第一章金属材料导论

金属材料的力学性能
Mechanics properties of metals
• 金属材料的力学性能是指金属材料在外 力作用下所反映出来的性能。 • 主要性能指标有：
– 弹性、塑性、刚性（度）强度、硬度、冲击 韧性、疲劳强度和断裂韧性
1、弹性与塑性 （elasticity and plasticity）
1、金属材料的力学性能指标有哪些？是如何定 义的，有何意义？ 2、下列代号的含义： 3、HBS、σb、 σs、HRC、ψ、δ、аk、 σ-1 4、零件加工完成后，采用哪种方法测量其力学 性能？ 5、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，钟表 发条可能发生什么变形？
6、某厂购进一批钢材，从中制取d0=10mm的圆形截面短 试样，经拉伸实验后，测得 Fb=33.81KN, Fs=20.68KN, Lk=65mm, dk=6mm. 试问这批钢材的力学性能是否合格？ （注：GB699—88规定此种钢材的力学性能判据： b=375 MPa；s=225 MPa;5=27% ;ψ=55% )。 7、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？ • （1）HRC12～17；（2）HRC =50～60 Kgf/mm2； （3）500～530 HBS ； • （4）70HRC～75HRC ；（5）230 HBW ； 8、整体硬度要求230HBS～250HBS的轴类零件，精加工 后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？ 9、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺 钉材料的力学性能哪一判据的值不足？ 10、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较薄工件？ 为什么？
• 常用工程材料：钢材、铸铁、铝及铝合 金、铜及铜合金、粉末合金、工程塑料、 橡胶、陶瓷材料、复合材料、磁性材料、 超导材料、纳米材料 • 以下分别介绍
– 1、工业用钢 – 2、铸铁 – 3、有色金属
三、工程材料
1、工业用钢(steel products)
碳素钢的基本化学成分：Fe、C 、Si 、Mn 碳钢—— 含碳量<2.11% 铸铁—— 含碳量>2.11%
120º 金刚 HRA 石圆锥 HRB
Φ1.588mm
钢球
软钢、退火钢、 铜合金
120º 金刚 HRC 石圆锥
20~67 液火钢、调质钢等
维氏硬度的测定
•采用正四棱锥体为 压头，用压痕单位面 积上的载荷来计量硬 度值。主要用于测量 极薄试样的硬度。
硬度的意义
• 硬度试验是一种非破坏性实验，可以直 接在零件上测量。一般零件图上标有硬 度作技术要求。
11、某室温下使用的一紧固螺栓在工作时 发现紧固力下降，试分析材料的何种性 能指标没有达到要求？提出主要的可能 解决措施。 12、对自行车座位弹簧进行设计和选材， 应涉及到材料的哪些主要性能指标？ 13、实际生产中，为什么零件设计图上一 般是提出硬度技术要求而不是强度或塑 性值？
三、工程材料简介
中南大学 Central South University
第一章 金属材料导论
第一章
金属材料导论
• 一、金属材料的力学性能
• 二、金属材料的性能简述 • 三、工程材料简介 • 四、金属热处理方法
一、金属材料的力学性能
1、弹性与塑性 2、强 度 3、强度与塑性指标 4、刚 性 5、硬度 6、冲击韧度 7、疲劳破坏 8、断裂韧性
2、铸铁（cast iron）
(3)可锻铸铁(malleable cast iron) 碳以团絮状石墨形式存在
生产方法：白口铸铁经石墨化退火而成。 牌号：KTH300-06 KTZ550-04 KTB400-05 用途：韧性较高的 小铸件、连 杆、小曲轴 等
2、铸铁（cast iron）
(4)球墨铸铁(ductile iron)
• F0——试样的原始横截面积（mm2） • F——试样断裂后的横截面积（mm2） • Ps ，Pb 分别为屈服点和最大点的拉力 （ N） • l0，l 分别为试样断裂前后的长度
强度和塑性指标的重要意义
• 强度
– 机械设计和选材的重要依据。一般零件的许 用应力必须小于屈服强度。无明显屈服点的 零件，许用应力小于抗拉强度。 – 对于弹性元件其许用应力应小于弹性极限。
• 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂 的能力——强度。 •分 类
•拉力——抗拉强度
•压力——抗压强度
•弯曲力——抗弯强度
•。。。。
3、强度与塑性指标
• 工程上通用的表示塑性的指标为：
– 延伸率（δ）
– 断面收缩率（ψ）
•工程上通用的表示强度的指标 为： •屈服强度（σs、 σ0.2） •抗拉强度（ σb）
碳以圆球状石墨形式存在 生产方法:向铁水中加入孕育剂、球化剂 性能特点:与钢接近,强韧性较高 牌 号:QT400-18 QT600-3 用 途：可代替钢材， 制造主轴、 齿轮、曲轴
3、有色金属
• • • • 钢材料材料以外的金属称为有色金属。 铝及铝合金 铜及铜合金 钛合金
四、金属热处理方法
• 1、金属热处理基本概念
• 2、常用的热处理方法
– – – – 退火 正火 淬火 回火
• 3、表面热处理
– 表面淬火 – 表面化学热处理
1、金属热处理基本概念
热处理（heat treatment):将金属 在固态下通过加热、保温（热透）、冷 却，改变其内部组织结构，从而改变其 力学性能的一种工艺方法。
6、冲击韧度（impact hardness）
• 冲击韧度——金属材 料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。 • 冲击韧度的测定在冲 击实验机上进行。
• ak=Ak/F
•意义：① 用于受较大冲击载荷的零件；
•
② 检验热加工工艺质量。
7、疲劳强度（ fatigue
strength）
• 疲劳破坏____受交变载荷作用的零件，发生断裂 时的应力，远低于材料的屈服强度，这种破坏现 象，叫做疲劳破坏 • 疲劳强度——当金属材料在无数次重复或交变载 荷作用下而不致引起断裂的最大应力,叫做疲劳强 度。 •疲劳强度通常在旋转对称弯 曲试验机上进行。
1、工业用钢(steel products)
③合金结构钢 钢号：用含碳量与合金元素及其含量表示 20Cr、23CrNi3A、20Cr2Ni4、 35CrMo、40Cr、60Si2Mn 用途：热处理后具有优良的力学性能，制 造重要零件
1、工业用钢(steel products)
④工具钢： 制造刀具、量具、模具的钢 碳素工具钢：T7、T7A、T8、T8A、T10、 T10A、T12、T12A 用途：制造手工工具、低速刀具 如锯条、锉刀、铣锥、钻头、铰刀等 低合金工具钢：9SiCr、9Mn2V 高速工具钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 热作模具钢：5CrNiMo、3Cr2W8V 冷作模具钢：Cr12MoV、9Mn2V
洛氏硬度的测定
• 用洛氏硬度计
– 洛氏硬度计用金刚石圆 锥或小钢球为压头，实 验时是根据测量到的压 入深度，转变成刻度盘 上的数据。
•计算公式：
•HR(A)C=100-h1/0.002
洛氏硬度的分类及应用
标度 压头 总载荷 应用范 （kg） 围 60 100 150 70~85 25~100 适用材料 硬质合金、 表面淬火的钢
1、工业用钢(steel products)
⑤特殊性能钢 不锈钢：1Cr18Ni9Ti、1Cr13、2Cr13、 3Cr13 耐热钢：1Cr13Si3、1Cr23Ni2 热强钢：1Cr6Si2Mn、4Cr12Ni8MoVNb
2、铸铁（cast iron）
铸铁的特点： σb 、δ、 aK低，但抗压强度高，铸造性、切 削加工性、减震性、耐磨性良好。 (1)白口铸铁（white cast iron) 碳以Fe3C形式存在，断口呈白色， 性硬而脆。可制造耐磨件。 (2)灰口铸铁（grey cast iron) 碳主要以石墨形式存在，断口 呈灰色 牌号：HT150、HT200、 HT250、HT300
二、金属材料的性能简述
使用性能 •物理性能
铸造性能
工艺性能 焊接性能 锻造性能 热处理性能 切削加工性能
•化学性能
•力学性能
金属材料的物理、化学性能
• 物理性能
– 熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。
• 化学性能
– 耐腐蚀性、抗氧化性等。
• 物理化学性能将影响工艺性能和使用性 能。
复习思考题
– – – – 布氏硬度 （HB） 洛氏硬度 （HR） 维氏硬度 （HV） 。。。
布氏硬度的测定
• 用布氏硬度计 •压头是直径为D的钢球或硬质合金球。
•HBS——压头为钢球，用于测量<450HBS
•HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW •计算公式： •HB=压入载荷（N）/压痕表面积（mm2）
1、工业用钢(steel products)
30 35 40
45
中碳调质钢，调质后综合力学性能较好，用 作主轴、曲轴、连杆、齿轮等结构件
50 55 60 65 70 75
含碳高，淬火、中温回火后强度高、弹性高、 韧性好，用作钢丝绳、弹簧、凸轮等结构件
较高含锰量优质碳素结构钢：Mn约为1.0～1.2% 15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn
(1)钢的分类
碳素钢(carbon steel)
① 按化学成分分类
合金钢(alloy steel)
1、工业用钢(steel products)
碳素钢: 低碳钢 C≤0.25% 中碳钢C≥0.25%～0.55% 高碳钢C>0.55%
合金钢: 在碳钢的基础上加入Cr、Ni、 Mo、W、Mn、Si …等元素
1、工业用钢(steel products)
（2）钢的编号与用途 ①碳素结构钢
钢号：用该钢屈服强度σS来表示
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
用途：一般零件、工程结构用钢
②优质碳素结构钢
钢号：用该钢平均含碳量的万分之几表示。 08
10 15
20 25
含碳量低、σb与HBS低,δ与aK值高， 制造塑性较高、强度低的零件或钢结构
碳素钢的力学性能与含碳量的关系:
当 C% ↑ 则 σb ↑ HBS ↑ δ↓ ψ↓
1、工业用钢(steel products)
②按冶金质量分类 普通钢： S≤0.050% P≤0.045% 优质钢: S≤0.035% P≤0.035% 高级优质钢:S≤0.020% P≤0.020% ※S——使钢产生热脆；P——使钢产生冷脆 ③按用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能钢
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
在拉伸实验机上进行 实验测得
拉伸实验机
标准拉伸试样
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
•低碳钢拉伸图
强度和塑性指标的计算公式
• 根据拉伸实验结果进行计算，计算公式分别为：
• • • • •
δ =（l-l0）/l0×100% Ψ=（F0-F）/F0 ×100% σs=Ps/ F0 （MPa） σb=Pb/ F0 （MPa） σe=Pe/ F0 （MPa）
•用符号σ-1表示弯曲疲劳强度
产生疲劳破坏的原因
材料有杂质、表面划伤等缺陷
微裂纹
应力集中
裂Biblioteka Baidu扩展
破 坏
8、断裂韧性（Fracture toughness ）
• 异常断裂现象 在材料的强度、塑性、冲击韧 性等都符合设计要求的情况下，零件在使用过 程中出现突然断裂事故。 原因 研究表明这种断裂事故产生的原因是于 内部存在着各种宏观缺陷，这种缺陷相当于裂 纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附 近便出现应力集中，应力不断增长，裂纹扩展， 导致断裂。 • 断裂韧性就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张 能力的性能指标，通常用K1c表示。
• 塑性
– 是金属材料进行塑性加工的必要条件。 – 是零件安全使用的可靠保证。
4、刚 性（rigidity）
• 刚性 金属材料抵抗弹性变形的能力。 •材料本身的弹性模量
•零件截面积的大小 •零件能否顺利进行加工
•影响零件的加工精度
5、硬 度（hardness）
• 金属材料抵抗比它更硬的物体压入其内 的能力，叫做硬度。 • 根据测定硬度的实验方法不同来分类。
• 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外 力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。 • 弹性变形 随着外力消失而消失的变形，叫做 弹性变形。 • 塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形 而不致引起破坏的性能叫做塑性。 • 塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可 恢复的变形，叫做塑性变形，
2、强 度（strength）