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1、第一章：金属学基本知识第一章：金属学基本知识金属材料的性能金属材料的性能 金属的晶体结构金属的晶体结构 金属的结晶金属的结晶 金属的塑性变形金属的塑性变形 铁碳合金相图铁碳合金相图内容内容金属材料的性能金属材料的性能Content:1、金属材料的常温力学性能、金属材料的常温力学性能 强度、塑性；硬度；冲击韧性；疲劳强度；强度、塑性；硬度；冲击韧性；疲劳强度；断裂韧性断裂韧性 2、金属材料的工艺性能、金属材料的工艺性能Request:1、掌握常温力学性能指标及其意义掌握常温力学性能指标及其意义 2、掌握硬度的测定方法、掌握硬度的测定方法 3、了解工艺性能指标、了解工艺性能指标金属材料的常温力学性
2、能金属材料的常温力学性能力学性能：金属材料在外力作用下表现出来的抵抗变形力学性能：金属材料在外力作用下表现出来的抵抗变形 和破坏的能力和破坏的能力-金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力一、一、强度强度(strength)金属材料开始产生屈服现象时的应力金属材料开始产生屈服现象时的应力抵抗塑性变形的能力抵抗塑性变形的能力 s Sbz 屈服极限屈服极限yield strength（s）强度极限强度极限 tensile strength（b）:材料在拉断前能材料在拉断前能 承受的最大应力承受的最大应力：抵抗断裂的能力抵抗断裂的能力 Sbz s b
3、条件屈服极限（条件屈服极限（0.2）：）：塑性应变量为塑性应变量为0.2%时的应力时的应力二、塑性二、塑性plasticity金属材料在外力作用下能产生塑性变形而不金属材料在外力作用下能产生塑性变形而不 破坏的能力破坏的能力1、延伸率：试样拉断后，伸长的长度与原始长度之比、延伸率：试样拉断后，伸长的长度与原始长度之比 的百分率的百分率2、断面收缩率：试样拉断后，断面缩小的面积与原截、断面收缩率：试样拉断后，断面缩小的面积与原截 面面积之比的百分率面面积之比的百分率 或或 越大，材料的塑性越好越大，材料的塑性越好通常以通常以 来区别塑性的好坏来区别塑性的好坏:2 5%的材料为塑性材料的材料为塑性
4、材料 2 5%的材料为脆性材料的材料为脆性材料三、硬度三、硬度hardness金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力1、布氏硬度（、布氏硬度（HB）原理原理：在直径在直径D D的球体上的球体上施加一定负荷施加一定负荷F F使钢球压使钢球压入被测金属表层，经一定入被测金属表层，经一定时间后卸除载荷，测定压时间后卸除载荷，测定压痕直径痕直径d d，球冠形压痕单球冠形压痕单位面积所承受的平均负荷位面积所承受的平均负荷即为布氏硬度值即为布氏硬度值HB=0.102金属种类布氏硬度值范围 试样厚度 （mm）负荷F（kgf）与钢球直径D 的 相 互 关 系钢球直径D（mm）负荷
5、F（N（kgf）负荷保持时间（秒）钢铁140 4506 34 2 2F=30D210.05.02.529420 (3000)7355 (750)1839 (187.5)10 66 3 1306 34 2 2F=30D210.05.02.529420 (3000)7355 (750)1839 (187.5)3036 1309 33 6 66 3450HBS450、成品、大量需逐件检验的材料、成品、大量需逐件检验的材料、成品、大量需逐件检验的材料、成品、大量需逐件检验的材料硬度硬度硬度硬度一般用于原材料的硬度测定一般用于原材料的硬度测定2、洛氏硬度洛氏硬度 用压痕凹陷的深度用压痕凹陷的深度h确定硬
6、度值确定硬度值HR=(K-h)/0.002金刚石圆锥压头：金刚石圆锥压头：K=0.2钢球压头：钢球压头：K=0.26原理原理：洛氏硬度的洛氏硬度的特点特点：操作简便；测值离散性大。：操作简便；测值离散性大。一般用于热处理后材料硬度的测定一般用于热处理后材料硬度的测定表表1-2 常常 用用 洛洛 氏氏 硬硬 度度 值值 符符 号及号及 试试 验验 条条 件件 标标尺尺硬度硬度符号符号压头压头型号型号初初载载+主主载载=总载总载荷荷（N（kgf）常用范常用范围围应应用用举举例例AHRA金金钢钢石石圆锥圆锥98.07+490.3=588.4(10+50=60)7085碳化物、硬碳化物、硬质质合金、合
7、金、表面淬火表面淬火钢钢BHRB钢钢球球1.588mm98.07+882.6=980.7(10+90=100)25100软钢软钢、退火、退火钢钢、铜铜合合金等金等CHRC金金钢钢石石圆锥圆锥98.07+1373=1471(10+140=150)2067淬火淬火钢钢、调质钢调质钢等等HL=3 3、里氏硬度、里氏硬度特点：特点：精度高；体积小，易于操作；可以从任何方精度高；体积小，易于操作；可以从任何方向测试工件，可测试复杂的大型工件；但对于小、向测试工件，可测试复杂的大型工件；但对于小、轻、薄或形状特殊复杂的工件，测试有一定的困难轻、薄或形状特殊复杂的工件，测试有一定的困难或测试误差较大。或测试
8、误差较大。原理原理：在一定试验力的作用下，使装有碳化钨球的冲：在一定试验力的作用下，使装有碳化钨球的冲击测头冲击被测金属表面，测量冲击测头距试样表面击测头冲击被测金属表面，测量冲击测头距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度。处的冲击速度与回跳速度。VaVa冲击测头冲击速度冲击测头冲击速度VbVb冲击测头回跳速度冲击测头回跳速度四、冲击韧性四、冲击韧性 impact toughness材料抵抗冲击载荷作用的能力材料抵抗冲击载荷作用的能力冲击功冲击功 Ak=G(h1-h2)（J）冲击韧性冲击韧性 k=A=Ak k/S/S0 0(J/cm(J/cm2 2)脆性转变温度（脆性转变温度（Tr或或tQ）材
9、料由韧性状材料由韧性状态转变为脆性状态的温态转变为脆性状态的温度度T kTr影响脆性转变温度的因素影响脆性转变温度的因素影响脆性转变温度的因素影响脆性转变温度的因素 1、合金的成分：、合金的成分：C脆性转变温度脆性转变温度 Mn、Ni 脆性转变温度脆性转变温度 2、晶粒度：晶粒越细小、晶粒度：晶粒越细小脆性转变温度脆性转变温度 五、五、疲劳强度（疲劳极限）疲劳强度（疲劳极限）fatigue limit 金属的疲劳金属的疲劳金属材料在远低于其屈服极限的交金属材料在远低于其屈服极限的交 变应力的作用下发生的断裂现象变应力的作用下发生的断裂现象疲劳破坏过程：表面产生疲劳裂纹（应力集中严重或疲劳破坏过
10、程：表面产生疲劳裂纹（应力集中严重或 强度低的部位）强度低的部位）裂纹扩展裂纹扩展突然断裂突然断裂疲劳断口特征疲劳断口特征疲劳强度：材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力疲劳强度：材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力疲劳强度：材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力疲劳强度：材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力疲劳曲线疲劳曲线 Ln N r影响疲劳强度的因素：影响疲劳强度的因素：内因内因：强度强度、塑性塑性（强度和塑性好，疲劳强度高）、（强度和塑性好，疲劳强度高）、组织结构组织结构（淬火及回火后的组织结构，疲劳强度高）、（淬火及回火后的组织结构，疲劳强度高）、材质材质（有夹杂物等使疲劳强度降
11、低）（有夹杂物等使疲劳强度降低）外因外因：零件的：零件的几何形状几何形状及及表面质量表面质量（表面粗糙、结构（表面粗糙、结构上有应力集中均使疲劳强度降低）、上有应力集中均使疲劳强度降低）、工作环境工作环境（在腐（在腐蚀性介质中工作，腐蚀介质加速裂纹的形成和扩展）蚀性介质中工作，腐蚀介质加速裂纹的形成和扩展）提高疲劳强度的措施提高疲劳强度的措施表面强化处理（表面淬火、表面强化处理（表面淬火、喷丸、滚压）喷丸、滚压）六、断裂韧性六、断裂韧性K K K KCCCC：导致裂纹失稳扩展而使材料脆断的应力强度因：导致裂纹失稳扩展而使材料脆断的应力强度因：导致裂纹失稳扩展而使材料脆断的应力强度因：导致裂纹失
12、稳扩展而使材料脆断的应力强度因子的临界值子的临界值子的临界值子的临界值应力强度因子应力强度因子应力强度因子应力强度因子Y Y Y Y：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的一个无量纲的系数（一般为一个无量纲的系数（一般为一个无量纲的系数（一般为一个无量纲的系数（一般为1 1 1 12 2 2 2）；）；）；）；：外加应力（：外加应力（：外加应力（：外加应力（N/mmN/mmN/mmN/mm2 2 2 2）；）；）；）；A A A A：裂纹的半长（：裂纹的半长（：裂纹的
13、半长（：裂纹的半长（mmmmmmmm）K KC C表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在时，材料抵抗脆性断裂的能力。时，材料抵抗脆性断裂的能力。时，材料抵抗脆性断裂的能力。时，材料抵抗脆性断裂的能力。金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 流动性好、收缩率小和偏析（金属材料凝固后化学成流动性好、收缩率小和偏析（金属材料凝固后化学成分不均匀的现象）小的材料铸造性能好。分不均匀的现象）小的材料铸造性能好。可锻性能：金属材料在压力加工时，能承受一定程度可锻性能：金属材料在压
14、力加工时，能承受一定程度 的变形而不产生裂纹的能力的变形而不产生裂纹的能力铸造性能：液体金属浇铸成型的能力铸造性能：液体金属浇铸成型的能力钢能承受锻造、轧制、拉拔、挤压等加工，可锻性好钢能承受锻造、轧制、拉拔、挤压等加工，可锻性好焊接性：金属材料获得优质焊接接头的能力焊接性：金属材料获得优质焊接接头的能力以焊接有无裂纹、气孔等缺陷以及焊接接头的力学以焊接有无裂纹、气孔等缺陷以及焊接接头的力学性能来衡量焊接性好坏性能来衡量焊接性好坏碳当量碳当量当当Ce 0.4时，焊接性优良，焊接时可不预热时，焊接性优良，焊接时可不预热当当Ce0.40.6时，焊接性较差，焊接时需采用时，焊接性较差，焊接时需采用适
15、当预热等工艺措施适当预热等工艺措施当当Ce 0.6时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热温度和较严格的工艺措施温度和较严格的工艺措施切削性能：金属材料承受切削加工的难易程度切削性能：金属材料承受切削加工的难易程度切削性能：金属材料承受切削加工的难易程度切削性能：金属材料承受切削加工的难易程度切削性能不但包括能否得到高的切削速度，是否切削性能不但包括能否得到高的切削速度，是否切削性能不但包括能否得到高的切削速度，是否切削性能不但包括能否得到高的切削速度，是否容易断屑，还包括能否获得较高的表面质量等容易断屑，还包括能否获得较高的表面质量等容易断屑，还包括能否获得较高的表面质量等容易断屑，还包括能否获得较高的表面质量等160-230HBS160-230HBS切削加工性能较好切削加工性能较好 作业作业 1 1、P29 1P29 1题题 实验：硬度测定实验：硬度测定控0501第一组（1-22号）下周三7、8节控0501第二组（23-44号）下周四7、8节控0502第一组（1-22号）下周五3、4节控0501第二组（23-44号）下周五7、8节