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金属材料的分类与性能


金属材料的力学性能
组长∶徐康 小组成员∶蒋亮亮,杨春,张文豪,朱雷, 朱小杰,周自意,张严,张锟鋮, 周文胜。

日期∶2012.3.26

工程材料的分类及用途

工程材料的种类:
1.金属材料

?

钢铁材料: 铁和以铁为基的合金; 非铁材料:钢铁材料

以外的金属及 其合金。

2.无机非金属材料 3.有机高分子材料

4.复合材料

常用金属材料 ①常用碳钢的分类: 按钢的C含量分

?

低碳钢 中碳钢

C% ≤ 0.25%C

0.25<C % <0.6%

P%≤0.045% 按钢的S、P含量分

?

高碳钢

C% ≥0.6%C

普通碳素钢:S%≤0.055%,

优质碳素钢:S、 P%均≤0.04% 高级优质碳素钢: S%≤0.03%, P%≤0.035% 结构钢

按主要用途分

?

工具钢 特殊性能钢 专业用钢

金属材料的力学性能
?

定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料 在不同环境(温度、介质)下,承受各种 外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲 击、交变应力等)时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、 冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。

?

金属材料的力学性能 表3.1 常用金属材料的力学性能指标

性能指标 力学性能 符号 σb 强 度 σs δ 塑 性 ψ HB 硬 度 HR HC 韧 性 αk σ-1 断面收缩率 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 冲击韧性 对称循环强度 J/cm2 MPa 屈服点 断后伸长率 % 名称 抗拉强度 MPa(N/mm2) 单位

疲劳强度

金属材料的力学性能
强度 材料在外力作用,抵抗塑性变形和断裂的能力。

工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等;
金属材料的强度是通过拉伸实验测定出来的

一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样 GB6397-86规定《金属拉伸试样》有: 圆形、矩形、异型及全截面. 常用标准圆截面试样。 长试样:L0=10d0;短试样:L0=5d0

金属材料的力学性能
2.拉伸过程

金属材料的力学性能
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象

拉伸试验机

金属材料的力学性能 F
b e p s k

Fb Fe Fs

Fp
o
Δl Δl

g
b

u

f

op段:比例弹性变形阶段; pe段:非比例弹性变形阶段; 平台或锯齿(s段):屈服阶段; sb段:均匀塑性变形阶段,是强化阶段。 b点:形成了“缩颈”。 bk段:非均匀变形阶段,承载下降,到 k点断裂。 Δl 断裂总伸长为Of,其中塑形变形Og(试

样断后测得的伸长),弹性伸长gf。

Δl

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屈服点与屈服强度 当载荷增大到Fs时,拉伸曲线呈直线状,即试 样所承受的载荷几乎不变,但产生了较为明显 的塑形变形,材料的这种现象称为屈服现象

Fs

s

屈服强度是指在外力作用下开始产生明 显塑形变形的应力,用σs表示。
Fs σ s = A0
(MPa)

Fs——试样产生塑形变形时的载荷,即拉伸曲线中s点所对应的外力(N)
A0——试样的原始横截面积(mm2)

金属材料的力学性能
抗拉强度

Fb

b s

抗拉强度是指金属材料断裂前所承受的最 大应力,又称强度极限,常用σb表示。
Fb σb= A0

σe σs σb
(MPa)

Fs——试样被拉断前所承受的最大外力,即拉伸曲线中b点所对应的外力(N) A0——试样的原始横截面积(mm2) 屈服强度和抗拉强度,在选择金属材料和机械设计时有重要意义,金属材料 必须在小于其σs的条件下工作,否则会引起零件的塑形变形;金属材料也不 能在超过其σb的条件工作,否则会导致零件的毁坏。

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塑形 :材料在载荷作用下,产生塑形变形而不被破坏的能力。 1.断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后,标距的伸长量与原标距长度的百 分比,用符号δ表示。 L0—试样的原始标距(mm) L1-L0 δ= L0 L1—试样拉断后的标距(mm) 2.断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与 原始横截面积的百分比,用符号ψ表示。 ψ= S1-S0 S0 S0—试样的原始横截面积(mm2)

S1—试样拉断后的横截面积(mm2)
δ < 2 ~ 5% δ ≈ 5 ~ 10% δ > 10% 属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料

塑性指标不直接用于计算,但任何 零件都需要一定塑性。防止过载断 裂;塑性变形可以缓解应力集中、 削减应力峰值。

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硬度

硬度是指材料抵抗局部变形,特别是塑形变形、压痕或划痕的 能力,是衡量材料软硬的判据。
材料的硬度越高,则耐磨性越好,故将硬度值作为衡量材料耐 磨性的重要指标之一 硬度 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV

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1.布氏硬度 (1) 试验原理 用直径为D的淬火钢球或硬质合金球,以相 应的实验力P压入试样表面,保持规定的实 验时间后卸载实验力,在试样表面留下球形 压痕,布氏硬度值用球面压痕单位面积上所 承受的平均压力来表示。用淬火钢球做压头 时,布氏硬度符号用HBS表示;用硬质合金 球做压头时,布氏硬度用符号HBW表示。

式中:HBS(HBW) ——淬火钢球(硬质合金球)试验的布氏硬度值 F —— 试验力(N); d —— 压痕平均直径(mm); D —— 淬火钢球(硬质合金球)直径(mm)。 布氏硬度的单位为N/mm2,但习惯上只写明硬度值而不标出单位

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(2)硬度表示方法及应用 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数 字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球1000kgf (9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为 120。 布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均 匀材料(如铸铁)的硬度。 淬火钢球用于测定HBS<450的金属材料,如灰铸铁 、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材。硬质 合金钢球用于测定HBW<650的金属材料。 布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系: σb=K· HBS(或HBW) (低碳钢K=0.36,合金调质钢K=0.325;灰铸铁K=0.1)

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2.洛氏硬度

(1)实验原理
用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径 1.588mm的淬火钢球,以相应试验力压 入待测表面,保持规定时间卸载后卸除 主试验力,以测量的残余压痕深度增量 来计算出硬度值。 洛 氏 硬 度 计

c-h HR= 0.002 获得的洛氏硬度HR为无量纲 数值,试验时由试验机指示器 上直接读出。

金属材料的力学性能
(2)洛氏硬度试验规范
标度 符号 HRA 压头 总载荷kg 表盘上刻 度颜色 黑色 有效范围 应用举例 碳化物、硬质合金、表 面硬化工件 软钢、退火钢、铜合金 等 淬火钢、调质钢等

金刚石圆锥 1.588mm钢 球 金刚石圆锥

60

70~85

HRB
HRC

100
150

红色
黑色

25~100
20~67

(3)洛氏硬度的特点 操作简单、效率高,数值可直接从指示器上读出。 压痕小,可直接测量成品或较薄工件的硬度。 HRC和HRA采用金刚石压头,可测量高硬度薄层和深层材料。 中等硬度情况下,10HRC≈1HBS。

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3.维氏硬度 维氏硬度实验原理与布氏硬度相同,同 样是根据压痕单位面积上的平均载荷计 量硬度值,不同的是维氏硬度的压头采 用金刚石制成的锥面夹角为136°的正 四棱锥体。

试验时,根据试样大小、厚薄选用 (5~120)×9.8N载荷压入试样表 面,保持一定时间后去除载荷,用 附在试验机上测量压痕对角线长度 d,然后查表或根据下式计算维氏 硬度值。 F ? 1.8544 ? 0.102 ? F HV ?
A d2

HV≈HBS 适用于测量表面强化处理的机械 零件和很薄的产品。

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韧性

材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。 韧性的重用指标为冲击韧度。
冲击韧度通常采用摆锤冲击试验 机测定。

金属材料的力学性能

试样冲断时所消耗的冲击功A k为: A k = m g H – m g h (J)
?k ?
Ak ( J / cm 2 ) A

冲击韧度ak

就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。 A— 试样缺口处的横截面积(cm2)

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疲劳极限 零件在循环应力的作用,即使工作时承受的应力低于材料的 屈服点或规定残余伸长应力,在经受一定的应力循环后也会 发生突然断裂,这种现象称为疲劳。

?

当应力下降到某值 后,疲劳曲线成为 水平线,这表示该 材料可经受无数次 应力循环而不发生 疲劳断裂,这个应 力值称为疲劳极限 或疲劳强度。即:

?1 ?2 ?n ?-1

钢材 N=107 有色金属 N=108 σ-1 = (0.45~0.55)σ b

N1 N2 Nn

Nc

N

疲劳强度(σ-1)是指金属材料在无数次循环载荷作用下不至于 引起断裂的最大应力。

1.2 金属材料的物理和化学性能
1.物理性能 材料固有的一些属性称为物理性能 轻金属 < 5×103 kg/m3 密度 单位体积的质量 kg/m3。 重金属 > 5×103 kg/m3 熔点 金属由固态转变为液态的温度。 导电性 传动电流的能力。Ag>Cu>Al 导热性 传动热量的能力。Ag>Cu>Al

易熔金属 <700℃
难熔金属 >700℃

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2.化学性能

金属与周围介质接触时,抵抗发生化学或电化学反应的性能。
耐腐蚀性能 金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力。 抗氧化性 金属材料在高温下,抵抗产生氧化皮的能力

钢的热处理常识
一、钢的热处理原理
1.概述 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却 以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 根据热处理的目的和工艺方法的不同,热处理可分为:

热处理 方法虽然很 多,但任何 一种热处理 工艺都是由 加热、保温、 和冷却三个 阶段所组成 的。热处理 工艺过程可 用在温度一 时间坐标系 中的曲线图 表示,这种 曲线称为热 处理工艺曲 线,见图2-5。

2.钢在加热时的转变 在热处理工艺中,钢的加热目的是为了获得奥氏体,奥氏体是钢在 高温状态时的组织,其强度及硬度高,塑性良好,晶粒的大小、成分及 其均匀化程度,对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此,钢在加热 时,为了得到细小均匀的奥氏体晶粒,必须严格控制加热温度和保温时 间,以求在冷却后获得高性能的组织。 3.钢在冷却时的转变 冷却是热处理的关键工序,成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后, 以不同的速度冷却时,将获得不同的力学性能,见表2-1。

二、退火与正火
1.退火 退火是将钢加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却 (一般随炉冷却)的热处理工艺。 2.正火 正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温, 使其完全奥氏体化,在空气中冷却的热处理工艺。

三、淬火与回火
1.淬火

淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上,保温 一定时间,以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺。
2.回火

钢的回火是指将淬火后的钢,在组织转变为奥氏体的临界温度 以下加热,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。

四、表面热处理
常用的表面热处理方法有表面淬 火及化学热处理两种。 1.表面淬火 (1)火焰加热表面淬火 (如 图2-8所示) (2)感应加热表面淬火 (如 图2-9所示)

2.化学热处理 化学热处理是指将钢件放入一定 温度的活性介质中保温,使一种或几 种元素渗入它的表层,以改变其表层 化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理种类很多,最常用的 是渗碳和渗氮。

(1)钢的渗碳 将工件置于渗碳 介质中加热并保温,使碳原子渗入工 件表层的化学热处理工艺,如图2-10 所示。 (2)钢的渗氮 是指在一定温度 下,使活性氮原子渗入工件表面的化 学热处理工艺。


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