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1.4 金属材料的性能


1.4 金属材料的性能

1.4 金属材料的性能
Performance of Metal Material
? 金属材料的力学性能 ? 金属材料的其他性能

1.4.1 金属材料的力学性能
(1)定义 : ) 力学性能是指材料在力的作用 下抵抗变形和开裂的性能。 下抵抗变形和开裂的性能。 (2)指标 : ) 强度、 弹性 、 塑性 、 韧性 、 强度、 硬度和疲劳强度等。 硬度和疲劳强度等。

(3)拉伸试验 )

拉伸试样 拉伸试验机

拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象

(4)拉伸图 )
b e s

——弹性 elasticity ):金属材料受外力作 弹性( 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 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。 到原来形状及尺寸的性能。 ——弹性变形 elastic deformation ): 弹性变形( 弹性变形 随载荷撤除而消失的变形。 随载荷撤除而消失的变形。 ——弹性极限 elastic limit ): 弹性极限( 弹性极限 Fe 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) σe = ( M pa ) 2 S0 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm )

——强度 强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗 强度 变形和破坏的能力。 变形和破坏的能力。 种类: 抗拉强度、 抗压强度、 种类 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 抗扭强度等。 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。 屈服强度( yield strength): 屈服点 S 屈服强度

Fs σs = S0

试样屈服时的载荷( 试样屈服时的载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积 试样原始横截面积( mm ) 原始横截面积
2

条件屈服强度( 塑性变形量为0.2%) 条件屈服强度 塑性变形量为

F0.2 σ0.2 = S0

试样产生0.2%残余塑性变 残余塑性变 试样产生 形时的载荷(N) ( M pa ) 形时的载荷 2 试样原始横截面( 试样原始横截面 mm )

抗拉强度( tensile strength ): 抗拉强度 试样在断裂前所能承受的最大应力。 试样在断裂前所能承受的最大应力。

Fb σb = S0

试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M pa ) 2 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm )

——塑性 塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下 塑性 是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。 产生塑性变形而不被破坏的能力。 断面收缩率(percentage reduction in 断面收缩率 area): 是指试样拉断处横截面积 k 是指试样拉断处横截面积S 的收缩量与原始横截面积S 之比。 的收缩量与原始横截面积 0之比。

S0 - S k ψ= S0 × 100%

伸长率(延伸率 伸长率 延伸率) specific elongation: 延伸率 是指试样拉断后的标距伸长量L 是指试样拉断后的标距伸长量 k与 原始标距L 之比。 原始标距 0之比。

L k– L 0 δ = L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科 δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料 δ > 10% 属塑性材料

× 100%

——硬度 hardness ):是指材料抵抗其他 硬度( 硬度 是指材料抵抗其他 硬物体压入其表面的能力。 硬物体压入其表面的能力。 布氏硬度HB 布氏硬度 洛氏硬度HR 洛氏硬度 维氏硬度HV 维氏硬度 肖氏硬度HS 肖氏硬度 锉刀法

常用测量硬度的方法

布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )

布氏硬度计

布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
适用范围: 适用范围 <450HBS; <650HBW;

布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 或 之前的数字表示硬度值, 符号 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、 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。 及载荷保持时间。 表示直径为 如:120HBS10/1000/30表示直径为 表示直径为10mm的钢 的钢 作用下保持 球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持 测得 ( )载荷作用下保持30s测得 布氏硬度值为120。 的布氏硬度值为 。

洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计

h1-h0

维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )

适用范围: 适用范围 测量薄板类 ; HV≈HBS ;

肖氏硬度 HS (drop hardness )
2.5g

254mm
h

工 件

锉刀法: 锉刀法
一组硬度差为5HRC的锉刀。例如: 的锉刀。例如 一组硬度差为 的锉刀 10HRC、15HRC、20HRC等。 、 、 等

冲击韧性( 冲击韧性 notch toughness ):
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的 能力。 能力。

冲击试验机

冲击试样和冲击试验示意图

试样冲断时所消耗的冲击功 试样冲断时所消耗的冲击功A k为: 冲击功 A k = m g H – m g h (J) 冲击韧性值a 冲击韧性值 k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。 截面积上所消耗的冲击功。 AK

a k=
S0

(J/cm?)

——疲劳强度 fatigue strength ): 疲劳强度( 疲劳强度
表示材料经无数次交变载荷作用 而不致引起断裂的最大应力值。 而不致引起断裂的最大应力值。

钢材的循环次数一般取 钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 有色金属的循环次数一般取 N = 10
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系 疲劳强度 之间的关系 σ-1 = (0.45~0.55) b (0.45~0.55)σ

7

1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国

——比强度 ( specific strength ): 比强度 材料的强度值与密度值之比。 材料的强度值与密度值之比。 名称 密度 (g / cm3) 2.7 纯铝 纯铁 纯钛 7.87 4.5 强度 ( Mpa ) 80~100 ~ 180~280 ~ 405~500 ~ 比强度 30~37 ~ 23~36 ~ 90~111 ~

1.4.2 金属材料的其他性能
? 物理性能(声、光、电、磁、热等) 热等) ? 化学性能(耐蚀、抗高温氧化性等) 耐蚀、抗高温氧化性等) ? 工艺性能(铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加 铸造性能、锻造性能、焊接性能、
工性能、热处理性能) 工性能、热处理性能)

? 工艺性能对金属材料零件的制造工艺过程与方法有着

重要的影响,直接关系到零件加工后的质量,是选材 和制定零件加工工艺路线的重要依据。

铸造性能(金属材料铸造成型获得优良铸件的能力(合金铸造时的工
艺性能)即~)

? ——流动性(熔融金属的流动能力) 流动性好的金属容易充满铸型,从而获得外形完 整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。且有利于气体和夹 杂物在凝固中向液面上浮和排除,有利于补缩,有效 减少冷隔、浇不足、气孔、夹渣和缩孔等缺陷。 影响因素:化学成分、浇铸温度和铸型填充条件 等。 ? ——收缩性(凝固和冷却中,体积和尺寸减少

的现象)

铸件收缩不仅影响尺寸,还可能产生缩孔、疏松, 内应力、变形和开裂等缺陷。

铸造性能
? S、P、O、N、H 降低钢的抗裂性; ? 适量的Si、Mn 提高抗裂性; ? 对钢进行微合金化和变质处理,可大大提高铸钢件的抗裂强度

(V、Ti、Nb、Zr,铈(Ce) 、Ca、B等),特别是Re元素。 ? 碳、铬、镍等提高强度、但降低导热系数,增大钢的冷裂倾向。

? ——偏析(金属凝固后,铸件化学成分和组织

的不均匀现象)
如果铸件各部分的力学性能有很大差异、则降低铸件的质 量和性能。

锻造性能(金属材料用锻压加工方法成形的适应性能) )
? 锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗

力。塑性越好,变形抗力越小,则锻造性能越 好。
如:铜合金、铝合金室温下就有良好的锻造性能; 碳钢在加热状态下锻造性能较好(以低碳钢优、中碳钢次之, 高碳钢较差);低合金钢的锻造性接近于中碳钢,高合金钢的较 差。

?

铸铁的锻造性能差,不能锻造!

焊接性能(金属材料对焊接加工的适应性,即在一定焊接工艺条件下,
获得优质焊接接头的难易程度) ) ? 低碳钢的焊接性最好,在各种焊接方法下均可获得优良的焊接接

头; ? 中高碳随含碳量的增加,焊接性变差。通常要采取焊前预热和焊 后热处理的措施。对于厚板或更高含碳量的构件,焊前需在 150~200℃或250~400℃之间预热。 ? A不锈钢有良好的焊接性,但如果焊接材料选用不当或焊接工艺 不正确,会产生晶间腐蚀、热裂纹和气泡等缺陷。 ? F不锈钢焊接时,易在热影响区产生裂纹,为此应采取焊前预热, 用焊后加热到730~840℃,空冷,消除残余应力,避免开裂。 Note:加热、冷却要尽量避开430℃~480℃温区,抑制475℃ 脆性。 475℃脆性:由于σ相析出,使接头塑性、韧性降低而脆化。 且增大冷裂倾向。可通过焊后热处理消除。

焊接性能
? 铜合金、铝合金、钛合金的焊接性能较差,应注意焊接工艺方法

和采取相应的工艺措施。

切削加工性能(在切削加工时的难易程度) 切削加工性能(在切削加工时的难易程度)
? 铜、铝合金,易切削; ? 碳钢比合金钢易切削; ? 不锈钢、耐热合金的切削难度增大,刀具磨损加剧。 ? 材料硬度、化学成分、热处理对切削加工性能有直接

影响。

热处理工艺性能(反映金材热处理的难易程度和产生热处理
缺陷的倾向) 缺陷的倾向

? 主要包括淬透性、回火稳定性、回火脆性、氧化脱碳

倾向和淬火变形开裂倾向等。


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