金属材料基础知识

金属材料基础知识金属材料的基本定义金属材料：是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。纯金属•金属材料合金金属材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能金属材料的性能使用性能力学性能力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等强度概念：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。=F/S-----应力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228.1-2010）1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0万能材料试验机a)WE系列液压式b)WDW系列电子式2.力－伸长曲线弹性变形阶段0p屈服阶段ss’颈缩现象bz拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段s’b(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（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。强度指标（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。σs=Fs/A0式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2％原长时的应力σ0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。σ0.2=F0.2/A0（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。σb=Fb/A0式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。强度的意义•强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。•强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。•因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。塑性金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。主要指标：1．断后伸长率δ2．断面收缩率ψ断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1LoL试样原始标距（mm）断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1SoS试样原始截面积（mm2）•δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。•一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为脆性材料，如灰铸铁.塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性硬度硬度：硬度试验方法:压入法它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC其中A、B、C为不同的标尺4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。1、维氏硬度试验原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。4、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。维氏硬度3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。冲击韧性强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。•冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。•冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。冲击试验•冲击试样•冲击试验原理•冲击韧性的表示方法•如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。•焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。原理•冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。•所以，摆锤用于冲断试样的能量AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。材料冲击韧性的表示方法•按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳（J）。•冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。•冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。•冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。•缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便•用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。•用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。冲击试验的应用冲击试验的应用•缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。•通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。•低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。•冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。•对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。低温脆性•冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt）。•转变温度（Tt）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。•金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（Tt）大约为-20℃，某些合金钢的韧脆转变温度（Tt）可达-40℃以下。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。提高冲击韧性的途径冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：•改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；•提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷；疲劳强度疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。•1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。•事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。变动载荷和循环应力•1.变动载荷•——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。•变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化b)c）应力大小和方向都变化d)应力大小和方向无规则变化1.平均应力2.应力幅2minmaxm2minmaxatσ一个应力循环mamaxmin疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。•尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。•疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。疲劳断口3.疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）•当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。•通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R＝－1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。4.疲劳强度疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）