第二章-金属材料性能及常用工程材料

第二章金属材料性能及常用工程材料2.1金属材料的性能2.2常用工程材料-钢铁材料2.3非铁材料及非金属材料返回材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽等。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。2.1金属材料的性能使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，它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。金属材料的性能概述返回金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图2-1所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。一、金属材料的力学性能图2-1圆形拉伸试样1、低碳钢拉伸时的力学性能拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图2-2所示，负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。0kbsePPPbsePl图2-2低碳钢拉伸曲线1.强度拉伸曲线oe段是直线，金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。1）弹性极限。金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位MPa。即0APeeeP试样发生完全弹性变形的最大载荷（N）；0A试样的原始横截面积（mm2）。式中2）抗拉强度。当负荷继续增加超过s点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过b点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在k点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力。b0APbbbP试样被拉断前所承受的最大载荷（N）；0A试样的原始横截面积（mm2）。式中3）屈服点。开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。s0APss条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限。2.0零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用抗拉强度。sP试样发生屈服时的载荷（N）；0A试样的原始横截面积（mm2）。式中2.塑性塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率和断面收缩率。1）延伸率。指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即%10000lllk2）断面收缩率。指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。%10000AAAkkl试样断裂后的标距长度；0l试样的原始标距长度；式中kA试样断裂出的最小横截面积；0A试样的原始横截面积；式中3.硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1）布氏硬度HBW。布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图2-3示。222HBWdDDDF图2-3布氏硬度实验原理图F实验力（kgf）；D球体直径（mm）；d压痕平均直径（mm）。式中在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为硬质合金球时，为HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品或者薄壁件检验。符号表示方法举例：350HBW5/750。含义：①压头：硬质合金，直径5mm②实验力：750kgf（1kgf=9.8N）③保持时间：10-15秒④硬度值：3502）洛氏硬度。洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。HRC采用顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC；HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。（注：最常用的是HRC）符号表示方法举例：45HRC4.疲劳强度1）交变应力（周期性应力）。应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。2）疲劳。构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象。3）疲劳曲线。反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图2-4所示。图2-4疲劳曲线4）疲劳极限。由图2-4可见，应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用表示；无限次当然不是数学上的无穷大，只是一个很大的数而已，对于钢铁材料为107，有色金属材料为108。15.冲击韧度指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。FGhGHFAkkk冲击韧度（J/cm2）；kA冲击吸收功（J）；G摆锤重量（N）；H摆锤抬升高度（m）；h摆锤冲击后的高度（m）；F试样缺口底部处横截面积（cm2）。式中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、热膨胀性和磁性等。6.金属材料的物理和化学性能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、抗氧化性能和化学稳定性能等。二、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。1、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。2、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。3、焊接性。指材料被焊接的难易性质。4、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、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。5、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。黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。一、钢的分类1、按化学成分分（1）非合金钢（碳素钢）是指WC2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金。含碳质量分数的多少又分成低碳钢、中碳钢和高碳钢2.2钢铁材料低碳钢中碳钢高碳钢Wc0.25%Wc=0.25%—0.6%Wc0.6%返回（2）合金钢如果含有合金元素，相应称为低合金钢和合金钢2、按钢的品质分（1）普通钢（2）优质钢（3）高级优质钢3、按钢的用途分（1）结构钢适用于各种机器零件、工程结构件。（2）工具钢制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等（3）特殊性能钢用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境二、钢的编号1、碳钢的编号方法(1)碳素结构钢早期牌号：A1、A2、A3、……A7数字越大，强度越高，相应塑性就低一些。近代推荐：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275用Q代表屈服强度，如Q235(2)优质碳素结构钢用数字直接表示钢中碳的质量分数的万分之一。如45、35等表示钢中含碳的质量分数为0.45%、0.35%。(3)碳素工具钢用T表示，如T8A钢。(4)铸造碳钢用ZG表示,如ZG200－400钢。表示屈服强度大于200MPa,抗拉强度大于400MPa。如果数字后加注A、B等符号表示质量等级。A为高级。2、合金钢的编号方法(1)低合金高强度结构钢如Q390A(2)合金结构钢如40Cr,40表示含碳质量分数的万分之一；30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之1.5，末位加A表示优质。（3）滚动轴承钢在含碳质量分数元素符号前加G，如GCr15。（4）合金工具钢含碳质量分数小于1％，用一位数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数小于1％，不予标注。（5）不锈钢含碳较低，用“00”和“0”数字表示含碳质量分数，分别低于0.03%和0.08%，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因。三、.碳素钢的用途含碳质量分数小于2.11%而不特意加入合金元素的钢。1、碳素结构钢（1）普通碳素结构钢含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。（2）优质碳素结构钢含碳质量分数较少时，塑性韧性较好，含碳质量分数较多时，硬度、耐磨性较好。常用45、35钢。2、碳素工具钢含碳质量分数在0.7％以上，硬度高，如T8A、T10A、T12A。四、合金钢在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。1、合金结构钢⑴低合金结构钢16Mn代替Q235作建筑、桥梁材料。20CrMnTi经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。（2）机械制造用钢中碳合金钢40Cr代替常用45钢作重要的轴等机械零件。高合金钢60Si2Mn代替65Mn作重要弹簧。滚动轴承用钢Gr15用于制造常用滚动轴承。2、合金工具钢（1）刃具钢高速钢用作加工刀具，钻头、各类铣刀。刀具用钢用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。（2）模具钢用作热、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。（3）量具钢如游标卡尺、千分尺。3、特殊性能钢（1）铬不锈钢既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。铬镍不锈钢耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。（2）耐热钢用作锅炉材料，如42Cr9Si2.（3）耐磨钢用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢ZGMn13。五、铸铁1、铸铁简介铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.铸铁曲轴内燃机汽缸铸铁是含碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。2.铸铁的种类及组织结构可锻铸铁灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁3、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。4、灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的