第一章-金属材料性能

第一章金属材料性能•第一节金属材料的力学性能•第二节材料的物理、化学性能和工艺性能第一节金属材料的力学性能•金属材料具有良好的各项性能。为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。•使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可靠性和寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能。•工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。金属材料的力学性能:指金属材料在外力作用时表现出来的性能。外力（载荷）形式主要有：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等；常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等一、弹性和刚度弹性：指标为弹性极限Re，即材料承受最大弹性变形时的应力。图1-2退火低碳钢的拉伸曲线低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E(单位为MPa)。eRE弹性模量E：表征材料产生弹性变形的难易程度。弹性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性模量，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。弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐渐降低外，材料的其他强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响较小。二、强度与塑性1强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度Re：材料发生微量塑性变形时的应力值。0SFRSeS点附近，发生塑性变形增加而应力不增加，这种现象叫做屈服。S点对应的应力称为屈服强度。•规定塑性延伸强度Rp：由于有很多材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点，无法确定屈服极限，一般工程上以0.2%塑性变形时的应力值为该材料的规定塑性延伸强度，以Rp0.2表示。0SFRpp特别注意：屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标。•抗拉强度Rm：•试样拉断前最大载荷所决定的应力值，即试样所能承受的最大载荷除以试样原始横截面积，单位为MPa•sm段均匀塑性变形阶段，应力随着应变增加而增加，0SFRmm•产生应变强化。超过m点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E点迅速断裂。m点所对应的应力为抗拉强度Rm抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计的材料评价的重要指标。2塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。断后延伸率A：断面收缩率Z：断裂后拉伸试样的颈缩现象%10000lllAu%10000SSSZu•说明：•①用断面缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变形。•②AZ时，无颈缩，为脆性材料AZ时，有颈缩，为塑性材料•③表征直径d0相同时，l0，A。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=5d0时，伸长率用A表示；当l0=10d0时，伸长率用A11.3表示。显然A11.3A三、硬度•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。•布氏硬度HBW布氏硬度计)(222dDDDgFHBW布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写数值而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号HBW之前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：①球体直径（mm）；②试验力（Kgf）；③力保持时间（s），如600HBW1/30/20。布氏硬度压痕•布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。•缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。•适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。•材料的Rm与HB之间的经验关系：对于低碳钢:Rm(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：Rm(MPa)≈3.4HB对于铸铁：Rm(MPa)≈1HB或Rm(MPa)≈0.6(HB-40)洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计•洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002•根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。•符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕•维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。•根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。•维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计四、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击吸收能量AKU或AKV(通过冲击实验测得)。五、疲劳和断裂韧性•材料在低于Re的重复交变应力作用下发生断裂的现象。•材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用R-1表示。•钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。1-疲劳源、2-疲劳裂纹扩展区和3-瞬时断裂区疲劳断口示意图金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）断裂韧性：工程上有时会出现材料在远低于抗拉强度的情况下发生断裂的现象。材料中总是存在缺陷，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式Y为与裂纹形状，加载方式及试样有关的系数，σ为断裂应力，α为临界裂纹半长。应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKIK1c与Re一样是材料本身的一种力学性能指标。六、材料的高温和低温性能零(构)件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在室温下测定的性能指标就不能代表它在高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一般温度升高，材料强度降低。•1、高温性能•材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。•蠕变的另一种表现形式是应力松驰，它是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松驰，将会使紧固失效。•在高温下，材料的强度是用蠕变强度和持久强度来表示的。蠕变强度是指材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。•持久强度是指材料在给定温度T(单位℃)和规定的持续时间t(单位h)内引起断裂的最大应力值。MPaR886001000/1.02、低温性能•随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。可通过材料的冲击功与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化。当温度降到某一值时，冲击吸收能量KU或KV值会急剧减小，使材料呈脆性状态。材料由韧性状态转变为脆性状态的温度Tk称为韧脆转化温度。材料的Tk低，表明其低温韧性好。•冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限；一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃；脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3；发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。韧脆转变温度•材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板材料的物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。材料的化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能和化学稳定性能。第二节金属材料的物理和化学性能第三节金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力；按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。铸造性能：指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度；包括金属液体的流动性和收缩性。锻造性能：指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。焊接性：指材料被焊接的难易性质。切削加工性：表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小，加工表面质量、排屑的难易程度，切削刀具的寿命来衡量。热处理工艺性：指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳，过热与过烧，回火稳定性与脆性。小结•了解工程材料在工业中的地位，发展简史，材料分类。•掌握金属材料的主要性能指标。复习思考题一1.说明下列力学性能指标的名称、意义和单位：Rm、Re、Rp0.2、A、Z、HBW、HRC、HV。2.绘出低碳钢退火态度R-ｅ曲线，指出曲线上各点的含义及试样的变化情况。3.说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测定方法、各自的优缺点和适用场合。4.甲、乙、丙三种材料的硬度分别为600HBW、800HV和50HRC，试比较其硬度的高低。5.疲劳破坏是如何形成的？提高零件疲劳极限的方法有哪些？6.何为冲击韧性？说明冲击韧性的符号和单位7.金属材料主要具有哪些物理性能、化学性能和工艺性能？8.设计刚度好的零件应用何种指标选材？采用何种材料为宜？9.试分析下列几种说法是否正确？为什么？（１）材料的E值越大，塑性越差；（２）脆性材料拉伸时不产生颈缩现象；（３）布氏硬度适合于测试成品材料的硬度，维氏硬度可测试整体材料的硬度；（４）塑性材料零件可用屈服强度作为设计指标，脆性材料应用抗拉强度作为设计指标。