛坯型材等毛坯车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法激光加工等特种加工方法机械加机械加工方法工方法4:45:53 一个具体零件的加工往往可用一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工多种不同的加工方法方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。质量、加工范围、加工

3、效率是不同的。预先热处理预先热处理：为使切削加工能顺利进行，可通过预为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：最终热处理：使材料的性能达到要求。使材料的性能达到要求。4:45:534:45:53一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料发展与社会进步有着密切关系材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类它是衡量人类社会社会文明程度文明程度的标志之一。的标志之一。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。石器时代（公元前石器时代（公元前1010万年）万年）青铜器时代青铜器时代(公元前公

4、元前30003000年年)铁器时代（铁器时代（1717世纪）世纪）2.2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子高分子材料材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。仍不会改变这种状况。4:45:53金属材料二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢 工具钢工具钢 特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属(铝铝,镁镁,钛钛)重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,

5、镍镍)贵重金属贵重金属(金金,银银)稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴)放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍)结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料4:45:53三、金属材料的发展热点三、金属材料的发展热点1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 l具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材料日益受到重视 l非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3 3特殊条件下应用的金属材料特殊条件下应用的金属材料 l低温、高压、高温、外场

6、以及辐照条件材料的结构、组织低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。和性能的研究。4 4材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。4:45:53四、本课程的内容四、本课程的内容 金属材料的性能金属材料的性能金属材料的热处理金属材料的热处理碳钢、合金钢碳钢、合金钢铸铁、有色金属及合金铸铁、有色金属及合金金属材料的加工金属材料的加工 4:45:53第一章第一章 金属材料材料的性能金属材料材料的性能金金属属材材料料性性能能使用性能使用性能工艺性能工艺性能力学性能力学性能物理和化学

7、性能物理和化学性能铸造性铸造性可锻造性可锻造性焊接性焊接性切削加工性能切削加工性能材料在使用材料在使用过程中所表过程中所表现的性能现的性能材料在加材料在加工中所表工中所表现的性能现的性能4:45:53指材料在指材料在外力或能量外力或能量以及环境因素作用下以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性表现出的变形和破断的特性力学性能力学性能载荷载荷主要力学主要力学性能指标性能指标弹性、塑性、强度、硬度弹性、塑性、强度、硬度冲击韧性、疲劳特性、耐磨性冲击韧性、疲劳特性、耐磨性变变 形形材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化弹性变形弹性变形外力去除后可以恢复的变

8、形外力去除后可以恢复的变形塑性变形塑性变形外力去除后不能够恢复的变形外力去除后不能够恢复的变形4:45:54拉伸试验及曲线拉伸试验及曲线拉伸试验拉伸试验评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸试验4:45:54低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线=P/F应应 力力应应 变变=L/L 0AAD弹性极弹性极限载荷限载荷极限载极限载荷荷E比例极限比例极限载荷载荷屈服强屈服强度度bspCB4:45:541 1、弹性与刚度、弹性与刚度指不产生永久变形的能力指不产生永久变形的能力材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力弹性变形的能力E标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚

9、度；标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚度；E越大，材料越不易发生弹性变形越大，材料越不易发生弹性变形弹性模数弹性模数E衡量衡量弹性弹性刚度刚度刚度由刚度由E =/决定决定零件刚度零件刚度零件抵抗弹性变形的能力零件抵抗弹性变形的能力材料在弹性范围内应力与应变的比值材料在弹性范围内应力与应变的比值/零件刚度是材料零件刚度是材料E和零件形状与截面尺寸的函数。提高零件刚度和零件形状与截面尺寸的函数。提高零件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状的办法是增加横截面积或改变截面形状4:45:542 2、强、强 度度 与与 塑塑 性性强强 度度材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力材料在外力作用下

10、抵抗塑性变形和破坏的能力 屈服强度屈服强度试件试件屈服屈服时承受的最小应力时承受的最小应力s s；基本上所有的机械零件基本上所有的机械零件都不允许塑性变形，所以强度计算常用屈服极限都不允许塑性变形，所以强度计算常用屈服极限s s根据外力的作用方式，有多种强度指标，如：抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等等。其中以拉伸试验所得的强度指标应用最为广泛屈屈 服服应力不增加，但应变增加的现象应力不增加，但应变增加的现象注：注：工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的0.2%时所对应的应力值为材料的屈服强度，用时所对应的应力值为材料的屈服强度，用0.2

11、0.2表示表示屈服极限是具有屈服现象的材料所特有的强度指标，除低碳钢、中碳钢等少数合金钢之外，大多数合金都没有屈服现象。在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一4:45:54CD段位均匀塑性变形阶段，在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化D点以后，试样的局部截面积开始急剧缩小，形成缩颈。试样承受拉伸力的能力逐渐下降，当到达E点时，试件断裂。抗拉强度抗拉强度定义定义试件断裂前所承受的最大拉力，用试件断裂前所承受的最大拉力，用b b表示表示抗拉

12、强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，说明材料抵抗断裂的能力越强说明材料抵抗断裂的能力越强塑塑 性性材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性塑性的常的常用指用指标标伸长率伸长率(L1-L0)/L0100%L0 0为原长，为原长，L1 1为断裂后长度；为断裂后长度；断面收断面收缩率缩率(F0-F1)/F0 100%F0 0为试件原始截面积为试件原始截面积，F1为断口处的截面积为断口处的截面积和和愈大愈大，材料的塑性愈好，通常，材料的塑性愈好，通常更接近真实应变更接近真实应变4:45:543 3、硬、硬 度度定义

13、：定义：材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标；多用压入法测定程度的指标；多用压入法测定硬硬度度布氏硬度布氏硬度(HB)(HB)洛氏硬度洛氏硬度(HR)(HR)维氏硬度维氏硬度(HV)(HV)根据测定根据测定方法的不同方法的不同注注：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度对照表换算对照表换算硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，它是标志产品质量的重要依据硬度测试设备和方法都非常简单，在生产中得到广泛应用，而且一般还可在零件上直接试验而不破坏零件，在零

14、件图纸上，已成为为一项重要技术指标。4:45:54 布氏硬度布氏硬度(HB)试验用压头为试验用压头为一淬火钢球一淬火钢球过硬材料会使钢过硬材料会使钢球变形甚至破坏球变形甚至破坏它的使用范围不它的使用范围不能超过能超过HB450对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度有色金属的硬度缺点缺点：优点优点：测量误差小，数据稳定测量误差小，数据稳定压痕大，不能用于太薄件压痕大，不能用于太薄件或成品件或成品件4:45:54 洛氏硬度洛氏硬度(HR)优优 点点根据压头的材料及压头所加的负荷根据压头的材料及压头所加的负荷HRA、HRB、

15、HRCHRA 适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层HRB 适用于测量有色金属和退火、正火钢等适用于测量有色金属和退火、正火钢等HRC 适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等HR操作简便、迅速操作简便、迅速压痕小，可测量成品件压痕小，可测量成品件硬度值可直接从表盘上读出硬度值可直接从表盘上读出注：注：因压痕小，受材料因压痕小，受材料组织不均匀因素很大，组织不均匀因素很大，所以对同一测试件，应所以对同一测试件，应在不同部位测取三点后在不同部位测取三点后取平均值取平均值4:45:54 维氏硬度维氏硬度(HV)维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同维氏硬度的试验

16、原理与布氏硬度相同不同点是压头为金刚石四方角锥体，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小所加负荷较小优点优点：2、维氏硬度值比布氏、洛氏精确维氏硬度值比布氏、洛氏精确1、深度浅深度浅3、改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度、改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度4:45:544 4、冲击韧性、冲击韧性定义：定义：材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力的作用而不被破坏的能力k k是在一次试验中，单位截面积上是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲击功，单位所消耗的冲击功，单位J/cm2 2表示方法：表示方法：特特 点：点：k k值愈大

17、，材料韧性愈好值愈大，材料韧性愈好 k k值低的材料称为脆性材料值低的材料称为脆性材料 k k值随温度的下降而下降值随温度的下降而下降冷脆冷脆现象现象材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验4:45:545、疲 劳定义：定义：材料在材料在的作用下，在远低于其屈服强度的应的作用下，在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象特特 点：点：突发性，没有先兆突发性，没有先兆疲劳极限疲劳极限

18、材料在规定次数（钢材为材料在规定次数（钢材为107 7次，有色金属及合金取次，有色金属及合金取108 8次）次）交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力用用r r表示表示提高疲劳强度的方法提高疲劳强度的方法1、选择合适的材料；、选择合适的材料；2、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙度，、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙度，进行表面强化。进行表面强化。大小或方向随时大小或方向随时间而变化的载荷间而变化的载荷4:45:54第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能化学性能化学性能物理性能物理性能密度密度熔点熔点热膨胀性热膨胀性导热性

19、导热性导电性导电性磁性磁性耐腐蚀性耐腐蚀性抗氧化性抗氧化性4:45:54 物理性能物理性能密密 度度熔熔 点点热膨胀性热膨胀性材料单位体积的质量材料单位体积的质量密度小于密度小于5103 3Kg/m3 3的金属称为的金属称为轻金属轻金属密度大于密度大于5103 3Kg/m3 3的金属称为的金属称为重金属重金属材料的熔化温度材料的熔化温度陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示对精密

20、仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标能指标4:45:54 物理性能物理性能磁磁 性性导热性导热性材料热传导的能力；用其导热系数来表示材料热传导的能力；用其导热系数来表示制件材料的制件材料的导热性愈差导热性愈差零件在加热或冷却零件在加热或冷却时，由于表面和内时，由于表面和内部产生温差部产生温差膨胀不同，便会膨胀不同，便会产生破裂产生破裂金属及合金的导热系数远高于非金属材料金属及合金的导热系数远高于非金属材料在金属中，以银为最好，铜和铝次之在金属中，以银为最好，铜和铝次之材料能导磁的性能材料能导磁的性能4:45:54 物理性能物理

21、性能导电性导电性材料的导电性一般用电阻率表示材料的导电性一般用电阻率表示金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，铜、铝次之铜、铝次之4:45:54化学性能化学性能抗氧化性抗氧化性耐腐蚀性耐腐蚀性材料抵抗各种介质侵蚀的能力材料抵抗各种介质侵蚀的能力非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料材料抵抗高温氧化的能力材料抵抗高温氧化的能力抗氧化的材料常在表面形成一层致密的保护膜，来阻碍抗氧化的材

22、料常在表面形成一层致密的保护膜，来阻碍氧的进一步扩散氧的进一步扩散4:45:54第三节第三节 材料的工艺性能材料的工艺性能材料工艺性能是其力学性能、物理性能、化学性能的综合材料工艺性能是其力学性能、物理性能、化学性能的综合工艺性能的好坏，影响制造零件的工艺方法和质量以及工艺性能的好坏，影响制造零件的工艺方法和质量以及制造成本制造成本 铸造性铸造性指浇注铸件时，液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优指浇注铸件时，液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的性能质铸件的性能流动性好、缩率小、偏析倾向小是铸造性好的衡量指标流动性好、缩率小、偏析倾向小是铸造性好的衡量指标4:45:54 可焊性可焊性材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能用焊接处出现各种缺陷向来衡量用焊接处出现各种缺陷向来衡量低碳钢具有优良的可焊性低碳钢具有优良的可焊性铸铁和铝合金的可焊性就很差铸铁和铝合金的可焊性就很差4:45:54 切削加工性切削加工性材料容易被切削加工成形并得到精确的形状和高的材料容易被切削加工成形并得到精确的形状和高的表面粗糙度的能力表面粗糙度的能力切削加工性与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性，切削加工性与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性，组织状态等许多因素有关组织状态等许多因素有关有利切削的硬度为有利切削的硬度为HB160230