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1、机械基础第二版02 单元1 金属材料的性能机机 械械 基基 础础模块二模块二 机械零件的材料机械零件的材料单元一单元一 金属材料的性能金属材料的性能教学目标教学目标一、目标和要求（1）明确机械零件对材料和结构工艺性的要求（2）掌握金属材料的力学性能和工艺性能（3）了解金属材料的物理和化学性能二、重点和难点金属材料的力学性能指标目录01第一节 金属材料的力学性能02第二节 金属材料的工艺性能03第三节 金属材料的物理和化学性能案例导入案例导入l泰坦尼克号(Titanic)：20世纪初，由英国白星航运公司制造的一艘巨大豪华客轮。是当时世界上最大的豪华客轮，被称为是“永不沉没的”或是“梦幻客轮”。但
2、却在1912年4月15日从南安普顿至纽约的处女航中，在北大西洋撞上冰山而沉没，由于缺少足够的救生艇，1500人葬生海底，造成了迄今为止最著名的一次航海事故。在后面对这次事故的分析调查中，技术人员认为，沉船事故与船体使用的材料有很大的关系。首先当时的炼钢技术并不十分成熟，炼出的钢铁在现代的标准根本不能造船，泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多化学杂质硫化锌，加上长期浸泡在冰冷的海水中，使得钢板更加脆弱。另外，因为当时还没有焊接技术，所有的船体都是铆钉结构的制造工艺而成的，导致整体刚度增强，但是抗弹性形变的的能力下降，再加上当时正是冬季的北大西洋，温度很低导致金属变脆也有一定的关系。因此，掌握材料的性
3、能和应用，对我们起着至关重要的作用。目录0101第一节 金属材料的力学性能02第二节 金属材料的工艺性能03第三节 金属材料的物理和化学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能l金属材料在机械制造中应用最为广泛，为正确、合理地使用金属材料，必须了解金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。l金属力学性能是评定金属材料质量的主要依据，也是金属构件设计时选材和强度计算的主要依据。强度强度1.强度概念金属在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。强度与变形，有着直接的关系，变形是指在外力作用下，材料由于内部原子之间的位置发生改变，而导致的宏观形状和尺寸的变化，根据撤去外力后能否恢
4、复，变形分为弹性变形和塑性变形，材料发生弹性变形时，撤去外力后，能恢复到原来的形状和尺寸，发生塑性变形时，撤去外力后，不能恢复到原来的形状和尺寸，故塑性变形，又称为永久变形，如汽车碰撞后保险杠的变形。强度强度l强度是材料的一项重要力学性能指标，当材料承受的载荷超出其强度范围时，其结构将发生破坏，导致机器无法运转，甚至造成严重的事故，如自行车由于强度不足而断裂的现象，飞机应坠地撞击而导致机断裂。强度强度2.拉伸试验l金属材料的强度有专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验，拉伸实验是指用静拉伸力，对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和相应的伸长量，测量其力学性能的试验。材料进行拉伸时，需要使用
5、拉伸试验机和特制的试样。常用试验的结构如图，其中，d0表示原始直径，L0表示原始标距长度，d1表示断后直径，L1表示断后标距长度。（a）拉伸前（b）拉伸后强度强度2.拉伸试验l进行拉伸试验时，将试样两端分别固定在拉伸试验机上，逐步增加轴向拉力（又称拉伸力），连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据，可以绘制拉伸力和伸长量之间的关系曲线，称为拉伸曲线。 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线中，横坐标表示试样的形变量L,纵坐标表示拉伸力F强度强度2.拉伸试验 低碳钢拉伸曲线阶段曲线特征力学性能OE段：弹性变形阶段直线试样长度随着拉伸力的增大而增大，撤去外力后，试样变形消失，恢复原长ES
6、段：屈服阶段上下波动在该阶段，拉力一旦超过Fe，试样将产生塑性变形。等拉力增加到Fel时，在拉力不断增加，略有减小的情况下，试样将继续生长，这种现象称为屈服。SB段：强化阶段非线性增大需要不断的增加拉力，试样才能继续生长。随着塑性变形的增大，试样抵抗变形的内力也逐渐增大，这种现象称为形变强化。BZ段：颈缩阶段下降拉力达到最大后，试样中间某处的直径会发生局部收缩，称为“颈缩”。由于横截面积减小，拉力不断减小强度强度3.强度指标 强度的大小可由应力来表示。材料在受外力作用时，为抵抗变形，其内部组织间产生的相互作用力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用符号表示。在拉伸试验中，试样断裂前处于受力平衡
7、状态，内力与外力大小相等，此时横截面上的应力大小 =F/S式中：-横截面上的应力，单位Pa F-试样所受拉力，单位N S-试样的横截面积，单位mm2常用的应力单位为MPa，存在换算关系：1MPa=1N/ mm2 =106N/m2=106Pal对于铸铁、高碳钢等材料，它们没有明显的屈服现象，则很确定正确的Fel，此时可用试样产生0.2%永久变形时的应力，作为一种条件屈服强度。强度强度l强度指标：抗拉强度b屈服强度s 强度指标硬度硬度l硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标，也是指金属材料抵抗外部硬物压人其表面的能力。硬度越高，材料表面越不容易产生压痕或划痕。l工业中通常利用硬度试验来测定材料的硬度
8、。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测试所得的硬度，分别为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏测试法维氏测试法洛氏测试法硬度测试法硬度硬度l1.布氏硬度l布氏硬度的符号用HB表示。用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F，l在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。 硬度硬度l2.洛氏硬度l洛氏硬度的符号用HR表示。用有一定
9、顶角（例如120）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕，由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。l根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为最常用。 硬度硬度l3.维氏硬度l维氏硬度的硬度符号用HV表示，以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV），如图所示。硬度硬度l三种硬度比较：类别试验原理简图测试方法应用范围表示方法布氏硬
10、度（HB）采用直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球作为压头，以规定压力P挤压材料表面并保持规定的时间，测量圆形压痕的直径d，利用公式求出硬度值，或从专门编制的硬度表中查出对应的硬度值适用于测定各种退火及调质的钢材、非铁合金及铸铁等不太硬的工件，不适合测定太薄的工件硬度值+HBW+球体直径+试验压力+保持时间洛氏硬度（HR） 采用120顶角的金刚石或f1.587 5 mm钢球作为压头，以一定的压力挤压材料表面，根据压痕的深度计算材料的硬度。根据试验压力的不同，可分为三种标度：HRA，HRB和HRC 适用于测定布氏硬度值大于450或尺寸较小的工件硬度值+符号维氏硬度（HV）以相对面夹角为136的正四棱
11、锥形金刚石作为压头，以49.03980.7 N的载荷挤压材料表面并保持规定时间，测量压痕对角线的长度d，然后按公式计算硬度值 由于压痕较小，适用于测定较薄工件、工具表面或带镀层工件硬度值+HV+试验压力+保持时间塑性塑性l塑性塑性l冲击韧性冲击韧性l冲击韧性是指金属材料断裂前吸收变形能量的能力。冲击韧性越好，材料的抗冲击能力愈强，发生断裂的可能性越小。冲击韧性是金属材料的一项重要力学性能，许多金属零件和机械设备在工作中需要承受冲击载荷的作用，如发动机的活塞、锻压机床的锻锤等，为了保证他们的正常工作，在选择材料时，必须要考虑材料的冲击韧性。金属材料的冲击韧性通常用冲击吸收功来衡量。冲击韧性，可以
12、通过一次摆锤冲击试验来测定。1-试样 2-刻度盘 3-指针 4-摆锤 5-机架疲劳强度疲劳强度l零件在承受外部载荷作用时，内部会产生应力，当外部载荷成周期性变化时，应力也会作周期性变化，称为交变应力。齿轮、轴承、曲轴等机械零件工作时，需要承受交变应力的作用，虽然应力水平低于材料的屈服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发生断裂破坏，这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳。l金属材料的疲劳性能由疲劳强度来衡量。疲劳强度是指金属材料承受无限多次交变载荷的作用，而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用，而不发生疲劳破坏的能力。金属材料的疲劳强度可以通过疲劳试验进行测量，但实际
13、操作中，金属材料不可能做无限多次交变载荷试验。通常规定，钢在经受107次、非金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。疲劳强度疲劳强度l疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，所以疲劳破坏容易造成很严重的后果。齿轮断裂 曲轴断裂 目录01第一节 金属材料的力学性能0202第二节 金属材料的工艺性能03第三节 金属材料的物理和化学性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能l金属材料的工艺性能反映了金属材料加工难易程度。l良好的工艺性能表示材料的加工难度小。工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。铸造性能焊接性能锻造性
14、能工艺性能切削加工性能铸造性能铸造性能l铸造是将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得一定尺寸、形状和力学性能的铸件或零件的成形方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力，称为金属材料的铸造能力，它反映了金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度。金属材料融化成液体时的流动性越好，冷凝时的收缩性越小，凝固后的偏析性（指各化学成分的不均匀性）越小，则获得铸件的质量越好。 （a）暖气片 （b）钢管 （c）管接头 （d）车床底座铸造性能铸造性能l工业生产中，灰铸铁具有良好的铸造性能，因而被广泛用于制造各种结构较复杂、大型的机械零件。如车床底座、箱体等，如图2-11所示。青铜也具有良好的铸造性能，是古人发现的
15、最早的金属材料。（a）拨叉 （b）箱体典型铸造零件压力加工性能压力加工性能l固态金属在外力作用下，通过塑性变形，改变尺寸和形状、改善内部组织，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料，毛坯或零件的加工方法，又称金属塑性加工。常用的金属压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等（a）轧制 （b）挤压 （c）冷拔 （d）锻造 （e）冷冲压常用压力加工方法压力加工性能压力加工性能l金属材料在压力加工过程中成型的难易程度称为金属材料的压力加工性能。l它主要与材料的塑性有关，塑性越好，其压力加工性能就越好。同时，压力加工性能还与金属材料的成分及加工条件有关。例如，锻钢在加热到一定温度时，容易锻造
16、成型，而铝合金在室温下就很容易锻造加工。焊接性能焊接性能l通过加热或加压，或者两者并用，使两工件产生原子间结合的加工办法称为焊接。常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊、自动焊等。金属材料在焊接过程中得到优质焊接接头的能力称为焊接性能，又称可焊性。焊接性能好的金属材料，焊接时焊缝不容易产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷。手工电弧焊自动焊气焊焊接方法焊接性能焊接性能常用焊接方法切削加工性能切削加工性能l切削加工是机械工业中应用最为广泛的零件加工方法，常见的切削加工方法有车削、铣削、磨削、钻削等。l切削加工性能是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量、工时等。
17、金属材料的切削加工性能，主要受金属材料的化学成分、硬度、塑性等性能的影响。通常情况下，可以通过热处理来提高钢件的切削加工性能。切削加工性能切削加工性能（a）车削加工 （b）铣削加工（c）磨削加工 （d）钻削加工目录01第一节 金属材料的力学性能02第二节 金属材料的工艺性能0303第三节 金属材料的物理和化学性能金属材料的物理性能金属材料的物理性能l金属材料的物理性能是指金属材料在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下所表现出来的性能或固有的属性。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。导热性导电性物理性能熔点热膨胀性密度磁性密度密度l金属材料的密度是指单位体积金属的质量。
18、密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。在体积相同时，金属材料的密度越大，其质量越大。一般将密度小于5103KG/M2的金属材料称为轻金属,将密度大于5103KG/M2的金属称为重金属。金属材料的密度是零件设计过程中需要考虑的性能之一，如航天构件常采用密度小的铝合金、钛合金、铝镁合金进行制造。熔点熔点l金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的质量分数不同，其熔点也不同。熔点对于金属材料的冶炼、铸造、焊接等是重要的工艺参数。熔点高的金属材料称为难熔金属（如钨、钼、钒），可用来制造耐高温零
19、件，在火箭，导弹，燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属材料称为易熔金属（如锡、铅等），可用来制造印刷铅字（铅与锑的合金）、熔断器和防火安全阀等零件。导热性导热性l金属材料传导热量的能力称为导热性。金属材料的导热能力，常用热导率（亦称导热系数）来表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合金好。金属材料的导热能力以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属材料，其散热性能也较好，可用来制造散热器、热交换器交换器。导电性导电性l金属材料能够传导电流的能力称为导电性。金属材料的导电性常用电阻率来表示，其单位是.m。金属材料的电阻率越小，其导电性越好。导电性与导
20、热性一样，是随化学成分的复杂化而降低，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝作为导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金制作电热元件。热膨胀性热膨胀性l金属材料随温度变化而膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属材料受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。金属材料的热膨胀性可用线胀系数1和体胀系数V来表示，体胀系数近似为线胀系数的三倍。在实际工作中需要考虑热膨胀性的地方很多，如轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸.磁性磁性l金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料又分为铁磁性材料和非铁磁性材料。铁磁性
21、材料是指在外磁场中能被磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。非铁磁性材料是指在外磁场中能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料如金、银、铜、铅、锌等。l铁磁性材料可以被磁铁吸引，铁及其合金（包括钢与铸铁）是常见的铁磁性材料，主要用于制造变压器、电动机、测量仪表等；非铁磁性材料不能被磁铁吸引，可用于制造避免电磁场干扰的零件。金属材料的化学性能金属材料的化学性能l金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温时，抵抗各种化学介质中所表现出来的性能。化学性能，包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性的抗氧化性化学稳定性化学性能耐腐蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性l耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐
22、蚀破坏的能力。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对于腐蚀介质（如酸、碱、盐、有毒气体等）中工作的零件，其腐蚀性比在空气中更为严重。因此，在选择金属材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐腐蚀性，并合理选用耐腐蚀性能好的金属材料（如不绣钢、铜合金等）进行制造。抗氧化性抗氧化性l抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化现象会随温度的升高而加速，如钢在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时氧化现象比较严重。氧化不仅造成材料的过度损耗，也会造成各种缺陷，因此常需要采取措施避免金属材料发生氧化。对于在高温状态下工作的构件，如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹
23、等，就需要选用其具有良好抗氧化性能的材料（如耐热钢、高温合金、铝合金、高温陶瓷等）来制造。化学稳定性化学稳定性l化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。高温条件下工作的设备（如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等）上的部件选择了稳定性好的材料来制造。单元小结单元小结l1.选择机械零件的材料时，要满足零件的使用性能和工艺性能的要求，同时兼顾合理地经济性。l2.机械零件由于某种原因不能正常工作的情况称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。l3.金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等；工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等。