工程材料与成形工艺基础课件第一章金属材料的主要性能[1].ppt

1、 本章内容本章内容 1.1 1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.2 1.2 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 重点掌握重点掌握 各种力学性能指标（强度；塑性；冲击韧性；硬度各种力学性能指标（强度；塑性；冲击韧性；硬度HBHB，HRCHRC，HVHV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。义和单位。第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能一、强度一、强度金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同称为强度。按外力作用的性质不同,主要有屈服强度、主要有屈服强度、抗拉

2、强度、抗压强度、抗弯强度等抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等 （一）静载时的强度（一）静载时的强度1 1、拉伸时材料的机械性能、拉伸时材料的机械性能（1 1）拉伸试样）拉伸试样：长试样：长试样：L L0 0=1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0=5 5d d0 0 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线（2 2）拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：）拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：转换：纵坐标为应力转换：纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mm2)MPa(MN/mm2)，横坐标为应变横坐标为应变其中：其中：=F/S=F/S0 0 表示材料抵抗变形和断裂的能力表示材料抵抗变形和断裂的

3、能力（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 0=L/LL/L0 0低碳钢拉伸时的应力低碳钢拉伸时的应力-应变图应变图（3 3）曲线分为四阶段：）曲线分为四阶段：1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 p:Fpp:Fp ，e:Fe e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）（不产生永久变形的最大抗力）opop段：段：L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段：极微量塑性变形（段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)0.001-0.005%)2 2）阶段）阶段IIII（essess）段）段屈服变形屈服变形 S:S:屈服点屈服点 FsFs 3 3）阶段）阶段IIIIII（

4、s sb b）段）段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 b:b:Fb Fb 材料所能承受的最大载荷材料所能承受的最大载荷 4 4）阶段）阶段IV(bK)IV(bK)段段局部集中塑性变形颈缩局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段（4 4）拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义）拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 1）刚度和弹性）刚度和弹性 刚度刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。E=/E=/杨氏弹性模量杨氏弹性模量 GPa,MPaGPa,MPa本质是：反映了材料内部原子结构应力的

5、大小，组织不本质是：反映了材料内部原子结构应力的大小，组织不敏感的力系指标。敏感的力系指标。比例极限比例极限：p p=Fp/So=Fp/So 应力应力应变保持线性关系应变保持线性关系的极限应力值的极限应力值 弹性弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。最大应力。弹性极限：弹性极限：e=Fe/So e=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。不产永久变形的最大抗力。2 2）屈服强度）屈服强度 s s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的

6、应力。试样仍能继续伸长时的应力。s s=Fs/SoFs/So条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：高碳钢等无屈服点，高碳钢等无屈服点，国家标准规定以国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服强度，以应力值作为它的条件屈服强度，以 0.2来表示。来表示。3)3)抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的最大：材料断裂前所承受的最大应力值。应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。限应力值）。b b=Fb/So s0.2（5 5）灰铸铁拉伸时的力学性能）灰铸铁拉伸时的力学性能灰口铸铁是典型的脆性材料灰口铸铁是典型的脆性

7、材料,其其-曲线是一段微弯曲曲线是一段微弯曲线线,如图如图a)a)所示所示,没有明显的直线部分没有明显的直线部分,没有屈服和颈没有屈服和颈缩现象缩现象,拉断前的应变很小拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限延伸率也很小。强度极限b b是其唯一的强度指标。是其唯一的强度指标。铸铁等脆性材料的抗拉强度铸铁等脆性材料的抗拉强度很低很低,所以不宜作为受拉零所以不宜作为受拉零件的材料。件的材料。灰口铸铁拉伸强度示意图灰口铸铁拉伸强度示意图2.2.材料在压缩时的力学性能材料在压缩时的力学性能（1 1）低碳钢压缩）低碳钢压缩低碳钢压缩时的低碳钢压缩时的-曲线如图所示。曲线如图所示。试验表明：试验表明：低碳

8、钢压缩时的弹性模量低碳钢压缩时的弹性模量E E和屈服极限和屈服极限s,s,都与拉伸时大致相同。都与拉伸时大致相同。应力超过屈服阶段以后应力超过屈服阶段以后,试件试件越压越扁越压越扁,呈鼓形呈鼓形,横截面面横截面面积不断增大积不断增大,试件抗压能力也试件抗压能力也继续增高。因而得不到压缩继续增高。因而得不到压缩时的强度极限。时的强度极限。因此，低碳钢的力学性能一因此，低碳钢的力学性能一般由拉伸试验确定般由拉伸试验确定,通常不通常不必进行压缩试验。必进行压缩试验。低碳钢压缩时的低碳钢压缩时的-曲线曲线（2 2）铸铁压缩）铸铁压缩图图b b）表示铸铁压缩时的）表示铸铁压缩时的-曲线。曲线。试件仍然在

9、较小的变形下突然破坏试件仍然在较小的变形下突然破坏,破坏断面的法线与轴破坏断面的法线与轴线大致成线大致成45455555的倾角。铸铁的抗压强度极限比它的抗的倾角。铸铁的抗压强度极限比它的抗拉强度极限高拉强度极限高4 45 5倍。倍。因此因此,铸铁广泛用于机床床身铸铁广泛用于机床床身,机座机座等受压零部件。等受压零部件。灰铸铁等脆性材料拉伸时几乎灰铸铁等脆性材料拉伸时几乎不发生塑性变形而发生突然断不发生塑性变形而发生突然断裂裂,其最大外力就是断裂外力。其最大外力就是断裂外力。所以所以,灰铸铁在常用的工程材灰铸铁在常用的工程材料手册中没有屈服强度指标料手册中没有屈服强度指标,仅有抗拉强度指标。仅有

10、抗拉强度指标。灰口铸铁压缩强度示意图灰口铸铁压缩强度示意图（二）交变载荷时的强度（二）交变载荷时的强度最常用的交变载荷强度是最常用的交变载荷强度是疲劳强度疲劳强度,它是指金属材料抵抗它是指金属材料抵抗无数次重复交变外力作用而不破坏的能力无数次重复交变外力作用而不破坏的能力。机械产品中。机械产品中许多诸如曲轴、连杆、齿轮、弹簧等零件在工作过程中许多诸如曲轴、连杆、齿轮、弹簧等零件在工作过程中受到重复交变应力的长期作用受到重复交变应力的长期作用,会在远小于抗拉强度会在远小于抗拉强度b b、甚至远小于屈服强度甚至远小于屈服强度s s的应力作用下断裂的应力作用下断裂,这种断裂称这种断裂称为疲劳断裂。为

11、疲劳断裂。无论是塑性材料还是脆性材料无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的断裂时都不产生明显的塑性变形塑性变形,而是突然发生而是突然发生,具有很大的危险性具有很大的危险性,有相当多有相当多零件的破坏属于疲劳破坏零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。对此必须引起足够的重视。疲劳强度疲劳强度-1-1 ：材料经无数次应力循环而不发生疲材料经无数次应力循环而不发生疲 劳断裂的最高应力值。劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限条件疲劳极限：经受经受10107 7应力循环而不致断裂的最大应力值应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度陶瓷、高分子材料的疲

12、劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。杂物、表面状态、残余应力等。1.1.延伸率延伸率 延伸率与试样尺寸有关：延伸率与试样尺寸有关：5 5、1010(L(L0 0=5d,10d)=5d,10d)2.2.断面收缩率断面收缩率 =S/So=(So-Sk)/So x 100%S/So=(So-Sk)/So x 100%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。

13、时，有颈缩，为塑性材料表征。三、三、硬度及其测定硬度及其测定抵抗外物压入的能力，称为抵抗外物压入的能力，称为硬度硬度综合性能指标。综合性能指标。测定硬度的方法常用压入法。即用一定的静载荷（压测定硬度的方法常用压入法。即用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上力）把压头压在金属表面上,然后通过测定压痕的面积然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。测定金属材料表面硬度最常用或深度来确定其硬度。测定金属材料表面硬度最常用的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。1布氏硬度布氏硬度压头为钢球压头为钢球时，布氏硬度用符号时，布氏硬度用符号HBSHBS表表示，

14、适用于布氏硬度值在示，适用于布氏硬度值在450450以下的材以下的材料。料。压头为硬质合金压头为硬质合金时，用符号时，用符号HBWHBW表示，表示，适用于布氏硬度在适用于布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：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、成品件压痕大，不能用于太薄件、成品件 及比压头还硬的材料。及比压头还硬的材料。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 b与与HBHB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 b(M

15、Pa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b b(MPa)MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b b(MPa)(MPa)0.98HB0.98HB2 2洛氏硬度洛氏硬度定义定义：HR=HR=k k-(-(h h1 1-h h0 0)/0.002 )/0.002 常用标尺有：常用标尺有：B B、C C、A A三种三种 HRAHRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。HRBHRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。HRCHRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、

16、淬火钢等。较硬，淬硬钢制品；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，压痕小，适用范围广。：操作简便，压痕小，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。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维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点优点：既可测量由极软到极硬的材料的：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。组

17、织中不同相的硬度。四、四、是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值指标为冲击韧性值ak k。a ak k=A=Ak k/S(J/cm )/S(J/cm )其中：其中：A Ak k 冲击破坏所消耗的功冲击破坏所消耗的功 S S标准试样断口截面积标准试样断口截面积a ak k值低的材料叫做值低的材料叫做脆性材料脆性材料，断裂时无明显变形，金属，断裂时无明显变形，金属 光泽，呈结晶状光泽，呈结晶状 。a ak k值高的材料叫做值高的材料叫做韧性材料韧性材料，明显塑变，断口呈灰色纤，明显塑变，断口呈灰色纤 维状，无光泽。维状，无光泽。第二节第二节 材料的工艺性能材料的工艺性能各类设备零件总是要由原始状态经过各种机械加工以后各类设备零件总是要由原始状态经过各种机械加工以后,才能获得所需的机器零件才能获得所需的机器零件,所选材料在加工方面的物理、所选材料在加工方面的物理、化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性能化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性能,又叫又叫加工性能。加工性能。材料的工艺性能主要指铸造性、可焊性、可锻性、切削材料的工艺性能主要指铸造性、可焊性、可锻性、切削加工性和热处理性能。加工性和热处理性能。