1、工程材料与机械制造基础工程材料与机械制造基础第第5 5章章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能第1页，共75页。主主 要要 内内 容容金属材料的力学性能金属材料的力学性能 力学性能 服役条件对力学性能的影响 金属材料的加工工艺性能金属材料的加工工艺性能 焊接性能 铸造性能 压力加工性能 机加工性能 热处理性能 金属材料的物理性能与耐腐蚀性能金属材料的物理性能与耐腐蚀性能 物理性能 耐腐蚀性能第2页，共75页。材料的性能材料的性能 使用性能：使用性能：材料在正常使用条件下材料在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能。能保证安全可靠工作所必备的性能。包括包括力学性能、物理性能力学性能、物理
2、性能和和化学性化学性能能。工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表材料在加工过程中所表现的性能。现的性能。包括包括铸造、锻压、焊接、铸造、锻压、焊接、热处理热处理和和切削性能切削性能等等。神舟一号飞船第3页，共75页。金属材料的力学性能金属材料的力学性能力学性能：力学性能：指材料在指材料在力或能量力或能量的作用下所表现出的的作用下所表现出的行为行为。影响材料力学性能的因素：影响材料力学性能的因素：作用力特点作用力特点：如力的种类（静态力、动态力、磨蚀力等）；：如力的种类（静态力、动态力、磨蚀力等）；施力方式施力方式：速度、方向及大小的变化，局部或全面施力等；：速度、方向及大小的变化，局部或全面
3、施力等；应力状态应力状态：简单应力：简单应力拉、压、剪、扭、弯，复杂应力拉、压、剪、扭、弯，复杂应力两种以上简单应力的复合；两种以上简单应力的复合；受力状态下所处的环境受力状态下所处的环境：温度、压力、介质、特殊空间等。：温度、压力、介质、特殊空间等。第4页，共75页。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第5页，共75页。力学试验的力学试验的对象对象，可以是，可以是构件、零部件或材料。构件、零部件或材料。构件或零部件构件或零部件的试验，主要是考验它在的试验，主要是考验它在类似服役条件下类似服役条件下的的行为，试验时的行为，试验时的外载分布、温度变化、介质条件外载分布、温度变化、介质条件等都尽可
4、能等都尽可能复现其实际使用的状态，以考核其复现其实际使用的状态，以考核其结构强度、使用寿命、结构强度、使用寿命、失效形式失效形式。一些一些大型构件大型构件不便于用实物直接试验时，也可以采用不便于用实物直接试验时，也可以采用模模型或模拟型或模拟的试验方法。这些试验多半是在复杂的加载条件下的试验方法。这些试验多半是在复杂的加载条件下进行的，进行的，不能以材料的基本力学性质试验来代替，甚至零部不能以材料的基本力学性质试验来代替，甚至零部件的试验也不能代替整机的试验件的试验也不能代替整机的试验。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第6页，共75页。材料材料的力学试验的力学试验则是在从金属材料中加工出的
5、试样上进行的，则是在从金属材料中加工出的试样上进行的，是力学试验的基础工作。是力学试验的基础工作。力学试验的目的力学试验的目的：确定材料在确定材料在各种受载条件下的行为各种受载条件下的行为，为工程设计，为工程设计提供依据提供依据。材质的比较性检验材质的比较性检验。如具有持定用途的。如具有持定用途的材料的筛选材料的筛选，企业中原材料、半成品或产品的企业中原材料、半成品或产品的质量控制质量控制等。等。通过力学行为与金属内部状态研究的配合，通过力学行为与金属内部状态研究的配合，掌握力学性质掌握力学性质变化的变化的基本原理基本原理，各种因素影响各种因素影响的的本质本质，为，为高性能材料的研高性能材料的
6、研制制提供指导提供指导。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第7页，共75页。力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条件而变化。外界因素可以直接影响材料的性质，也可能通件而变化。外界因素可以直接影响材料的性质，也可能通过改变其内部组织而影响它的力学行为。过改变其内部组织而影响它的力学行为。在力学件质的研究中，仅依靠力学试验的结果是不够的。在力学件质的研究中，仅依靠力学试验的结果是不够的。为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、点为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、点 阵阵类型、缺陷分布等关系发掘出来，就必须配合进行各种类型、缺
7、陷分布等关系发掘出来，就必须配合进行各种组织检验、结构分析、断口研究、应力分析、物理性质组织检验、结构分析、断口研究、应力分析、物理性质测试等多种试验工作，这些试验与力学试验相配合，可测试等多种试验工作，这些试验与力学试验相配合，可以有效地揭示材料行为的内在本质。以有效地揭示材料行为的内在本质。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第8页，共75页。（一）拉伸试验与拉伸曲线（一）拉伸试验与拉伸曲线（二）应力（二）应力-应变曲线和强度、塑性指标应变曲线和强度、塑性指标强度和塑性强度和塑性金属材料的力学性能金属材料的力学性能第9页，共75页。强度的测定强度的测定-拉伸实验拉伸实验拉伸试样（拉伸试样（
8、GB6397-86）长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0第10页，共75页。强度的测定强度的测定-拉伸实验拉伸实验力力伸长曲线伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段 拉伸试验机拉伸试验机低碳钢拉伸力与伸长量的关系曲线。低碳钢拉伸力与伸长量的关系曲线。第11页，共75页。强度的测定强度的测定-拉伸实验拉伸实验力力伸长曲线伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段 外力不超过外力不超过Fe，材料只产生可恢复的弹性变，材料只产生可恢复的弹性变形。形。弹性弹性 金属
9、材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。原来形状的性能。弹性变形弹性变形 随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其大小与随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其大小与外力成正比。外力成正比。塑性变形阶段塑性变形阶段 外力超过外力超过Fe后，试样开始产生永久变形（在后，试样开始产生永久变形（在外力去除后保留下来的不能恢复的变形），即塑性变形。外力去除后保留下来的不能恢复的变形），即塑性变形。第12页，共75页。强度的测定强度的测定-拉伸实验拉伸实验L LF F0 0脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（
10、与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。第13页，共75页。低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 =F/A0应变应变 =(l-l0)/l0 强度的测定强度的测定-拉伸实验拉伸实验第14页，共75页。弹性和刚度弹性和刚度 弹性弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。刚度刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。）（MPatgE e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随
11、温度升高而弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。或改变截面形状来提高零件的刚度。第15页，共75页。强度与塑性强度与塑性 材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。应用应用 强度是机械零件（或强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指使用过程中的主要性能指标，
12、特别是选材和设计的标，特别是选材和设计的主要依据。主要依据。强度的概念强度的概念第16页，共75页。强度指标强度指标 屈服强度屈服强度 s：是金属材料是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，发生屈服现象时的屈服极限，即材料发生微量塑性变形时即材料发生微量塑性变形时的应力值。的应力值。屈服点屈服点 在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。长时的应力。FsA0s=计算公式计算公式第17页，共75页。强度指标强度指标 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应时的应力值。力值。脆性材料的屈服点：脆性材料的屈服点：试
13、样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的距长度的0.2%0.2%时的应力。时的应力。LF0F0.20.2%L0应用应用：s和和0.2常作为零件选常作为零件选材和设计的依据。材和设计的依据。F0.2A00.2=计算公式计算公式第18页，共75页。强度指标强度指标 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。b=FbA0 应用：脆性材料制作机应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材械零件和工程构件时的选材和设计的依据。和设计的依据。计算公式计算公式第19页，共75页。塑性塑性衡量指标衡量指标金属
14、材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率断面收缩率：伸长率伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。量与原始横截面积的百分比。塑性：塑性：第20页，共75页。塑性指标塑性指标 伸长率：伸长率：%100001lll%100010SSS断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象第21页，共75页。塑性指标塑性指标 说明：说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实
15、变形。形。直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常数为常数时，塑性值才有可比性。时，塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征第22页，共75页。塑性指标塑性指标 屈强比屈强比 用用s/b表示，可反映材料屈服后强化能力的高低，其值表示，可反映材料屈服后强化能力的高低，其值一般在一般在0.650.75之间。之间。屈强比越小，表示材料屈服极限与强度极
16、限的差距越大，塑性屈强比越小，表示材料屈服极限与强度极限的差距越大，塑性越好，发生脆性破坏的可能性越小，工程构件的可靠性越高，越好，发生脆性破坏的可能性越小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂。但屈强比太小，也使材料在弹性变万一超载也不会马上断裂。但屈强比太小，也使材料在弹性变形范围内承受载荷小，强度水平就不能充分发挥。形范围内承受载荷小，强度水平就不能充分发挥。屈强比越大，屈服极限接近强度极限，承载能力越强，材料在屈强比越大，屈服极限接近强度极限，承载能力越强，材料在断裂前塑性断裂前塑性“储备储备”太少，对应力集中敏感，耐疲劳抗力下降，太少，对应力集中敏感，耐疲劳抗力下降，并容易发
17、生脆性破坏。并容易发生脆性破坏。第23页，共75页。金属材料的力学性能金属材料的力学性能 硬度硬度 是衡量材料是衡量材料软硬程度软硬程度的一种性能指标，反映材料的一种性能指标，反映材料抵抗硬物压抵抗硬物压入表面入表面的能力，也可看作是材料表面抵抗外物压入时所引起的能力，也可看作是材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形局部塑性变形的能力。的能力。测量硬度的试验方法很多，主要有测量硬度的试验方法很多，主要有压入法压入法、回跳法回跳法和和刻画刻画法法三大类。三大类。生产中应用最多的是生产中应用最多的是压入法压入法测得的硬度，主要有测得的硬度，主要有布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度和和维氏硬度维氏
18、硬度等几种不同的测定方法。等几种不同的测定方法。第24页，共75页。硬度硬度第25页，共75页。布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度布氏硬度HB:HB:采用一定直径的钢球或硬质合金压头，以相应采用一定直径的钢球或硬质合金压头，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，得到一直的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，得到一直径的压痕，载荷除以压痕表面积的值。径的压痕，载荷除以压痕表面积的值。)(2102.022dDDDPHB 硬度硬度第26页，共75页。压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏表示，适用于布氏硬度值在硬度值在450以下以下的材料。的材料
19、。压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度在度在650以下以下的材料。的材料。符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬之前的数字表示硬度值度值,符号后面的数字符号后面的数字按顺序分别表按顺序分别表示示球体直径球体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球的钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷作用载荷作用下下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕布氏硬度布氏硬度第27页，共75页。布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：
20、测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。材料。适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度铸铁及有色金属的硬度。材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁布氏硬度布氏硬度第28页，共75页。布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范金属类型金属类型布氏硬
21、度值布氏硬度值/HBS或或HBW试样厚度试样厚度/mm试验力与压头试验力与压头直径的关系直径的关系0.102F/D2压头直径压头直径D/mm试验力试验力F/N持续时间持续时间t/s黑色金属黑色金属14063422301052.529.421037.3551031.83910310151406633101052.59.8071032.452103612.41015有色金属有色金属13063422301052.529.421037.3551031.839103302351309363310（5或或15）1052.59.8071032.452103612.43023566335（2.5或或1.5）1
22、052.52.452103612.4153.2602第29页，共75页。硬度硬度 洛氏硬度洛氏硬度 把具有标准形状和尺寸的压头（金刚石圆锥把具有标准形状和尺寸的压头（金刚石圆锥或大钢球），先用一初载荷或大钢球），先用一初载荷F0压入材料，压到位置压入材料，压到位置1-1，压入深度为压入深度为h1。再加一主载荷，压到位置。再加一主载荷，压到位置2-2。最后撤去。最后撤去主载荷（初载荷不撤掉），压痕弹回至位置主载荷（初载荷不撤掉），压痕弹回至位置3-3，其深度为，其深度为h3。用两次载荷作用后的深度差用两次载荷作用后的深度差h=h3-h1表示洛氏硬度。表示洛氏硬度。洛氏硬度洛氏硬度用符号用符号HR
23、表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据根据压头类型压头类型和和主载荷主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺不同，分为九个标尺，常用的标尺为为A、B、C。第30页，共75页。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度洛氏硬度第31页，共75页。符号符号HR前面的数字为硬度值，后前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有如有色金属和退火色金属和退火、正火钢等。正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，
24、用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕洛氏硬度洛氏硬度第32页，共75页。洛氏硬度试验适用范围洛氏硬度试验适用范围硬度符号硬度符号压头类型压头类型初始试验力初始试验力F0/N主试验力主试验力F1/N硬度范围硬度范围HRA120金刚石圆锥金刚石圆锥98.07490.32088HRAHRB直径直径1.588mm钢钢球球98.07882.620100HRBHRC120金刚石圆
25、锥金刚石圆锥98.071373.02070HRC第33页，共75页。硬度硬度 维氏硬度维氏硬度 原理基本上和布氏硬度相同，压头是原理基本上和布氏硬度相同，压头是金刚石金刚石的正四棱锥体的正四棱锥体。在试验力。在试验力F的作用下，试样表面上压出一的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度压痕对角线长度d，计算压痕的表，计算压痕的表面积面积A，以压痕，以压痕单位面积上的力单位面积上的力表示试样的硬度值，用符号表示试样的硬度值，用符号HV表示。表示。金刚石压头上两相对面间夹角为金刚石压头上两相对面间夹角为136，这是为了在较低，这是为了在较低硬度时，其硬度值
26、与布氏硬度值相等或接近。硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或接近。第34页，共75页。维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度第35页，共75页。维氏硬度符号维氏硬度符号HV，符号前的数字为，符号前的数字为硬度值硬度值，后面的数字，后面的数字按顺序分别表示按顺序分别表示载荷值载荷值及及载荷保持时间载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度维氏硬度试验试验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛
27、氏硬度的优点。小负荷维氏硬度小负荷维氏硬度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计硬度硬度第36页，共75页。维氏硬度试验适用范围维氏硬度试验适用范围试验标准试验标准硬度符号硬度符号试验力试验力F/N试样或试验层厚度试样或试验层厚度试样要求试样要求GB/T 4340-84金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验方法方法HV5HV10049.03980.7至少为压痕对角线平至少为压痕对角线平均长度的均长度的1.5倍，即倍，即1.5d试验面为平面，表面粗糙试验面为平面，表面粗糙度度Ra=0.2；从曲面上测得；从曲面上测得硬度值按标准附录修正硬度值按标准附录修正GB/T 5030-85金属小负荷维氏硬金属小负荷维氏
28、硬度试验方法度试验方法HV0.2HV31.96149.031.5d试验面为平面，表面粗糙试验面为平面，表面粗糙度度Ra=0.1；从曲面上测得；从曲面上测得硬度值按标准附录修正硬度值按标准附录修正GB/T 4342-91金属显微维氏硬度金属显微维氏硬度试验方法试验方法HV0.01HV0.198.0710-31.9611.5d试验后支撑背面不应试验后支撑背面不应出现变形痕迹出现变形痕迹试验面为光滑平面，表面试验面为光滑平面，表面粗糙度粗糙度Ra不大于不大于0.1m各种硬度各种硬度大致的换算关系如下：大致的换算关系如下：1HBS10HRC；1HBS1Hv。第37页，共75页。金属材料的力学性能金属材
29、料的力学性能 韧性韧性 是材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧性通是材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧性通常随常随加载速度的提高加载速度的提高、温度的降低温度的降低、应力集中的加剧应力集中的加剧而而减少减少。韧性高的材料韧性高的材料在断裂前要发生明显的塑性变形，能引起注意，在断裂前要发生明显的塑性变形，能引起注意，一般不会造成严重事故；一般不会造成严重事故；韧性低的材料，韧性低的材料，断裂前没有明显的征兆，危险性大。断裂前没有明显的征兆，危险性大。韧度韧度 是度量材料韧性的力学性能指标，又分是度量材料韧性的力学性能指标，又分静力韧度静力韧度、冲击韧度冲击韧度和和断裂韧度断裂韧度。静力
30、韧度静力韧度 是金属材料在静拉伸时是金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收单位体积材料断裂前所吸收的功的功，它是强度和塑性的综合指标，用，它是强度和塑性的综合指标，用真实应力真实应力-应变曲线应变曲线所所包围的面积表征。包围的面积表征。第38页，共75页。韧性韧性 冲击韧性冲击韧性 是材料在冲击载荷作用下吸收是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功塑性变形功和和断裂断裂功的能力功的能力，常用标准试样的，常用标准试样的冲击吸收功冲击吸收功AK表示。表示。冲击吸收功冲击吸收功 由冲击试验测得，它是将规定形状和尺寸由冲击试验测得，它是将规定形状和尺寸的试样放在冲击试验机上。用摆锤冲击试样，试样在的试
31、样放在冲击试验机上。用摆锤冲击试样，试样在冲冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功击试验力一次作用下折断时所吸收的功即为冲击吸收功，单即为冲击吸收功，单位为位为J。冲击韧度冲击韧度 冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。第39页，共75页。冲击韧性冲击韧性第40页，共75页。韧脆转变温度韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下降。在某一温度在某一温度范围内冲击韧性值急剧范围内冲击韧性值急剧下降的现象称下降的现象称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变的温度范发生韧脆转变的温度范围称围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材。材料的
32、使用温度应高于韧料的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。冲击韧性冲击韧性第41页，共75页。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关冲击韧性冲击韧性第42页，共75页。Titanic 号钢板号钢板（左图）和（左图）和近代船用钢板近代船用钢板（右图）的冲（右图）的冲击试验结果击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板冲击韧性冲击韧性第43页，共75页。油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发
33、动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断油轮发生断裂裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式断裂韧性断裂韧性第44页，共75页。l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 CCICaYK23/mMN断裂韧性断裂韧性第45页，共75页。疲劳疲劳 材料在材料在低于低于 s的的重复交变应力重复交变应
34、力作用下发生断裂的现象。作用下发生断裂的现象。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第46页，共75页。疲劳断口疲劳断口通过改善材料的通过改善材料的形状结构形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁提高表面光洁度度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳疲劳第47页，共75页。疲劳强度疲劳强度 材料在材料在规定次数应力循环规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限。用。用-1表示。表示。金属材料的力学性能金属
35、材料的力学性能 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为有色金属合金为108。第48页，共75页。温度对金属力学性能的影响温度对金属力学性能的影响 温度对力学性能的影响是最大的。一般认为温度对力学性能的影响是最大的。一般认为t200为常为常温考虑，温考虑，200t400为中温考虑，为中温考虑，温度再高温度再高为高温。为高温。低于低于0则为低温则为低温。以钢材为例，在以钢材为例，在常、中温条件下常、中温条件下，抗拉强度在，抗拉强度在250300前前随温度增加而逐渐升高，以后逐渐下降；屈服点随温度升随温度增加而逐渐升高，以后逐渐下降；屈服点随温度升高而下降；延伸率和断面收缩率在高
36、而下降；延伸率和断面收缩率在300前略有下降，随前略有下降，随后很快提高。后很快提高。钢材随温度升高力学性能变化的总趋势是：钢材随温度升高力学性能变化的总趋势是：强度下降强度下降、塑塑性提高性提高、韧性变化不大韧性变化不大。金属材料的力学性能金属材料的力学性能第49页，共75页。蠕变蠕变 进入高温工作状态，材料的力学性能不仅与温度有关系，进入高温工作状态，材料的力学性能不仅与温度有关系，与负载持续时间也密切相关。与负载持续时间也密切相关。金属材料的力学性能金属材料的力学性能 蠕变蠕变 是指金属材料在是指金属材料在高高温长时间应力温长时间应力作用下，即使作用下，即使所加所加应力小于该温度下的屈应
37、力小于该温度下的屈服强度服强度，也会，也会逐渐产生明逐渐产生明显的塑性变形显的塑性变形，直至断裂。，直至断裂。第50页，共75页。工艺性能工艺性能 材料的加工工艺性能是指保证加工质量的前提下，加工过材料的加工工艺性能是指保证加工质量的前提下，加工过程的难易程度。程的难易程度。金属材料的加工分为冷加工和热加工。金属材料的加工分为冷加工和热加工。冷加工包括冷冷加工包括冷冲压、冷锻、冷挤压、冷轧与机械加工冲压、冷锻、冷挤压、冷轧与机械加工；而热而热加工包括加工包括铸造、热锻、热压、焊接与热处理铸造、热锻、热压、焊接与热处理。以以压力容器压力容器为例，其加工工艺包括为例，其加工工艺包括轧制钢板弯圆或滚
38、圆轧制钢板弯圆或滚圆、压制封头压制封头、锻制法兰锻制法兰及及连接件的压力加工连接件的压力加工，支座的铸造支座的铸造，配合零件的机加工配合零件的机加工，筒体、封头及接管的焊接及热处理筒体、封头及接管的焊接及热处理等等。金属材料的加工工艺性能金属材料的加工工艺性能第51页，共75页。焊接性能焊接性能 焊接焊接 也称作也称作熔接、镕接熔接、镕接，是一种以，是一种以加热、高温加热、高温或者或者高压高压的方式接合金属或其他热塑性材料（如塑料）的制造工艺的方式接合金属或其他热塑性材料（如塑料）的制造工艺及技术。及技术。焊接性焊接性 是指金属材料在采用一定的焊接工艺包括焊接方法、是指金属材料在采用一定的焊接
39、工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。接头的难易程度。一种金属，如果能用较多普通又简便的焊接工艺获得优质接一种金属，如果能用较多普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的焊接性能。头，则认为这种金属具有良好的焊接性能。工艺性能工艺性能第52页，共75页。焊接性能包括两方面的内容：焊接性能包括两方面的内容：接合性能：接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺焊接缺陷的敏感性陷的敏感性。决定接合性能的因素有：。决定接合性能的因素有：工件材
40、料的物理性能工件材料的物理性能，如熔点、导热率和膨胀率，如熔点、导热率和膨胀率，工件和焊接材料工件和焊接材料在焊接时的化在焊接时的化学性能和冶金作用等。学性能和冶金作用等。使用性能：使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对对使用要求的适应性使用要求的适应性，也就是，也就是焊接接头承受载荷的能力焊接接头承受载荷的能力，如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。焊接性能焊接性能第53页，共75页。手
41、工电弧焊手工电弧焊的原理手工电弧焊的原理1焊件；2焊缝；3熔池；4电弧；5焊条；6焊钳；7焊机；8渣壳；9熔渣；10气体；11熔滴焊接性能焊接性能第54页，共75页。常见的焊接缺陷常见的焊接缺陷（一）裂纹（一）裂纹焊接性能焊接性能第55页，共75页。第56页，共75页。（二）气孔（二）气孔 （三）夹渣（三）夹渣 （四）未熔合（四）未熔合 未焊透未焊透常见的焊接缺陷常见的焊接缺陷第57页，共75页。（五）形状缺陷（五）形状缺陷 咬边咬边 焊瘤焊瘤 烧穿和下塌烧穿和下塌 常见的焊接缺陷常见的焊接缺陷第58页，共75页。错边和角变形错边和角变形 焊缝尺寸不合要求焊缝尺寸不合要求 （六）其它缺陷（六）
42、其它缺陷 电弧擦伤、严重飞溅、母材表面撕裂、磨凿痕、打磨过量等。电弧擦伤、严重飞溅、母材表面撕裂、磨凿痕、打磨过量等。常见的焊接缺陷常见的焊接缺陷第59页，共75页。钢材焊接性能 主要取决于它的化学组成。而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。钢中含碳量增加，淬硬倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。所以含碳量越高，可焊性越差。所以，常把钢中含碳量的多少作为判别钢材焊接性的主要标志。含碳量小于0.25
43、%的低碳钢和低合金钢，塑性和冲击韧性优良，焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好。焊接时不需要预热和焊后热处理，焊接过程普通简便，因此具有良好的焊接性。随着含碳量增加，大大增加焊接的裂纹倾向，所以，含碳量大于0.25%的钢材不应用于制造锅炉、压力容器的承压元件。焊接性能焊接性能第60页，共75页。由于碳的影响最为明显，其他元素的影响可折合成碳的影由于碳的影响最为明显，其他元素的影响可折合成碳的影响。响。碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式：w=w(C)+1/6w(Mn)+1/5w(Cr)+w(Mo)+w(V)w=w(C)+1/6w(Mn)+1/5w(Cr)+w(M
44、o)+w(V)+1/15w(Ni)+w(Cu)+1/15w(Ni)+w(Cu)根据经验：根据经验：当当w0.4%0.6%w0.4%0.6%w0.4%0.6%时，焊接性很不好，必须预热到较高温时，焊接性很不好，必须预热到较高温度。度。焊接性能焊接性能第61页，共75页。冷裂纹敏感指数：冷裂纹敏感指数：PcmPcm Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B B 使用化学成分范围（质量分数）：使用化学成分范围（质量分数）：C=0.07-0.22%,Si=0-C=0
45、.07-0.22%,Si=0-0.6%,Mn=0.4-1.4%,Cu=0-0.5%,Ni=0-1.2%,Cr=0-1.2%,Mo=0-0.6%,Mn=0.4-1.4%,Cu=0-0.5%,Ni=0-1.2%,Cr=0-1.2%,Mo=0-0.7%,V=0-0.12%,Nb=0-0.04%,Ti=0-0.05%,B=0-0.005%.0.7%,V=0-0.12%,Nb=0-0.04%,Ti=0-0.05%,B=0-0.005%.焊接性能焊接性能第62页，共75页。冷裂纹敏感性冷裂纹敏感性PwPw Pw=Pcm+H/60+h/600Pw=Pcm+H/60+h/600或或Pw=Pcm+H/60+R/
46、40000 Pw=Pcm+H/60+R/40000 H:H:熔敷金属中扩散氢含量（熔敷金属中扩散氢含量（ml/100gml/100g）R:R:焊缝拉伸拘束度焊缝拉伸拘束度 h:h:板厚（板厚（mmmm）当当Pw0Pw0时，即有产生裂纹的可能性。时，即有产生裂纹的可能性。适用条件：扩散氢含量适用条件：扩散氢含量H=(1-5)ml/100gH=(1-5)ml/100g，h=19-50mmh=19-50mm，线能量为，线能量为17-30kJ/cm.17-30kJ/cm.常见的焊接缺陷常见的焊接缺陷第63页，共75页。铸造性能铸造性能 是指金属材料是否适于铸造及所铸构件质量的好坏。是指金属材料是否适于
47、铸造及所铸构件质量的好坏。金属材料的铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等方面。金属材料的铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等方面。流动性流动性 是指液态金属充满铸模的能力，流动性愈好，愈易是指液态金属充满铸模的能力，流动性愈好，愈易铸造细薄精致的铸件；铸造细薄精致的铸件；收缩性收缩性 是指铸件凝固时体积收缩的程度，收缩愈小，铸件是指铸件凝固时体积收缩的程度，收缩愈小，铸件凝固时变形愈小；凝固时变形愈小；偏析偏析 是指化学成分不均匀，偏析愈严重，铸件各部位的性能是指化学成分不均匀，偏析愈严重，铸件各部位的性能愈不均匀，铸件可靠性愈小。愈不均匀，铸件可靠性愈小。工艺性能工艺性能第64页，共75页。压力
48、加工性能压力加工性能 在冷或热状态的压力作用下，材料产生塑性变形的能力。在冷或热状态的压力作用下，材料产生塑性变形的能力。压力加工是使材料产生塑性变形的加工方法。变形量小可压力加工是使材料产生塑性变形的加工方法。变形量小可用冷加工，变形量大要用热加工。用冷加工，变形量大要用热加工。既要有足够的塑性变形能力，又不能产生不允许的塑性既要有足够的塑性变形能力，又不能产生不允许的塑性裂纹。裂纹。压力加工性能要包括有必需的固态活动性，较低的对模具壁的压力加工性能要包括有必需的固态活动性，较低的对模具壁的摩擦阻力，强的抵抗氧化氧化起皮及热裂能力，低的冷作硬化摩擦阻力，强的抵抗氧化氧化起皮及热裂能力，低的冷
49、作硬化及皱折、开裂倾向等。及皱折、开裂倾向等。压力加工性能，常用塑性和变形抗力来综合衡量。压力加工性能，常用塑性和变形抗力来综合衡量。工艺性能工艺性能第65页，共75页。切削加工性能切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度。一般由工件切削后的表面粗糙切削加工金属材料的难易程度。一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素影响切削加工性能的因素 主要有工件的化学成分、金相主要有工件的化学成分、金相组织、物理性能、力学性能等。组织、物理性能、力学性能等。通常用以下通常用以下四个指标四个指标来综合评定：切削时的切削抗力、来综合评定：切削时的切削
50、抗力、刀具的使用寿命、切削后的表面粗糙度及断屑情况。刀具的使用寿命、切削后的表面粗糙度及断屑情况。硬度在硬度在170230HBW，并有，并有足够脆性的金属材料足够脆性的金属材料，其切，其切削加工性良好；削加工性良好；硬度和韧性过低或过高硬度和韧性过低或过高，切削加工性均，切削加工性均不理想。不理想。工艺性能工艺性能第66页，共75页。物理性能物理性能 金属材料的物理性能主要有金属材料的物理性能主要有密度密度、熔点熔点、热膨胀性热膨胀性、导热性导热性、导电性导电性和和磁性磁性等。等。机器零件的机器零件的用途不同用途不同，对材料，对材料物理性能的要求物理性能的要求也不同。也不同。金属材料的物理性能
