第二节金属材料的力学性能

第二节金属材料的力学性能（硬度、韧性、疲劳）及工艺性能一、复习要求1、知道硬度的概念；2、熟悉硬度测试的方法及原理；3、知道各种硬度测试的表示方法；4、知道各种硬度测试方法的特点并能根据特点进行合理选用；5、知道冲击韧性的概念并了解其测试原理、方法及适用；6、知道疲劳的概念并了解其特征和产生疲劳的原因；7、知道疲劳曲线和疲劳极限的概念并了解影响疲劳极限的因素；8、了解工艺性能的种类及影响因素。二、课前自主复习（一）、复法指导1、复习内容1）、硬度、韧性、疲劳概念；2）、硬度、韧性、疲劳的测试方法及应用场合；3）、影响硬度、韧性、疲劳的因素。2、怎么复1）、抓住载荷特性及衡量指标结合强度、塑性的概念对硬度、韧性、疲劳的概念进行比较记忆；2）、课堂以探究解析硬度、韧性、疲劳等知识应用选择来帮助同学理解知识为主；3）、提出问题、分析问题、解决问题并及时巩固问题并学会对知识的迁移应用。（二）、知识准备1）、硬度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。2）、硬度的测试方法有很多，最常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。分别用HB、HR、HV表示。3）、布氏硬度值根据所采用的压头材料不一样，分别用符号HBS（钢球）和HBW（硬质合金球）表示。4）、洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺，压头型式分为1200的金刚石圆锥体和直径为Φ1.588mm的钢球两种。5）、维氏硬度用的是1360的正四棱锥体金钢石压头。6）、冲击韧性在指金属材料在冲击载荷的作用下而不破坏的能力。常用的测试方法有大能量一次冲击试验和小能量多次冲击试验，测试结果分别用冲击韧度αk和规定冲击载荷下冲击的次数N表示的。7）、疲劳是金属材料在交变载荷作用下虽然承受小于或远远小于屈服点的应力但在较长的时间后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。8）、疲劳曲线指的是作用的交变应力与循环次数的关系曲线。曲线表明金属承受的交变应力越小则断裂前的应力循环次数越多。9）、疲劳极限是无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。当应力为对称循环时，疲劳极限用符号σ-1表示。10）、工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。11）、衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。12）、锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关，焊接性主要同金属材料的化学成分有关，一般认为金属材料具有适当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时较易切削。（三）、导复平台1）、金属材料在硬度、冲击韧性、疲劳试验中所用的载荷分别为静载荷、冲击载荷、交变载荷。2）、硬度试验中压头肯定不是金刚石的是布氏硬度测试法，肯定是金刚石头的是维氏硬度测试法。3）、冲击韧度指的是冲击试样在试样缺口处单位截面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大表示材料的冲击韧性越好。4）、疲劳试验中的所受的交变应力应低于（高于、低于、等于）屈服点且需要长时间作用才会出现裂纹或断裂现象5）、交变应力与循环次数的关系称为疲劳曲线，交变应力越小则断前应力作用的循环次数越多，当交变应力小到疲劳极限时可以作用的循环次数可以达到无数次。6）、焊接性主要同金属材料的化学成分有关，其中碳的影响最大。三、课堂探析（一）、探析问题【问题1】：硬度测试与哪些条件有关？【解析过程】：常用的硬度测试法中有三种压头形式：球形、1200圆锥体、1360正四棱锥体，不难理解在同等条件下球形压头让金属材料留下痕迹球形最难、1200圆锥体压头最易。同样是球形压头，直径越小、材料越硬越易让金属材料留下痕迹。所以布氏硬度中压头材料不一表示方法也不一样，有HBS（钢球压头）与HBW（硬质合金压头之分）；洛氏硬度也有HRB与HRA、HRC标尺之分。试验力的大小及保持时间不一测试结果不一样，试验力越大留下痕迹越明显、保持时间越长回弹越小留下的痕迹也越明显。默认条件下硬度值只需在符号前加硬度值即可，非默认条件需在符号后注明条件。布氏硬度的默认条件是试验力3000Kg力、球体直径10mm、力的保持时间是10～15s；洛氏硬度各种标尺的测试条件是只有力的保持时间可以变动，默认的也为10～15s；维氏硬度测试条件可可改变的有测试力和保持时间，默认值分别为1Kg力、10～15s。例如170HBS10/1000/30表示在用10mm的钢球，在1000Kg试验力的作用下作用30s时测得的布氏硬度值为170；640HV30表示在30Kg试验力的条件下保持10～15s测得的维氏硬度值为640。【解题结论】：压头的形式及材料，试验力的大小及保持时间。【拓展训练】：有三种材料的硬度值分别为450HBS、450HBW、450HV，试比较硬度高低。【解析思路】：由于测试原理相同，但维氏硬度采用的是金钢石四棱锥体压头，比布氏硬度的球形压头更易压入，故硬度值相同时维氏硬度最低。同样是球形压头时，钢球比硬质合金球易变形，在同等条件下工件的压痕不及硬质合金球，即硬度相等的布氏硬度值钢球测试出来的结果反映的硬度较高。【解题结论】：硬度从高到低排列450HBS、450HBW、450HV【问题2】：为什么说布氏硬度的测试原理与维氏硬度基本相同？【解析过程】：二者均以压痕单位面积上所承受的平均压力来表示硬度值，其硬度值的计算也均以应力公式F/S来计算的，单位也均以Mpa为单位。由于面积的计算相对较为复杂，也均测量压痕的直径（维氏硬度测量的是正方形的对角线长度也称正方形直径）来通过硬度表中查出。表中查出的数值即为应力公式中计算出来的数值所以说硬度值可以间接的金属的强度，但试验比拉伸试验简单易行。二者不同点是一个压痕为球面，一个压痕为四正棱表面；一个试验力大，一个试验力小，测试时对工件的损伤也不一样，故在应用上也不同。【解题结论】：二者均以压痕单位面积上所承受的平均压力来表示硬度值。【问题3】：为什么洛氏硬度没有单位？【解析过程】：洛氏硬度测试法是以压痕的深度来计算硬度值的大小的，计算方法是用常数减压入的硬度单位来计算的，以每压入0.002mm的压痕深度作为一个硬度单位，故无单位。当压头为球体时常数为130，当压头为金刚石圆锥体时常数为100。常数也即为最高理想硬度值。例用洛氏硬度C标尺来测量材料硬度时测量的压痕深度为0.12mm时,硬度值HRC=100－0.12/0.002=40，即40HRC。还注意的是洛氏硬度的测试结果可以直接从硬度计上读出来而勿需查表。【解题结论】：可由洛氏硬度的计算公式推导。【问题4】：测试法与工件材料的关系如何？【解析过程】：布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料，如果测试硬度较高的材料时压头变形比较明显从而使测量结果比实际硬度低，故当布氏硬度值大于450时必须采用硬质合金压头，但测试材料布氏硬度值仍不能高于650。由于布氏硬度的测试力大，压痕较大，故测量结果较能真实反映材料的硬度，同时也对材料有了一定程度的破坏，所有不能对成品或薄件进行测量以防造成工件报废。洛氏硬度由于采用的试验力较小，故选用了小径钢球或金钢石圆锥体作为压头，对材料的破坏较小，适用于测量各种成品或半成品。但由于材料组织的不均匀性，测试结果不能真实反映出材料性能，需多次测量取平均值。在三种洛氏硬度中，HRB标尺采用的是直径为1.588mm的钢球较HRA、HRC标尺采用金钢石圆满锥体压头相比较难压入材料，故适用于软钢、退火钢、铜合金等较软的材料。通过HRA、HRC标尺对比，虽采用同样的压头但试验力HRC标尺是HRA标尺的2.5倍，也就是说明能测量更硬的材料。一般来讲，HRA标尺用来测量硬质合金或表面淬火钢的硬度，HRC标尺用来测量一般淬为钢的硬度。通过对比可知，当某工件用布氏或洛氏硬度均可测量时优先选用的是布氏硬度。但不管哪种测试方法均由于试验力的问题不能对较薄件和表层硬度测量，不然不是对工件造成了破坏就是测量的整体硬度而非表层硬度。对较薄件和表层硬度的测量一般采用维氏硬度进行，且维氏硬度计根据工件的实际状况对试验力的调整较为方便、对测试结果影响也较小。【解题结论】：布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的坯料或破坏性试验，洛氏硬度主要用于测量各种成品硬度，维氏硬度主要适用于测量前两种方法不宜测量的薄件或工件的表层硬度。【拓展训练】：某企业用40Cr加工一批齿轮且齿轮成品要求表面进行渗氮处理，试问对齿轮的坯料及成品分别用什么方法来测试其硬度较为合理？【解析思路】：布氏硬度测试法测量值较为准确，对坯料的破坏可以在加工中得到修整；维氏硬度测试法所施加的测试力较小，只能测示出表层的硬度，故材料整体硬度的测量需试验力稍大的洛氏硬度。考虑到成品的齿轮是经过调质处理的淬火钢件，可采用洛氏硬度C标尺测试其硬度以免损伤工件，但需多次测量以达到较为准确的硬度值。如要测量齿轮更准确的整体硬度值，可采用布氏硬度测试法对齿轮进行破坏性试验进行抽检，这也是某些齿轮图纸技术要求中常标注布氏硬度值的原因。【解题结论】：坯料采用布氏硬度测试法，成品整体硬度的测试采用洛氏硬度测试法、表面硬度测试采用维氏硬度测试法。【问题5】：冲击韧性的两种测试方法与工件材料有什么关系？冲击力的大小根据什么来选择？【解析过程】：两种测试方法的选用与工件材料有一定关系。因为像铸铁等脆性材料用大能量一次冲击试验测试出的冲击韧度几乎为零，不能真实的反映出这类材料的真实抗冲击性能。相反像一些软钢用小能量多次冲击试验测试结果经受的冲击次较多也不能反映出受到大量冲击时抗冲击能力就强。故用哪种测试方法还是根据工件的实际工作状况来分，一般来讲脆性材料像铸铁、工具钢等用小能量多次冲击试验来测试冲击韧性。冲击力的大小根据冲击试验方法不同取决的因素也不一样，大能量冲击载荷作用时取决于试样被冲断时单位面积的冲击吸收功即材料的冲击韧度αk，小能量多次冲击条件下取决于材料的强度和塑性。【解题结论】：塑性材料用大能量一次冲击试验、脆性材料用小能量多次冲击试验，大能量冲击载荷作用时取决于材料的冲击韧度αk、小能量多次冲击条件下取决于材料的强度和塑性。【问题6】：疲劳产生的原因是什么？【解析过程】：疲劳产生的原因是由于材料的表面或内部有缺陷造成这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部的塑性变形而导致开裂。随着应力的循环裂纹也随之扩展，造成承受载荷的截面积不断减少以至不能承受载荷而发生突然断裂。因此疲劳具有以下特征：断前没有明显的宏观塑变，断前没有预兆（但有裂纹扩展）；引起疲劳的应力很低，常低于屈服点或远远低于屈服点（裂纹扩展使实际受力面积减小）；疲劳破坏的宏观断口有两部分组成：光滑区和断裂区（光滑区是扩展中挤压磨损、断裂区呈粗糙状）。【解题结论】：疲劳产生的原因是由于材料的表面或内部有缺陷造。【问题7】：为什么说金属材料具有适当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时较易切削？【解析过程】：材料太硬时，刀具难以切入，使刀具寿命明显降低；材料太软时，摩擦力太大、切削温度过高，易产生粘刀和切削瘤等，使加工精度降低。【解题结论】：切削时主要受到磨擦、变形、分离等阻力，当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时进行切削加工其磨擦、变形、分离的合力为最小。【拓展训练】：20钢与20Cr钢的切削性能哪个较差？如何提高？【解析思路】：一般认为金属材料具有适当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时较易切削。所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。【解题结论】：20Cr钢的切削加工性能较差。要提高20Cr的切削性能需对其进行正火处理。（二）、巩固练习1、2008高考题：用15钢制作─要求耐磨的小轴(直径20mm)，其工艺路线为：下料─锻造─热处理1─机加工─热处理2─磨削加工。成品硬度要求：58～64HRC。测量该工件硬度所用压头为1200金钢石圆锥体；该硬度测定时由于压痕较小，可以测定成品或半成品工件。释义：58～64HRC是洛氏硬度值，压痕小。2、2010高考题：铸铁