1、第一章 金属的性能 主编绪论一、学习本书的目的机械工程材料是人类社会发展的重要物质基础,用它来制造各种产品,满足人类生产和生活中的各种需要。二、金属材料及热处理的发展史我国是世界上最早使用金属材料及热处理技术的国家之一。三、本书的内容及特点本书的主要内容包括金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理原理及热处理工艺、常用金属材料等。第一章金属的性能金属材料由于具有许多良好的性能,在机械制造业中,广泛地用于制造生产和生活用品。为了能够合理地选用金属材料,设计、制造出具有竞争力的产品,必须了解和掌握金属材料的性能。金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能,
2、它包括力学性能、物理性能、化学性能;工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能,如铸造性能、锻造性能等。金属的力学性能是指金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。弹性是指物体在外力作用下改变其形状和尺寸,当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。应力是指物体受外力作用后所导致物体内部之间相互作用的力(称为内力)与截面积的比值。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化,通常以百分数(%)表示。第一节金属的力学性能 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。1.拉伸试样在国家标准中,对拉伸试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定,通常采
3、用圆柱形拉伸试样,如图1-1所示。一、强度图1-1圆柱形拉伸试样a)拉伸前b)拉断后2.力-伸长曲线力-伸长曲线是指拉伸试验中记录的拉伸力F与试样伸长量l之间的关系曲线,一般由拉伸试验机自动绘出。图1-2低碳钢的力-伸长曲线(1)oe弹性变形阶段在力-伸长曲线图中,oe段为一斜直线,说明在该阶段试样的伸长量l与拉伸力F之间成正比例关系,当拉伸力F增加时,试样的伸长量l随之增加,去除拉伸力后试样完全恢复到原始的形状及尺寸,表现为弹性变形。(2)es屈服阶段当拉伸力不断增加,超过Fe再卸载时,弹性变形消失,一部分变形被保留下来,即试样不能恢复原来的形状及尺寸,这种不能随拉伸力的去除而消失的变形称为
4、塑性变形。(3)sb冷变形强化阶段屈服后,试样开始出现明显的塑性变形。(4)bk缩颈与断裂阶段当拉伸力达到Fb时,试样上某个部位的截面发生局部收缩,产生“缩颈”现象。工程上使用的金属材料,大多没有明显的屈服现象。图1-3铸铁的力-伸长曲线3.强度指标(1)屈服点在拉伸试验过程中,拉伸力不增加(保持恒定),试样仍然能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点,用符号s表示,单位为MPa。(2)抗拉强度试样在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度,用符号b表示,单位为MPa。二、塑性塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。1.伸长率试样拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率。2.断面收缩率试样拉
5、断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。图1-4布氏硬度试验原理图三、硬度硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标,是指金属抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。1.布氏硬度(1)测试原理使用一定直径的球体(淬火钢球或硬质合金球),以规定的试验力压入试样表面,经规定的保持时间后,去除试验力,测量试样表面的压痕直径,然后计算其硬度值,如图1-4所示。布氏硬度值是指球面压痕单位表面积上所承受的平均压力。表1-1布氏硬度试验的技术条件(2)表示方法布氏硬度的表示方法是,测定的硬度数值标注在符号HBS(HBW)的前面,符号后面按球体直径、试验力、试验力保持时间(10
6、15s不标注)的顺序,用相应的数字表示试验条件。例如:175HBS10/1000/30,表示用直径10mm的淬火钢球,在9807N试验力的作用下,保持30s时测得的布氏硬度值为175。(3)适用范围及优缺点布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、非铁金属及退火、正火或调质状态的钢材等材料的硬度。布氏硬度试验时的试验力大,球体直径大,因而获得的压痕直径也大,能在较大范围内反映被测金属的平均硬度,试验结果比较准确。2.洛氏硬度(1)测试原理洛氏硬度试验是用锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头,图1-5洛氏硬度试验原理图(2)常用洛氏硬度标尺及其适用范围由于试验时选用的压头和总试
7、验力的不同,洛氏硬度的测量尺度也就不同,常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种,其中C标尺应用较为广泛。表1-2常用洛氏硬度的试验条件和应用范围(3)优缺点洛氏硬度试验压痕较小,对试样表面损伤小,可用来测定成品、半成品或较薄工件的硬度;试验操作简便,可直接从刻度盘上读出硬度值;由于采用不同的硬度标尺,洛氏硬度的测试范围大,能测量从极软到极硬各种金属的硬度。3.维氏硬度维氏硬度的测试原理,如图1-6所示。图1-6维氏硬度试验原理图四、冲击韧度强度、塑性、硬度等力学性能指标是在静载荷作用下测定的,而许多零件和工具在工作过程中,往往受到冲击载荷的作用,如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。夏比冲击试验是
8、在摆锤式冲击试验机上进行的,利用的是能量守恒原理。1.测试原理图1-7夏比冲击试验原理图1摆锤2试样3机架4刻度盘2.冲击试样为了使夏比冲击试验的结果可以互相比较,冲击试样必须按照国家标准制作,如图1-8所示。图1-8冲击试样a)U型缺口试样b)V型缺口试样3.韧脆转变温度金属的冲击吸收功与冲击试验时的温度有关。图1-9冲击吸收功-温度曲线4.多次冲击试验图1-10多次冲击试验示意图五、疲劳强度1.疲劳现象许多机械零件都是在循环载荷的作用下工作的,如曲轴、齿轮、弹簧、各种滚动轴承等。2.疲劳强度疲劳断裂是在循环应力作用下,经一定循环次数后发生的。第二节金属的工艺性能工艺性能是指金属在制造各种机
9、械零件或工具的过程中,对各种不同加工方法的适应能力,即金属采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。例如,某种金属材料用铸造成形的方法,容易得到合格的铸件,则该种材料的铸造性能好。工艺性能直接影响零件的制造工艺和质量,是选择金属材料时必须考虑的因素之一。一、铸造性能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。二、锻造性能金属利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。三、焊接性能焊接性能是指金属对焊接加工的适应能力,即在限定的施工条件下被焊接成按规定设计要求的构件,并满足预定使用要求的能力。四、切削加工性能切削加工性能是指金属
10、在切削加工时的难易程度。第三节金属的力学性能实验一、硬度实验1.实验目的了解布氏硬度计和洛氏硬度计的构造及使用方法;初步掌握各种金属硬度的测量方法;分析图1-13HB3000型布氏硬度计简图1手轮2工作台3试样4压头5指示灯6砝码7紧压螺钉2.实验设备及材料3.实验步骤4.实验报告二、冲击实验1.实验目的了解冲击试验机的构造及使用方法;初步掌握各种金属冲击韧度的测量方法;分析碳钢的冲击韧度与其碳的质量分数之间的关系。2.实验设备及材料3.实验步骤4.实验报告1.什么是金属的力学性能?金属的力学性能包括哪些?想一想2.根据作用形式不同,载荷分为哪几类?3.什么是强度?其常用性能指标有哪些?各用什么符号表示?4.什么是塑性?其常用性能指标有哪些?各用什么符号表示?5.伸长率与断面收缩率,哪一个性能指标能更真实地反映金属的塑性?6.什么是硬度?常用的硬度试验方法有哪些?各用什么符号表示?7.布氏、洛氏硬度试验法有哪些优缺点?说明其应用范围。8.为什么在生产中硬度试验比拉伸试验更实用?9.什么是冲击韧度?其值用什么符号表示?AK表示什么意思?10.什么是疲劳现象?什么是疲劳极限?疲劳极限常用什么符号表示?11.什么是金属的工艺性能?主要包括哪些内容?
