机械工程材料及成型基础第1章金属的性能.ppt

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第一第一章章金属的性能金属的性能与结构与结构1.1金属的性能金属的性能nn前言：

前言：

金属材料是现代机械制造业中最常用的材料。

在各种交通运输机械、矿山机械、石油化工机械、冶金设备、动力设备中，金属制品大约占90。

金属材料之所以获得如此广泛的应用，主要是因为它具有制造机械零部件所需的物理、化学和力学性能，而且还可用较为简便的加工工艺制成机械零件，即具有良好的工艺性能。

1.1.1金属的使用性能金属的使用性能nn11物理性能物理性能物理性能物理性能nn金属及合金的物理性能主要有密度、热膨胀性、导电性、磁性、金属及合金的物理性能主要有密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热性、熔点和金属光泽等。

导热性、熔点和金属光泽等。

金属具有高的导热性。

金属中的正离子不停地在自己的平衡位置金属具有高的导热性。

金属中的正离子不停地在自己的平衡位置上迸行热振动是热传递的一种形式，自由电子的自由运动是热能传递上迸行热振动是热传递的一种形式，自由电子的自由运动是热能传递的另一种重要形式，这两种热传递形式的叠加是金属具有高导热性的的另一种重要形式，这两种热传递形式的叠加是金属具有高导热性的原因。

原因。

金属具有高的导电性。

金属中的自由电子在不停地迸行运动，那金属具有高的导电性。

金属中的自由电子在不停地迸行运动，那么，在微弱的电场的作用下，金属中的自由电子便可作定向的加速运么，在微弱的电场的作用下，金属中的自由电子便可作定向的加速运动，形成电流，这就是金属具有良好的导电性的原因。

动，形成电流，这就是金属具有良好的导电性的原因。

金属的可锻性。

所谓金属的可锻性就是指金属在外力作用下，能金属的可锻性。

所谓金属的可锻性就是指金属在外力作用下，能够发生塑性变形的能力，也就是在外力的作用下，金属晶体中各层原够发生塑性变形的能力，也就是在外力的作用下，金属晶体中各层原子间发生相对位移的能力。

由于金属是在正离子和自由电子的电力作子间发生相对位移的能力。

由于金属是在正离子和自由电子的电力作用下结合在一起的，因而，当受到外力作用发生塑性变形时，金属仍用下结合在一起的，因而，当受到外力作用发生塑性变形时，金属仍能保持金属键的结合力使其具有产生塑性变形而不断裂的能力。

能保持金属键的结合力使其具有产生塑性变形而不断裂的能力。

金属具有金属光泽。

自由电子很容易被可见光所激发，金属具有金属光泽。

自由电子很容易被可见光所激发，在可见光的作用下，自由电子能够跃迁到较高的能量级，在可见光的作用下，自由电子能够跃迁到较高的能量级，当它们再重新回到原来的低能量级时，就把它们所吸收的当它们再重新回到原来的低能量级时，就把它们所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，这在金属的宏观可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，这在金属的宏观表面上就表现为金属光泽。

表面上就表现为金属光泽。

在不同条件下工作的机器零件要求有不同的物理性能。

在不同条件下工作的机器零件要求有不同的物理性能。

例如，航空航天、导弹、人造卫星需选用一些比强度（抗例如，航空航天、导弹、人造卫星需选用一些比强度（抗拉强度密度）较大的合金，如用铝合金、钛合金等来制造，拉强度密度）较大的合金，如用铝合金、钛合金等来制造，则会减轻结构质量、提高飞行速度，具有极大的优越性。

则会减轻结构质量、提高飞行速度，具有极大的优越性。

再如，导线就需用导电性良好的铜、铝来制作，永久性磁再如，导线就需用导电性良好的铜、铝来制作，永久性磁铁、通信器材等需用磁性金属制造。

在热加工中也应考虑铁、通信器材等需用磁性金属制造。

在热加工中也应考虑到材料的某些物理性能，如导热性差的高速钢在锻造过程到材料的某些物理性能，如导热性差的高速钢在锻造过程中应采用较低的加热速度，以免产生裂纹；又如不同熔点中应采用较低的加热速度，以免产生裂纹；又如不同熔点的合金，其热加工的工艺规范也有很大的不同。

的合金，其热加工的工艺规范也有很大的不同。

nn22化学性能化学性能化学性能化学性能这是指金属及合金在室温或高温下抵抗各种这是指金属及合金在室温或高温下抵抗各种介质化学作用的能力，如耐蚀性、耐热性等。

金介质化学作用的能力，如耐蚀性、耐热性等。

金属材料在酸、碱或海水中及潮湿大气中工作时易属材料在酸、碱或海水中及潮湿大气中工作时易受腐蚀，每年约损失受腐蚀，每年约损失1010。

因此，提高金属的耐。

因此，提高金属的耐蚀性或采用其他防腐措施对节约金属有重大意义。

蚀性或采用其他防腐措施对节约金属有重大意义。

对于化工设备、医疗器械应采用化学稳定性良好对于化工设备、医疗器械应采用化学稳定性良好的不锈钢，对于燃气涡轮叶片宜采用高温抗氧化的不锈钢，对于燃气涡轮叶片宜采用高温抗氧化能力强和具有高温强度的铬镍钢或镍基耐热合金能力强和具有高温强度的铬镍钢或镍基耐热合金等制造。

等制造。

nn33力学性能力学性能硬度、静力拉伸的一些性能（硬度、静力拉伸的一些性能（bb，ss，）、冲击韧性、抗疲劳极限都属于金属和合）、冲击韧性、抗疲劳极限都属于金属和合金的力学性能。

金的力学性能。

最广泛使用的非破坏性检验是硬度试验，最广泛使用的非破坏性检验是硬度试验，通过硬度又可换算出金属和合金的强度值。

有通过硬度又可换算出金属和合金的强度值。

有几种不同的测量硬度的方法。

几种不同的测量硬度的方法。

布氏硬度测定法是用直径为布氏硬度测定法是用直径为DD的钢球，用的钢球，用载荷载荷FF作用到被测物体上，则其硬度值作用到被测物体上，则其硬度值HBHB是是载荷载荷FF同压痕直径同压痕直径dd的面积之比（图的面积之比（图1.11.1）：

）：

式中，F-载荷（N）;D-钢球直径（mm）;d-压痕直径（mm）。

图图1.1布氏硬度的原理布氏硬度的原理一、布氏硬度的单位为MPa，但习惯上不标出单位。

在实际应用中一般不是直接计算HB，而是根据测量的d值在相关的表中直接查出布氏硬度值。

用淬火钢球作为压头测出的硬度值以HBS表小，适用于测量硬度小于450HB的材料，如结构钢、铸铁和有色金属等；用硬质合金球作为压头测出的硬度值以HBW表小，适用于测量硬度不超过650HB的材料。

布氏硬度试验的优点是测量结果准确；缺点是压痕大，不适合成品检验。

二、洛氏硬度测定法是压头（顶角是120的金刚石圆锥或直径1.59mm的钢球）在一定的载荷作用下压入试样表面，硬度值HR与压头压入深度呈反比（如图1-2所示）。

卸除载荷后，根据压痕的深度h=h1h0，确定被测材料的洛氏硬度，该值可以直接从硬度计上的显示器上读出。

图图1.2洛氏硬度的原理洛氏硬度的原理用金刚石锥体压头和总载荷为588.4N下测得的硬度值以HRA表示，适用于测量高硬度的材料，如硬质合金；用淬火钢球压头和总载荷为980.7N下测得的硬度值以HRB表示，适用于测量较软的材料，如退火钢、正火钢或有色金属等；用金刚石锥体压头和总载荷为1471N下测得的硬度值以HRC表示，适用于测量淬火钢等硬材料。

三种洛氏硬度中，以HRC应用得最多。

洛氏硬度测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测，也可测定较薄的工件或表面有较薄硬化层的硬度。

但由于压痕比较小，易受材料微区不均匀的影响，因而数据的重复性比较差。

三、维氏硬度测定法能够测定软的材料的硬度，也能测定高硬度的材料，其硬度值HV是根据金刚石压头的压痕对角线来决定的。

维氏硬度测定原理基本上与布氏硬度相同，也是根据压痕凹陷单位面积上的力为硬度值，但维氏硬度使用的是锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形（图1-3）。

测量压痕两对角线的平均长度d，计算压痕的面积Av，用HV表示维氏硬度：

式中F载荷（N）；Av压痕面积（mm2）。

维氏硬度的单位为MPa，一般不标。

图图1.3维氏硬度的原理维氏硬度的原理维氏硬度所用的载荷小，压痕深度浅，测量精确度高于布氏硬度和洛氏硬度，适用于测量较薄的材料或表面硬化层、金属镀层的硬度。

由于维氏硬度的压头是金刚石角锥，载荷可调范围大，所以维氏硬度可用于测量从软到硬的各种工程材料，测定范围01000HV。

在拉伸试验机上所进行的静力试验就能够测定材料的力学性能（如图1-4、1-5所示）。

图图1.5低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线图图1.4静拉伸试验的试样静拉伸试验的试样屈服极限（s）是试样在拉伸过程中，在载荷不增加的情况下，仍继续产生塑性变形的恒定载荷除以原横截面面积所得的应力，其表达式：

s=Fs（屈服载荷）/S0（原横截面面积）。

当拉伸曲线上不出现平台线段时，则用条件屈服极限（0.2）表示，即发生试样长度0.2%残余变形的应力。

更高的载荷导致更大的塑性变形，发生在试样断裂之前的应力称为“强度极限”b（Fb/S0）。

材料的塑性是用延伸率和断面收缩率来表示的。

延伸率=（Lk-L0）/L0*100%，式中，L0试样的原有长度；Lk断裂后的试样长度。

断面收缩率=（S0-Sk）/S0，式中，S0试样的原有横截面面积；Sk断裂后的试样横截面面积。

材料能够抵抗冲击载荷的能力称为“冲击韧性“。

冲击韧性是用一次摆锤冲击弯曲试验机来测定的，其表达式为：

冲击韧性k=Ak（冲击载荷使切口试样断裂所做的功）/S（试样切口处的截面积）（如图1-6所示）。

图图1-6V型缺口试样的冲击试验型缺口试样的冲击试验在重复或交变载荷作用下，金属中产生的损伤逐渐积累引起了裂纹的形成和断裂，这种现象称为“疲劳”。

金属抵抗疲劳的这种性能称为“抗疲劳强度”。

因为试验条件与机器零件的实际工作条件之间总是存在着很大的差异，所以对机器零件来说，较能客观地反映材料在使用过程中的安全性是结构强度。

机器零件材料在具体的使用条件下能够保证其正常工作的强度称为结构强度。

在结构强度中，首先要考虑的是可靠性，其次是寿命。

在机器零件的设计中，如何保证材料使用中在机器零件的设计中，如何保证材料使用中的可靠性，首先要考虑的是材料的脆性起点温度，的可靠性，首先要考虑的是材料的脆性起点温度，因为冷脆性起点温度是象征材料在一定的低温条因为冷脆性起点温度是象征材料在一定的低温条件下要发生脆性断裂的倾向性，这样，在冷脆性件下要发生脆性断裂的倾向性，这样，在冷脆性起点温度与使用的工作温度之间必须留有较大的起点温度与使用的工作温度之间必须留有较大的韧性储备温度范围，这才能降低材料脆性断裂的韧性储备温度范围，这才能降低材料脆性断裂的倾向性，并降低材料对应力集中的敏感性。

韧性倾向性，并降低材料对应力集中的敏感性。

韧性温度储备愈大，则脆性断裂的危险性就会愈小。

温度储备愈大，则脆性断裂的危险性就会愈小。

表示脆性断裂倾向的冲击韧性是表示材料中裂纹表示脆性断裂倾向的冲击韧性是表示材料中裂纹的形成和裂纹的扩展所作功的总和，这种功愈大，的形成和裂纹的扩展所作功的总和，这种功愈大，则机器零件产生脆性断裂的倾向性就会愈小。

则机器零件产生脆性断裂的倾向性就会愈小。

在机器零件的工作寿命中，首先暴露出来的在机器零件的工作寿命中，首先暴露出来的是疲劳强度，这里应该指出的是，零件表面加工是疲劳强度，这里应该指出的是，零件表面加工的愈好，则抗疲劳极限就会愈高，除此之外，进的愈好，则抗疲劳极限就会愈高，除此之外，进行化学热处理，和能够使表面形成压应力的其它行化学热处理，和能够使表面形成压应力的其它强化处理都能提高抗疲劳极限，并降低对应力集强化处理都能提高抗疲劳极限，并降低对应力集中源的敏感性。

在很多情况下，是由于零件接触中源的敏感性。

在很多情况下，是由于零件接触面之间在相对运动时产生的摩擦引起的零件磨损面之间在相对运动时产生的摩擦引起的零件磨损而限制了机器零件的寿命。

有各种各样的磨损，而限制了机器零件的寿命。

有各种各样的磨损，如机械磨损，腐蚀机械磨损，侵蚀磨损和疲劳磨如机械磨损，腐蚀机械磨损，侵蚀磨损和疲劳磨损。

疲劳磨损也称为损。

疲劳磨损也称为“接触疲劳接触疲劳”。

齿轮，滚动。

齿轮，滚动轴承及其它一些机械零件的表面层接触疲劳强度轴承及其它一些机械零件的表面层接触疲劳强度不够，往往就要提前退役，从而降低了零件的使不够，往往就要提前退役，从而降低了零件的使用寿命。

用寿命。

1.1.2金属的工艺性能金属的