金属材料的主要性能(精品)

1）体心立方晶格 — 在立方体的8个顶角上各有一个原子，在立 方体中心还有一个原子。
体心立方晶格
2）面心立方晶格
在立方体8个顶角上各有一个原子，在立方体 的6个面的中心 还各有一个原子。
面心立方晶格
三、纯铁的同素异晶转变
纯铁固态下, 在不同温 度范围内将呈现出不同的 晶格形态，这种现象称为 同素异晶转变。 1）用冷却曲线表示 2）用反应式表示
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晶胞——晶格的最小单元。 晶胞
一、 金属的结晶： 金属由液态冷却变成固态，原子由不规则排列→有规则的排列 无序 → 有序
金属结晶过程示意图
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金属结晶过程 形核＋长大→晶粒
• 金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称 为晶界。 • 晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：晶粒愈细， 强度、硬度愈高，塑性、韧 性愈好。 • 细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理） （3）热处理和压力加工
2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ）
用于测定硬质表面材料（20－70 HRC） 测试原理图：
F
HRC测定
压头直径: 120。金刚石压头、 ￠1.5875mm钢球、 ￠3.175mm钢球 主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、
特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。 缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。 适用范围：用于测定硬质材质（20－70 HRC）
固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧性， 强度、硬度较低。
溶质原子 溶剂原子 溶质原子
溶剂原子
二、金属化合物
合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有 金属特性的物质。
金属化合物各元素之间呈整数比关系。
如： Fe3C、WC、TiC 等
金属化合物的性能特点：
脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。
问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的 材料内部的微观（图像）统称组织
组织是材料性能的决定因素。
固溶体 合金的组织结构 金属化合物 机械混合物
一、固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。
据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同 固溶体 置换固溶体 间隙固溶体
铁素体组织
奥氏体不锈钢组织
2）金属化合物—各组元按一定整数比结合而成，并
具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。
渗碳体 （Fe3C）
性能 800 HBW （用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性近于零。
铸铁生产中
Fe3C 3Fe＋C （石墨）
过共晶白口铸铁中 铁的一次渗碳体
过共析钢退火组织中
铁碳合金状态图
铁碳合金状态图
显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形
1、 Fe –C合金状态图的构成
1）两条水平线
ECF（1148℃） PSK（727℃）
A
2）4个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe 3C)。
b = Fb/ A0
( M Pa
)
Fs—试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb—-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N A0——试样原始截面积,mm²
金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度 设计的依据. ???灰铸铁和20钢分别以何种强度为设计依据。
2. 塑性
塑性: 材料在外力作用下，产生 永久变形而不引起破坏的能力。
第一节 金属材料的力学性能
一、强度和塑性 拉伸试验（GB6397-1986）
L1
拉伸试样
低碳钢拉伸试验图分析
变形阶段的分析：
弹性变形阶段(直线）:oe
e — 弹性极限点
塑性变形阶段 (屈服)（曲线）:sb
S — 屈服点
颈缩阶段(断裂) （曲线） : bk
b — 极限载荷点 K — 断裂点
缩颈 —
式中 A0—试样的原始截面积，mm²； A1—试样拉断后,断口处横截面积，mm² ； 说明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
二、硬度（HB、HR）
硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
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抵抗塑性变形、压痕 划痕的能力。是衡量金属软硬的指标。直接影响 金属材料的耐磨性。
四、 疲劳强度 ——（σ-1 ） （σ-1≈0.5σb）
金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致 引起断裂的最大应力—疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、 曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应 力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强 度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的 机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受重复或交变载荷应力（）与其断裂 前的应力循环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。
当应力降至某值后， 疲 劳曲线成为水平， 即表示该材料可能经受无 数次应力循环而仍不发生 疲劳断裂，这个应力叫做 疲劳强度极限。。
用应力循环基数表示：
钢为107 非铁合金为108
疲劳曲线
5、几种常用金属材料的力学性能
牌 号
Q235-A
力
σb/ MPa
400 610
学
δ%
性
HBS
能
HRC αk
σs
铁素体（F）— 碳（C）溶入α-Fe中所形
成的固溶体
奥氏体（A）— 碳（C）溶入γ-Fe中所形
成的固溶体
铁素体（F）—— 体心立方晶格
600℃ 0.006%C 727℃ 0.0218%C 力学性能：σb ≈ 250MPa； δ= 45%~50%； HBS = 80。
奥氏体（A）——面心立方晶格
1148℃ 2.11%C 727℃ 0.77%℃ 力学性能： σb ≈ 250 ~ 350MPa； δ= 40%~45%。 HBS= 160~200；
应力与应变概念
应力： 试样单位横截面上的拉力
P 4P ＝ ＝ 2 F0 d 0
N/mm2；MPa
应变：试样单位长度上的伸长量
L1－L0 L ＝ L ＝ L 100％ 0 0
应力与应变曲线
1.强度 单位：MPa(N/mm2） 强度: 材料在外力作用下，
（F）
抵抗塑性变形和断裂的能力。
σs —— 屈服强度(屈服点）
如:淬火钢、调质钢等。
??? 布氏硬度和洛氏硬度硬度各有什么优缺点?
???下列零件用哪种硬度法测量 1. 硬质合金刀头 2 锻件
三、韧性
金属在断裂前吸收的变形能量——韧性。
其常用指标为------冲击韧度（ak ）
用冲击试验测定冲击韧度 k
计算公式： ak =Ak/S(J / cm)
用单位面积上的冲击功来表示 ak—冲击韧度 Ak—冲断试样所消耗的冲击功，J; S—试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次 重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲 击韧度。 ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来 检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。
☆ 伸长率：试样拉断后,其标距
的伸长与原始标距的百分比.
L1－L 0 L ＝ ＝ 100 ％ L0 L0
应用中：δ10——试样 L0=10d0
δ5 ——试样 L0=5d0
☆断面收缩率:
试样拉断后, 缩颈处截面积 的最大缩减量与原始横截面积 的百分比
=（A0 –A1）/A0×100%
缩颈 —
0.2%
σb —— 抗拉强度 σ0.2——名义屈服强度
（名义屈服点）
低碳钢拉伸试验图
屈服强度度来表示金属材料的强度 指标。其计算公式为： ☆屈服强度（屈服点）——拉伸试样产生屈服时的应力 s=Fs /A0 ( MPa )
☆ 抗拉强度——拉伸试样在拉断前所承受的最大应力
的二次渗碳体
3）机械混合物——结晶过程所形成的两相混合组织
珠光体 P （F+Fe3C） 成分：C ＝0.77 %
良好的力学性能： σb ≈750MPa ； HBS=180 δ=20 %－25% ；
αk = 30-40（J/c㎡）
白色F基体中嵌入黑片状Fe 3C
莱氏体（Ld ）
C=4.3%C
727℃以上为高温Ld （A+ Fe3C） 727℃以下为低温Ld’ （P+ Fe3C） 力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆
常用的有布氏硬度和洛氏硬度
1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头）
用于测定软性材质（HBS≤450） 测试原理图：
HBS测定
压头直径:￠10mm、 ￠5mm、 ￠2.5mm 载荷: 30000N、 7500N 、1870N 特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。 适用范围：用于测定软性材质（HBS≤450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。 HBW--- 以硬质合金为压头的新型布氏硬度计
第一篇 金属材料的基础知识
其主要内容包括:
☆ 金属材料的主要性能
☆ 铁碳合金 ☆ 钢的热处理
☆ 工业用钢
材料与性能要求
• 四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥 • 力学性能—— 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度 • 物化性能——密度、耐腐蚀性等
• 工艺性能——加工成形的难易程度
3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性 能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300; QT450-10; ZG340-640(ZG55）; ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜); ZAlSi7Mg(ZL101) 。