1、第三章第三章 金属材料的性能金属材料的性能(The properties of metal Materials)v一、定义v 金属材料在使用和加工过程中所表现出的特性金属材料在使用和加工过程中所表现出的特性,称为称为金属材料的性能。金属材料的性能。v二、分类v 机械性能(Mechanical properties)，船机、轮机人员关心的。v 工艺性能(workability)是制造人员关心的。v 理化性能(physical and chemical properties)船机、轮机人员关心的。2-1 金属材料的机械性能（也称力学性能）金属材料的机械性能（也称力学性能）v一、概述一、概述 1.定
2、义:金属在各种外力作用下金属在各种外力作用下抵抗变形和断裂抵抗变形和断裂的能力的能力,称为金属的机械性能称为金属的机械性能(又称为金属的力学性能又称为金属的力学性能)。或金属。或金属材料对外界载荷的反应能力。材料对外界载荷的反应能力。作用：机械性能是设计机件和选用材料的依据。.分类 根据使用温度不同分：1室温下的机械性能指标室温下的机械性能指标 刚度(stiffness)；强度(strength)；塑性(Plasticity)；硬度(hardness)；疲劳强度(fatigue strength)；冲击韧性(impact toughness)2高温下的机械性能指标：高温下的机械性能指标：高温强
3、度；热硬性二、室温下的机械性能二、室温下的机械性能 拉伸试验(The tensile test)方法是测定室温下机械性能的重要方法,通过这些试验,可以得到曲线(应力应变曲线)(stress-strain curve)。（一）（一）刚度（刚度（stiffness）定 义:金属材料在受力时金属材料在受力时抵抗弹性变形抵抗弹性变形的能力，称的能力，称为。为。衡量指标:弹性模量:E=/(、分别为弹性变形时的应力与应变)。v刚度的影响因素刚度的影响因素 E=/=（P/F）/（L/L0）L=（PL0）/（EF）在P、L0一定的情况下，L取决于EF（刚度）。材料的弹性模量E:对热处理与合金化、及冷热加工方法
4、不敏感（主要取决于材料分子间作用力的强弱），故从刚度出发，选用一般钢材即可，不必选用合金钢。零件的截面大小零件的截面大小：设计时，如果要增大刚度，主要通过增大截面积来实现。结构设计：采用支承、改善应力分布等方法。（二）强度（二）强度（Strength）定义:在外力作用下在外力作用下,材料抵抗产生塑性变形和断裂材料抵抗产生塑性变形和断裂的能力的能力，称为。衡量指标:主要有:1屈服强度（屈服强度（）：）：材料抵抗微量塑性变形的能力，称为。绝大多数机械零件（如：紧固螺栓等），在工作中不允许产生明显的塑性变形，因此，屈服极限是设计屈服极限是设计和选材的主要依据之一。和选材的主要依据之一。工作应力：工作
5、应力：s/n n安全系数安全系数v2.抗拉强度（抗拉强度（b）（强度极限）（强度极限）抗拉强度表示材料对发生最大均匀变形的抗力，当零件承受的应力大于b时，零件就会断裂，用b表示。材料抵抗断裂材料抵抗断裂的能力，称为的能力，称为。（断裂前的最大应力）v3.屈强比（屈强比（s/b)：屈强比小，可靠性高，但材料性能的浪费大。屈强比小，可靠性高，但材料性能的浪费大。影响因素:热处理、合金化、细晶强化冷热加工方法都会对上述指标产生很大的影响。（三）塑性指标（三）塑性指标（plasticity）定义:在外力作用下在外力作用下,材料材料产生塑性变形而不破坏产生塑性变形而不破坏的的能力能力,称为塑性称为塑性.
6、衡量指标:1.延伸率延伸率（(l1-l0)/l0*100）应用：工程上按延伸率的大小将材料分成两类：的材料塑性材料；的材料脆性材料；2.断面收缩率断面收缩率 (F0-F1)/F0*100）。其中：F0为试样原始截面积；F1为拉断后的截面积。3.塑性好的含义：一方面表示材料塑性加工性好方面表示材料塑性加工性好;另一方面表另一方面表示材料承受过载的能力强示材料承受过载的能力强(通过塑性变形通过塑性变形,加工硬化来提高强度加工硬化来提高强度)。注意：塑性指标不能直接用于设计计算，通常根据经验来选择，一般零件有5，有即可满足要求。v（四）硬度（四）硬度（hardness）v 很常用的指标，零件的设计图
7、纸上一般标有对硬度的要求设计图纸上一般标有对硬度的要求。应用很广。v 1）定义：金属表面抵抗局部塑性变形的能力金属表面抵抗局部塑性变形的能力,称为硬度。称为硬度。衡量衡量材料软硬的指标。材料软硬的指标。v 2）衡量指标:常用的方法是采用压入法压入法，即：将一硬质压头，在一定载荷下压入被测材料的表面，形成压痕，根据压痕的大小或深度来表示硬度值。常用的有三种：v 1布氏硬度布氏硬度(Brinell test)v 方法:用载荷，将一个直径为（有、三种）的硬钢球压入被测金属的表面，使表面形成压痕，压痕单位面积上承受的压力就是。优缺点：压痕大，误差小；与强度有较好的对应关系；不适用于成品检验(压痕太大)
8、，只能在试样上进行。2洛氏硬度洛氏硬度 (Rockwell test)方法：原理与布氏硬度相仿。标准压头为钢球或金刚石圆锥体。试验时，将初负荷P0=10kg加上后,再加主负荷P,保持规定时间后卸除,根据压痕的深度，来衡量硬度的大小。深度相差0.002mm，作为相差一个洛氏硬度单位。压陷坑越深，硬度越小。HR=（K-h）/0.002 当使用金刚石压头时：K0.2mm;当使用钢球压头时：K0.26mm;根据所用的压头及载荷大小不同分种：根据所用的压头及载荷大小不同分种：用于测量极用于测量极硬的材料（如渗碳层）；硬的材料（如渗碳层）；测量较软的材料（有色金；测量较软的材料（有色金属与退火钢）；属与退
9、火钢）；测量较硬的材料（淬火钢）。测量较硬的材料（淬火钢）。其中以应用最广。特点：操作简便、迅速（结果由表头直接给出），误差大（压痕小）。注意：不同级别的硬度无可比性，只能查表，换算成同一级别后，才能比较数值的大小。3.维氏硬度维氏硬度(Vickers test)方法：用（相邻平面）夹角为的金刚石四棱锥体（也称四方角锥体）做压头，载荷范围，（根据需要选择），保持一定时间，根据压痕投影的两对角线的平均长度，计算出压痕的面积，再求出压痕上的平均压力，以此作为硬度的大小，并称为维氏硬度。用表示。HVP/F=1.8544P/d ；d压痕的对角线长度。压痕压痕d压痕面积压痕面积平均压力平均压力HV。适用
10、范围：很薄的工件、经化学热处理后的工件（表面层：如渗层、镀层的测量）。特 点：适用范围广，比HB、HR测量精确，但操作麻烦，没有洛氏硬度效率高，一般用于科研。4.影响硬度因素影响硬度因素:取决于成份（特别是含C量）和热处理工艺。（五）冲击韧性（五）冲击韧性（impact toughness）定义:材料抵抗冲击截荷的能力材料抵抗冲击截荷的能力。一次冲断试样。试验方法：材料力学中的摆锤试验(Charpy impact test)。衡量指标(a）分析及应用：冲击韧性值：ak=Ak/F（J/cm2）；Ak冲击功 ak与下述因素有关：材料及其状态；试样的形状和尺寸；试样不同时，结果不可比；与温度有关；当
11、温度降到某一数值时，a急剧下降，这个温度称为脆性转变温度脆性转变温度（）（使冲击韧性急剧降低的温度）。Tk低，说明材料的低温冲击韧性好。v 以上：强度、硬度、塑性和冲击韧性称为传统以上：强度、硬度、塑性和冲击韧性称为传统的的“四大强度指标四大强度指标”。v（六）疲劳强度（六）疲劳强度（fatigue strength）v1疲劳现象疲劳现象：在交变载荷作用下，材料在所受的应力远远小于抗拉强度（甚至屈服强度）的情况下，出现的断裂现象称为“疲劳”。载荷的特点：应力b（甚至=107;有色金属：N=108v疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点:突然产生；断裂前无明显的塑性变形；很危险。v 疲劳断口的特征:分为三
12、个区：疲劳源(核心区)；扩展区；最后断裂区。两部分：磨光部分；（疲劳源和扩展区）粗糙晶粒或纤维状区。（最后断裂区）（粗大）疲劳源扩展区最后断裂区v2衡量指标:-1v3影响因素:抗拉强度;(大约等于断裂应力的一半）；工作条件(如工作温度、介质等)；零零件表面的质量件表面的质量:(粗糙度,表面性能等)。v4.提高疲劳强度的方法：表面强化处理（喷丸、表面热处理、表面合金化）；表面产生压应力。合理设计；形状要有利于减少应力集中；如采用圆角过渡。提高加工质量；如降低表面粗糙度等。二、高温下金属的机械性能二、高温下金属的机械性能v 问题的提出：很多零件在高温下长期工作，（如柴油机进（400500）、排气阀
13、（650800）温度对金属的机械性能有很大的影响；其次在高温下工作的时间也有很大的影响。v 蠕变现象蠕变现象:金属零件长期在高温和恒应力（即使应力小于）的作用下,缓慢地产生塑性变形,这种现象称为（reep）。v 蠕变的结果是导致断裂。所以对高温下机械性能指标要提出新的衡量标准。v 高温机械性能指标主要有：热强度；热硬性。1.热强度热强度 f（，）；（温度；时间）蠕变极限（Creep limit）：金属材料长期在高温和恒应力（即使应力小于）的作用下 抵抗塑性变形的能力，表示方法：/tT；持久强度（Creep rupture strength)：金属材料长期在高温和恒应力（即使应力小于）的作用下
14、抵抗断裂的能力，表示方法:tT。2热硬性：热硬性：材料在高温下具有较高硬度的性能,称为。强调在高温下保持高硬度的能力。3-2 金属的工艺性能金属的工艺性能v一、概述一、概述v 1定义定义:把金属材料在加工过程中表现出的特性称为工艺性能。v 2分类分类:铸造性(Castability)；锻造性(Forgeability)；焊接性(Weldability)；切削性(Cutability)；热处理性(Heat-treatable ability)；冷变形性(Cold-forming ability)等。v 3.工艺性能的重要性工艺性能的重要性：实例如：某厂用24SiMnWV作为20CrMnTi的代用
15、材料，性能好，但因正火后，硬度高，切削加工困难，不能满足大批量生产的要求而被否决。二、铸造性二、铸造性 1定义：金属材料通过铸造的方法获得完好铸件的能力,称为金属材料的。2衡量指标:1）流动性；2）收缩性；钢的收缩率比铸铁的大；3）偏析：化学成分不均匀性。性能不均匀。三、可锻性：三、可锻性：承受压力加工变形的能力,称为。取决于两方面：塑性；（开裂的倾向）变形抗力。含C量低,可锻性好。铸铁不可锻造。v四、可焊性：四、可焊性：定义：在一般焊接条件下，获得优质焊缝的能力。标准：焊缝产生裂纹的倾向、焊缝的可靠性。影响因素：化学成分,特别是C。五、可热处理性：五、可热处理性：用淬透性、淬硬性等衡量(后面
16、谈到）。六、可切削加工性：六、可切削加工性：反映切削加工的难易程度。HB160230时最易切削加工。七、冷变形工艺性：七、冷变形工艺性：变形部位不得产生裂纹和分层等。v2-3 金属材料的理化性能金属材料的理化性能v一、物理性能物理性能（Physical properties）v 比重（Density)、熔点（Melting point)、导电性（Electrical conductivity)、导热性(Thermal conductivity)、磁性(Magnetic Properties)等。应用实例：（1）柴油机的活塞：低速机用（钢头铁裙组合活塞或铸铁活塞）；高速机用铝合金。（why?)（
17、2）船用仪表指针：要求使用奥氏体不锈钢，不能用其它材料。（why?)v二、化学性能二、化学性能 如：耐腐蚀性(corrosion resistance，一般用每年的腐蚀深度来评定耐蚀等级)、抗氧化性(Oxidation resistance)等。应用实例：（1）排气阀、气缸套等的抗氧化和抗腐蚀；（2）船体的防腐；（3）管路的防腐。本章小结和思考题：本章小结和思考题：v1解释：刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度、蠕变、蠕变极限、持久强度、热硬性。v2材料的塑性是由哪两个性能指标表示的？在工程中塑性材料和脆性材料是按什么划分的？v3零件的刚度与哪些因素有关？如何提高刚度？v4在屈服强度、延伸率、HB和E中，哪些（或哪个）指标可通过改变成分、组织来显著提高？哪些不能？v5硬度指标中HB、HRC、HV有何不同？哪个应用最广？v6金属的高温性能指标和工艺性能指标有哪些？v7高速柴油机的活塞为何选用铝合金？而低速柴油机的活塞为何采用铸铁或铸铁与钢的组合活塞？
