1、一、金属材料及其性能的概念一、金属材料及其性能的概念1.金属的含义金属的含义金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属分子之间的连结是导热等性质的物质。金属分子之间的连结是金属键金属键。在自然界中，绝。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。在。（一元素不与其他种元素化合一元素不与其他种元素化合,而能单独存在的状态而能单独存在的状态）。金属矿物金属矿物多数是氧化物及硫化物。多数是氧化物及硫化
2、物。金属又有纯金属和合金之分。合金是指以金金属又有纯金属和合金之分。合金是指以金属为基础，加入其他金属或非金属元素，具有金属特性的物质。属为基础，加入其他金属或非金属元素，具有金属特性的物质。2.金属材料的分类金属材料的分类黑色金属黑色金属有色金属有色金属 铜铜、铝、锡、锌等、铝、锡、锌等钢钢纯铁纯铁生铁生铁 3 3、金属材料的性能、金属材料的性能使用性能：使用性能：指材料在指材料在使用过程使用过程中所表现的性能，主要包括中所表现的性能，主要包括力学性力学性能、物理性能和化学性能能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加指在制造机械零件的过程中，
3、材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。工和热处理的性能。金属材料力学性能金属材料力学性能 包括包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能加工性能和热处理工艺性能等。等。指金属材料在指金属材料在外力外力作用下表现出来的性能，主要有作用下表现出来的性能，主要有强度、刚强度、刚度、塑性、弹性、硬度、冲击韧度度、塑性、弹性、硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。1、材料的拉伸曲线、材料的拉伸曲线1 1、oeoe段：段：直线、直线、弹性变形阶段弹性变形阶段2 2、eses段：段：曲线、曲线、弹性变形弹性变形+塑性变形塑性变形
4、阶段阶段5 5、bdbd段：段：缩颈阶段缩颈阶段-出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小，试样承出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小，试样承载能力降低，载能力降低，b b点时拉伸力达到最大值，试样到达点时拉伸力达到最大值，试样到达d d点即断裂。点即断裂。3 3、s ss s段：段：水平锯齿线（略有波动）水平锯齿线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长本不变，试样连续伸长-屈服阶段屈服阶段。4 4、sbsb曲线：曲线：均匀塑性变形均匀塑性变形-强化阶强化阶段段强度指金属材料在外力作用下抵抗破坏（塑性变形和断裂）的能力强度指金属材料在外
5、力作用下抵抗破坏（塑性变形和断裂）的能力 。2、强度的指标、强度的指标2 2、抗拉强度、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。指试样拉断前所承受的最大拉应力。1 1、屈服强度、屈服强度b=F Fb b/A/A当材料的内应力当材料的内应力b b时，材料将产生断裂。时，材料将产生断裂。（新标准：（新标准：Rm）b b常用作常用作脆性材料脆性材料的选材和设计的依据。的选材和设计的依据。符号：符号：s 材料产生屈服现象时的最小应力（新标准：材料产生屈服现象时的最小应力（新标准：ReH、ReL）s s=F Fs s/A/AFs：试样屈服时所承受的拉伸力（试样屈服时所承受的拉伸力（N）A：试样原始横截面
6、积（：试样原始横截面积（mm）s常用作常用作塑性材料塑性材料的选材和设计的依据。的选材和设计的依据。3、塑性指标、塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。评定指标是塑性是材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。评定指标是伸长率伸长率和断面收缩率和断面收缩率。1 1、伸长率、伸长率2 2、断面收缩率、断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0
7、 0 100%100%（新标准：（新标准：A A）5%塑性材料塑性材料 5%脆性材料脆性材料L L0 0:标距标距L L1 1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。=(A=(A0 0-A-A1 1)/A)/A0 0 100%100%（新标准：（新标准：Z）A A0 0:试件原横截面积。试件原横截面积。A A1 1:断裂后颈缩处的最小横截面积，用卡尺直接量出。断裂后颈缩处的最小横截面积，用卡尺直接量出。1 1、定义：、定义：指金属材料表面抵抗局部变形（塑性变形、指金属材料表面抵抗局部变形（塑性变形、压痕、划痕）的能力。它是衡量材
8、料软硬程度的指标，压痕、划痕）的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，常用常用压入法压入法试验来获取数值。试验来获取数值。2 2、硬度的测试方法、硬度的测试方法 （1 1）布氏硬度）布氏硬度 HBSHBS（BrinellBrinell Hardness)Hardness)新国标新国标HBWHBW （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 HR(Rockwell Hardness)HR(Rockwell Hardness)（3 3）维氏硬度）维氏硬度 HVHV 1 1、布氏硬度试验、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）
9、以相应的试验力压入待测材料表面，压入待测材料表面，保持规定时间保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面材料表面压痕直径压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2 2、布氏硬度值、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS 500HBW(硬质合金球，新标准使用)4 4、测量范围测量范围 用于测量原材料或半成品，适用于测量用于测量原材料或半成品，适用于测量灰铸铁、结构钢、有色灰铸铁、结构钢、有色金属及非金属材料等金属及非金属材料等.3 3、优缺点
10、、优缺点（1 1）测量值较准确、稳定，重复性强测量值较准确、稳定，重复性强,可测组织粗大、不均匀材料可测组织粗大、不均匀材料（铸铁）；（铸铁）；（2 2）可测的硬度值不高（可测的硬度值不高（650HBS650HBS）；）；（3 3）不测试成品不测试成品与薄件；与薄件；（4 4）测量费时，效率低。测量费时，效率低。1 1、洛氏硬度试验、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理原理:用顶角为用顶角为1200金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力（初始试验力金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力（初始试验力F0和主试验力和主试验力F）的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除主试验力）的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除主试验
11、力F，保持保持F0，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2 2、洛氏硬度值、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示（用测量的残余压痕深度表示（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC）。）。可从表盘上直接读出。可从表盘上直接读出。如：如：50HRC50HRC 4 4、测量范围测量范围 用于测量用于测量淬火钢、硬质合金淬火钢、硬质合金等材料等材料.3 3、优缺点、优缺点（1 1）试验简单、方便、迅速试验简单、方便、迅速（2 2）压痕小，可测成品、薄件压痕小，可测成品、薄件（3 3）数据数据不够准确，应测三点取平均值不够准确，
12、应测三点取平均值（4 4）不应用于测组织不均匀材料，如铸不应用于测组织不均匀材料，如铸铁。铁。硬度标尺压头类型总试验力(N)硬度值有效范围应用举例HRC120金刚石圆锥体1471.02067HRC一般淬火钢件HRB1/16钢球980.725-100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRA120 金刚石圆锥体588.46085HRA硬质合金、表面淬火钢等1 1、维氏硬度试验、维氏硬度试验 原理原理:用夹角为用夹角为136136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F F（49.03-980.07N49.03-980.07N）压入试样表面，保持规定的时间后，卸除压力，测
13、出压入试样表面，保持规定的时间后，卸除压力，测出压痕两对角线长度压痕两对角线长度d d的算术平均值来计算硬度。的算术平均值来计算硬度。2 2、维氏硬度值、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。用压痕对角线长度表示。如：如：640HV640HV。4 4、测量范围测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理（渗碳、渗氮）后的表层等。常用于测薄件、镀层、化学热处理（渗碳、渗氮）后的表层等。3 3、优缺点、优缺点（1 1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；（2 2）可测可测成品与薄件；成品与薄件；（3 3）试样表面要求高、费工。试样表面要求高、费工。1 1、定
14、义：、定义：指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定力，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。（炮管、冷冲模。（炮管、冷冲模等）等）2 2、冲击试样、冲击试样 U U形缺口和形缺口和V V形缺口形缺口 3 3、试验原理、试验原理 将标准试样放在试验机的支座上，缺口将标准试样放在试验机的支座上，缺口背向摆锤的冲击方向，将质量为背向摆锤的冲击方向，将质量为G G的摆锤升的摆锤升至高度至高度H H1 1，然后自由落下，冲断试样，摆锤，然后自由落下，冲断试样，摆锤升至高度升至高度H H2 2，试验机表盘上的数值为冲击吸，试验机表盘上的数值
15、为冲击吸收功（收功（A Ak k=mg(H1-H2)=mg(H1-H2)。五五 疲疲 劳劳 强强 度度 1.疲疲劳现象：承受载荷的大劳现象：承受载荷的大小或方向随小或方向随时间作周期性变时间作周期性变化的化的载荷叫交变载荷。在交变载荷叫交变载荷。在交变应力作用下应力作用下，工件（轴、弹簧、轴，工件（轴、弹簧、轴承、齿轮等）发生断裂时的应力往承、齿轮等）发生断裂时的应力往往在远小于强度极限，甚往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的至小于屈服极限的应力。大约应力。大约80%机件破断是疲劳造成的。机件破断是疲劳造成的。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 试验证明，金属材料所受最大交变
16、应力试验证明，金属材料所受最大交变应力maxmax 愈大，则断愈大，则断裂前所受的循环周次裂前所受的循环周次N N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力变应力maxmax 与疲劳寿命与疲劳寿命N N的关系曲线称的关系曲线称疲劳曲线疲劳曲线或或NN曲线曲线 。工程上规定，工程上规定，材料经受材料经受相当循环周次相当循环周次不发生断裂的最大应不发生断裂的最大应力称为疲劳力称为疲劳强度强度，以符号以符号-1-1表示。表示。疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次部分工程材料的疲劳强度-1（MPa）由金属原材料到制成零件成品，需要经过多道加工
17、工序，由金属原材料到制成零件成品，需要经过多道加工工序，其中又分为冷、热加工。具体有铸造、压力加工其中又分为冷、热加工。具体有铸造、压力加工(锻造、轧锻造、轧制、冲压、拉拔等制、冲压、拉拔等)、焊接、热处理、切削加工等。按金属、焊接、热处理、切削加工等。按金属适应各种加工的可能和难易程度，常分为适应各种加工的可能和难易程度，常分为铸造性能、锻造铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能性能等。等。指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。热处理的性
18、能。3）、焊接性能）、焊接性能 是指能否将金属用一定的焊接方法，焊成优是指能否将金属用一定的焊接方法，焊成优良接头的性能它可以通过焊接试验来评定，其主要标准是良接头的性能它可以通过焊接试验来评定，其主要标准是产生裂缝的可能性和裂纹的多少，以及有无气孔产生。产生裂缝的可能性和裂纹的多少，以及有无气孔产生。4）、金属的切削加工性能）、金属的切削加工性能 是指能否将金属用刀具切削成具是指能否将金属用刀具切削成具有一定的精度和表面粗糙度的零件的性能。有一定的精度和表面粗糙度的零件的性能。金属切削性能的好环，主要与金属材料的硬度、韧性、化金属切削性能的好环，主要与金属材料的硬度、韧性、化学成分和加工硬化程度等有关。学成分和加工硬化程度等有关。一般比较理想的切削加工硬度为一般比较理想的切削加工硬度为l60HBS230HBS。硬度。硬度太低材料韧性太强，切削时容易太低材料韧性太强，切削时容易”粘刀粘刀”；硬度太高，切；硬度太高，切削时容易磨损刀具：表面抗力大，则切削量太小。但是，不削时容易磨损刀具：表面抗力大，则切削量太小。但是，不同的切削方法有不同的具体要求如磨削要求金属的硬度要同的切削方法有不同的具体要求如磨削要求金属的硬度要高些，铣齿又要求材料硬度、韧性不能太高。高些，铣齿又要求材料硬度、韧性不能太高。
