第一章 金属材料的种类与性能(定稿)
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第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
第1章金属材料的性能
4.应力与应变曲线
(1)应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承 受的载荷除以试样的原始横截面积A 0表示: F 载荷( N ) σ= —— ( M pa ) A0 原始横截面积( mm2) (2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除 σ 以试样的原始标距表示: Δl 伸长量(mm ) ε = —— l0 原始长度( mm) σ e σ s σb (3)应力－应变曲线（ σ- ε曲线）: 形状和拉伸曲线相同，单位不同 ε
名称 密度 强度 (g / cm3) ( Mpa ) 2.7 纯铝 80～100 纯铁 7.87 180～280 比强度 30～37 23～36
纯钛
4.5
405～500
90～111
五 零件在交变载荷下的疲劳断裂
1 2
3
4
问 题 什么是疲劳断裂？ 疲劳断口由哪几个部分组成？ 疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用 这些指标？ 提高零件疲劳寿命的方法有哪些？
• 5.不同材料的拉伸曲线
退火低碳钢
中碳调质钢
淬火钢及铸铁
低、中回火钢
F S0
二、强度和刚度指标
1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去 掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵 抗弹性变形的能力。即： E=σ / ε 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有 关。 E=σ / ε
常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围
硬度符号 压头类型 总实验力 F/kN 硬度值有 效范围 70~85 应用举例
第一章 金属材料的力学性能
第一节
使金属板料沿封闭轮廓分离的加工， 如图1- 10所示。
图1- 10冲裁
第一章 金属材料的力学性能
一、屈服强度
二二、、材材料在料拉在伸(压拉缩) 伸时的(力压学缩性能)时的
力学性能
三、材料在压缩（拉 伸）时的力学性能
四、冲裁
四、冲裁 五、拉深
第一节
拉深原理如图1- 11所示。
图1- 11拉深原理
第一章 金属材料的力学性能
第四节
一、冲击韧性
二二、、疲材劳强料度在拉 伸(压缩)时的 三、力金学属材性料能的性能
四、冲裁
图1- 36疲劳破坏原因
第一章 金属材料的力学性能
第四节
一、冲击韧性
二二、、疲材劳强料度在拉 伸(压缩)时的 三、力金学属材性料能的性能
四、冲裁
1 使用性能 材料在使用过程中所表现的性能，主要 包括力学性能、物理性能和化学性能。 2 工艺性能 工艺性能指在制造机械零件的过程中， 材料适应各种冷、热加工和热处理的性能 。工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊 接性能、冲压性能、切削加工性能和热处 理工艺性能等。
力学性能
三、材料在压缩（拉 伸）时的力学性能
四、冲裁
四、冲裁 五、拉深
第一节
材料在拉伸时的力学性能，材料受力 。作用在机件上的外力称之为载荷。如 图1- 5所示。
图1- 5材料受力分析
第一章 金属材料的力学性能
一、屈服强度
二二、、材材料在料拉在伸(压拉缩) 伸时的(力压学缩性能)时的
力学性能
三、材料在压缩（拉 伸）时的力学性能
规则形截面。
四、自由锻件结构
设计四、冲裁
03
硬度
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的性能
表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9.807kN） 10mm的钢球在1000kgf（ 如120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN） 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 30s测得的布氏硬度值为120。 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维HV表示，符号前的数字为硬度值， 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 HV表示 分别表示载荷值及载荷保持时间。 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 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法— 维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 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。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。
第一节 金属的力学性能
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性 能、物理性能和化学性能。 物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、 锻压、焊接、热处理和切削性能等。 锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
洛氏硬度HR 洛氏硬度HR HR=（ HR=（k-h）/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺， 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。
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目录
CONTENTS
• 金属材料概述 • 金属材料的性能 • 金属材料的制备与加工 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的应用 • 金属材料的发展趋势与展望
01 金属材料概述
金属材料的定义与分类
总结词
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的工程材料。根据成分和用途，金属材料可分为 多种类型。
要点二
详细描述
金属材料的发展可以追溯到古代的铜器时代，当时人们开 始使用铜制工具和武器。随着冶金技术的不断发展，钢铁 逐渐取代铜成为主要的金属材料。如今，随着科技的不断 进步，新型金属材料如钛合金、镍基合金等不断涌现，这 些材料具有更高的强度、耐腐蚀性和轻量化等特点，为工 程领域的发展提供了更多可能性。
装配和调试
通过喷涂、电镀、化学镀等工艺对金属表 面进行处理，以提高其耐腐蚀、美观和功 能性。
将加工好的金属零件组装成完整的机械或 设备，并进行调试和性能测试。
金属材料的热处理
退火
将金属材料加热至适当温度，保温一段 时间后缓慢冷却，以消除内应力和提高
塑性。
淬火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却至室温，以获得高
硬度和耐磨性。
正火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却，以提高其硬度和 强度。
回火
将淬火后的金属材料加热至适当温度 ，保温一段时间后缓慢冷却，以稳定 其组织和性能。
04 金属材料的腐蚀与防护
金属腐蚀的类型与机理
均匀腐蚀
金属表面均匀地发生腐蚀，导致 整体性能下降。
局部腐蚀
金属表面某些区域受ห้องสมุดไป่ตู้集中腐蚀 ，如点蚀、缝隙腐蚀等。
目录
CONTENTS
• 金属材料概述 • 金属材料的性能 • 金属材料的制备与加工 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的应用 • 金属材料的发展趋势与展望
01 金属材料概述
金属材料的定义与分类
总结词
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的工程材料。根据成分和用途，金属材料可分为 多种类型。
要点二
详细描述
金属材料的发展可以追溯到古代的铜器时代，当时人们开 始使用铜制工具和武器。随着冶金技术的不断发展，钢铁 逐渐取代铜成为主要的金属材料。如今，随着科技的不断 进步，新型金属材料如钛合金、镍基合金等不断涌现，这 些材料具有更高的强度、耐腐蚀性和轻量化等特点，为工 程领域的发展提供了更多可能性。
装配和调试
通过喷涂、电镀、化学镀等工艺对金属表 面进行处理，以提高其耐腐蚀、美观和功 能性。
将加工好的金属零件组装成完整的机械或 设备，并进行调试和性能测试。
金属材料的热处理
退火
将金属材料加热至适当温度，保温一段 时间后缓慢冷却，以消除内应力和提高
塑性。
淬火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却至室温，以获得高
硬度和耐磨性。
正火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却，以提高其硬度和 强度。
回火
将淬火后的金属材料加热至适当温度 ，保温一段时间后缓慢冷却，以稳定 其组织和性能。
04 金属材料的腐蚀与防护
金属腐蚀的类型与机理
均匀腐蚀
金属表面均匀地发生腐蚀，导致 整体性能下降。
局部腐蚀
金属表面某些区域受ห้องสมุดไป่ตู้集中腐蚀 ，如点蚀、缝隙腐蚀等。
第一章 金属材料的力学性能优秀课件
2）强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性 变形和破坏的能力。
a.屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明
F(σ)
b
es k
p
Fb
FeFs
显塑性变形的抗力。
屈服现象：S点 屈服点是指在外力作用下开 始产生明显塑性变形的最小
Fp
应力，用σS表示。
o
Δl
σS =FS/S0 (N/mm2 =Mpa)
低碳钢的力-伸长曲线 (ε)
3）塑性: 是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而不被破坏的能力。
(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩 量Δ S与原始横截面积S0之比。
(2)断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原始标距L 0之比。
说明：
①直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5>
②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变 形。
③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
第二 硬 度
硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力， 是衡量金属软硬的指标，直接影响金属的耐磨性。 常压入法； 三种：布氏、洛氏、维氏硬度
头还硬的材料。 适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。 另外：材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于灰铸铁： b(MPa)≈1HB
或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
(2)洛氏硬度 HR 测量步骤：洛氏硬度HR是将标准压头用规定 压力压入被测材料表面，根据压痕深度h来确 定硬度值。值越小，材料越硬。
第一章 金属材料的力学性能
韧脆转变温度TK：材料由韧性状态向脆性状态转变的温度。
第四节 断裂韧度
断裂韧度KIC：金属材料抵抗裂纹扩展的能力
应力场强度因子 KI Y
当 KI KIC 时，材料中裂纹就会失稳扩展，导致材料断裂。
第五节 疲劳强度
疲劳：机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象。 交变载荷（循环载荷）：应力大小和方向随时间作周期性变化
疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的能力。 疲劳极限 1 ：指定循环基数（≥ 10 ）7 下的最大应力值
火星探测器
二、课程内容：
钢铁材料（黑色金属）
金属材料 非铁材料（有色金属）
机械工程材料 非金属材料 高分子材料 陶瓷材料
材料性能
复合材料 组织
成分 热处理
第一章 金属材料的力学性能
学习目的
➢ 初步掌握金属材料的力学性能指标和物理意义 ➢ 初步掌握力学性能测试方法 ➢ 会正确应用力学性能指标
金属材料的性能
500HBW5／750
布氏硬度 优点：因压痕面积较大，能反映出较大 范围内被测金属的平均硬度，故试验结果 较精确。 缺点：因压痕较大，所以不宜测试成品 或薄片金属的硬度。
二、洛氏硬度
试验原理：以顶角为120°的金 刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜ 的淬火钢球作压头，以规定的试 验力使其压入试样表面。根据试 样表面压痕深度，确定被测金属 材料的洛氏硬度值。
lo
试样的原始标距长度
2. 断面收缩率
A0 A110% 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA0
A1
试样断裂处的最小横截面积
A0
试样的原始横截面积
第二节 硬度
硬度：指材料抵抗局部变形的能力 是衡量材料软硬程度的指标
硬度测定方法：静试验力压入法
第四节 断裂韧度
断裂韧度KIC：金属材料抵抗裂纹扩展的能力
应力场强度因子 KI Y
当 KI KIC 时，材料中裂纹就会失稳扩展，导致材料断裂。
第五节 疲劳强度
疲劳：机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象。 交变载荷（循环载荷）：应力大小和方向随时间作周期性变化
疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的能力。 疲劳极限 1 ：指定循环基数（≥ 10 ）7 下的最大应力值
火星探测器
二、课程内容：
钢铁材料（黑色金属）
金属材料 非铁材料（有色金属）
机械工程材料 非金属材料 高分子材料 陶瓷材料
材料性能
复合材料 组织
成分 热处理
第一章 金属材料的力学性能
学习目的
➢ 初步掌握金属材料的力学性能指标和物理意义 ➢ 初步掌握力学性能测试方法 ➢ 会正确应用力学性能指标
金属材料的性能
500HBW5／750
布氏硬度 优点：因压痕面积较大，能反映出较大 范围内被测金属的平均硬度，故试验结果 较精确。 缺点：因压痕较大，所以不宜测试成品 或薄片金属的硬度。
二、洛氏硬度
试验原理：以顶角为120°的金 刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜ 的淬火钢球作压头，以规定的试 验力使其压入试样表面。根据试 样表面压痕深度，确定被测金属 材料的洛氏硬度值。
lo
试样的原始标距长度
2. 断面收缩率
A0 A110% 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA0
A1
试样断裂处的最小横截面积
A0
试样的原始横截面积
第二节 硬度
硬度：指材料抵抗局部变形的能力 是衡量材料软硬程度的指标
硬度测定方法：静试验力压入法
金属材料及热处理第二版第一章金属材料的性能
第一章
金属材料的性能
第一节 金属材料的物理、化学性能 第二节 金属材料的力学性能 第三节 金属材料的工艺性能
第一节
3 第一章 金属材料的性能
导电性是金属材料的一种物理特性，几乎所有 的金属材料都具有导电性，但不同金属材料的导电 性是不同的。在电力输送工程中，为了减少电能在 传输中的损耗，往往需选择导电性较好的金属材料 作为传输电缆的制造材料。铜具有优越的导电性， 且化学稳定性良好，因此是传输电缆最常用的制造 材料，如图所示。
钢的可焊性主要取决于它的含碳量，含碳量越低，可焊性越好，所以 低碳钢一般都具有良好的可焊性。而铸铁的可焊性很差，一般不进行焊接 加工。
第三节
30 第一章 金属材料的性能
一、切削加工性
金属材料使用某种切削方法以获得优良工件的性能，称为切削加工性。 它也是指金属材料经过切削加工而成为符合要求的工件的难易程度。生产 中常见的切削加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等。
31 第一章 金属材料的性能
二、铸造性
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、 清整处理后，得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程（见图）。
熔丝
焊接电极
8 第一章 金属材料的性能
3. 导热性
金属材料能传导热的性能称为导热性。一般情况下，金属材料的导热 性比非金属好。
金属材料导热性的好坏，取决于它的热导率（导热系数）λ［W/ （m·K）］。热导率越大，导热性就越好。金属的导热性以银为最好，铜、 铝次之。常用金属的热导率见上表。
导热性好的金属材料具有好的散热性，可用来制造散热器、热交换器 等。
9 第一章 金属材料的性能
4. 导电性
金属材料能够传导电流的性能称为导电性。金属材料是良好的导电体， 但各种金属材料的导电性也各不相同。
金属材料的性能
第一节 金属材料的物理、化学性能 第二节 金属材料的力学性能 第三节 金属材料的工艺性能
第一节
3 第一章 金属材料的性能
导电性是金属材料的一种物理特性，几乎所有 的金属材料都具有导电性，但不同金属材料的导电 性是不同的。在电力输送工程中，为了减少电能在 传输中的损耗，往往需选择导电性较好的金属材料 作为传输电缆的制造材料。铜具有优越的导电性， 且化学稳定性良好，因此是传输电缆最常用的制造 材料，如图所示。
钢的可焊性主要取决于它的含碳量，含碳量越低，可焊性越好，所以 低碳钢一般都具有良好的可焊性。而铸铁的可焊性很差，一般不进行焊接 加工。
第三节
30 第一章 金属材料的性能
一、切削加工性
金属材料使用某种切削方法以获得优良工件的性能，称为切削加工性。 它也是指金属材料经过切削加工而成为符合要求的工件的难易程度。生产 中常见的切削加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等。
31 第一章 金属材料的性能
二、铸造性
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、 清整处理后，得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程（见图）。
熔丝
焊接电极
8 第一章 金属材料的性能
3. 导热性
金属材料能传导热的性能称为导热性。一般情况下，金属材料的导热 性比非金属好。
金属材料导热性的好坏，取决于它的热导率（导热系数）λ［W/ （m·K）］。热导率越大，导热性就越好。金属的导热性以银为最好，铜、 铝次之。常用金属的热导率见上表。
导热性好的金属材料具有好的散热性，可用来制造散热器、热交换器 等。
9 第一章 金属材料的性能
4. 导电性
金属材料能够传导电流的性能称为导电性。金属材料是良好的导电体， 但各种金属材料的导电性也各不相同。
第1章-金属材料的力学性能
龙芯
联想计算机
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航
工业。
飞机发动机叶片
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
波音客机
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列， 称作现代文明的三大支柱之一。
前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入
太空，令美国人震惊不已，认识到在导
短试样 ( l0 = 5d0)
（3）试样材料
2020年4月29日星期三
➢退火低碳钢 ➢铸铁
1.1.1 拉伸试验 ——（4）拉伸曲线
图1-4 低碳钢的F-ΔL曲线 2020年4月29日星期三 韧性断口
图1-5 铸铁拉伸曲线 脆性断口
1.1.1 拉伸试验
➢低碳钢拉伸过程中的变形阶段
弹性变形阶段——（op、pe段） 屈服阶段—— （es段） 强化阶段——（sb段） 缩颈阶段——（bk段）
压痕直径 d/㎜
3.96 3.98 4.00 4.02 4.04 4.06 4.08 4.10 4.12 4.14 4.16 4.18 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 4.30 4.32 4.34 4.36 4.38 4.40 4.42 4.44 4.46 4.48 4.50 4.52 4.54 4.56 4.58 4.60 4.62 4.64 4.66 4.68 4.70 4.72
2.58
564
2.60
555
2.62
547
2.64
538
2.66
530
2.68
522
2.70
514
2.72
507
2.74
499
第一章金属材料力学性能
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
屈服强度 σs or σ0.2
弹性极限 σe
抗拉强度 σb
刚度 E
塑性 δ,ψ
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
第二节 硬度
硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标，是材料抵抗 局部塑性变形的能力，或者说抵抗硬物压入的能力。
重要零件或零件的重要部位大多规定硬度值： （1）硬度测量简便迅速，不需做试样,不需破坏试件； （2）多数金属材料抗拉强度可根据硬度值进行估算； （3）硬度与材料的加工性能存在一定的联系。
4．阶段IV 局部集中塑 性变形出现 颈缩 → 断 裂
机械工程材料
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
2、低碳钢应力——应变曲线
σ=F/A0 ε=ΔL/ L0 ΔL=Lk －L0
低碳钢拉伸曲线
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
低碳钢应力——应变曲线
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
二、刚度和弹性
（极）微量塑性变形零件设计与选材的 重要依据。
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
三、材料的强度
1、屈服点σs
强度——是指在外力作用下，材料抵抗永久变 形和断裂的能力。
屈服点（屈服强度）： σs= Fs/A0
物理意义——材料在外力作用下开始产生明显 塑性变形的最小应力，即材料抵抗微量塑性变 形的能力。
第一章金属材料力学性能
机械工程材料
布氏硬度的表示方法
标准写法：布氏硬度值 ，布氏硬度符号，测 试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用 时间s）。如：200HBS 2.5/187.5/30
简单写法：200HBS 淬火钢球压头HBS—最大有效测量值为450HBS 硬质合金压头HBW—最大有效测量值为650HBW