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1、YCF（中职）熔焊基础与金属材料焊接第一章电子教案第第1章章 金属学及热处理基础金属学及热处理基础1.1 金属材料的性能金属材料的性能1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构1.3 金属与晶体的结晶金属与晶体的结晶1.4 铁碳合金相图铁碳合金相图1.5 钢的热处理钢的热处理返回1.1金属材料的性能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。使用性能是指金属材料在金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能使用过程中应具备的性能，它包括力学性能(强度、塑性、硬度、冲强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等击韧性、疲劳强度等)、物理性能、物理
2、性能(密度、熔点、热膨胀性、导热性、密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等导电性等)和化学性能和化学性能(耐蚀性、抗氧化性等耐蚀性、抗氧化性等)。工艺性能是金属材料。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺(如冶炼、铸造、冷如冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等热压力加工、焊接、切削加工、热处理等)应具备的性能。应具备的性能。1.1.1金属的力学性能金属的力学性能通常机器零件或工程结构在工作中都要受到外力的作用，金属在外力通常机器零件或工程结构在工作中都要受到外力的作用，金属在外力的作用下所表现的性能叫做力学性能。的作
3、用下所表现的性能叫做力学性能。下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能按外力按外力(载荷载荷)作用性质的不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。作用性质的不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。在不同性质的载荷作用下，金属所表现的特性与抵抗破坏的能力不同，在不同性质的载荷作用下，金属所表现的特性与抵抗破坏的能力不同，因而需要用不同的力学性能指标。因而需要用不同的力学性能指标。常用的力学性能指标有强度、硬度、塑性和冲击韧性等。这些性能是常用的力学性能指标有强度、硬度、塑性和冲击韧性等。这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据
4、。1.强度与塑性强度与塑性强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。由于强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。由于作用力的性质不同，其判据可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、作用力的性质不同，其判据可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，在生产中，最常用、最基本的是屈服强度和抗弯强度、抗剪强度等，在生产中，最常用、最基本的是屈服强度和抗拉强度。金属材料的强度与塑性一般可以通过金属的拉伸试验来测抗拉强度。金属材料的强度与塑性一般可以通过金属的拉伸试验来测定。定。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能(1)拉伸试验拉伸试验拉伸试样。拉
5、伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。为便于对不拉伸试样。拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。为便于对不同材料的强度进行对比，拉伸试验所用试件的形状与尺寸应符合同材料的强度进行对比，拉伸试验所用试件的形状与尺寸应符合GB/T 397-1986金属拉伸试验试样的规定。金属拉伸试验试样的规定。图图1-1(a)所示为圆柱所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，为试样直径，l0为试样的标距长为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样(l0=10 d0)和短试样和短试样(l0=5d0)。
6、拉伸曲线。试验时，将试样两端夹装在试验机的上下夹头上，随后拉伸曲线。试验时，将试样两端夹装在试验机的上下夹头上，随后缓慢地增加载荷，随着载荷的增加，试样因逐步变形而伸长，直到被缓慢地增加载荷，随着载荷的增加，试样因逐步变形而伸长，直到被拉断为止。拉断为止。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量和变形量 l，并给，并给出了它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线出了它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线(或拉伸图或拉伸图)。拉伸曲线反映。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力
7、学特性。了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。图图1-1(b)为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。当载荷不超过当载荷不超过Fp时，拉伸曲线时，拉伸曲线 为一直线，即试样的伸长量与载荷为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比例增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样成正比例增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在处于弹性变形阶段。载荷在 间，试样的伸长量与载荷已不间，试样的伸长量
8、与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。于弹性变形阶段。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能当载荷超过当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，称为塑性变形或永久变形。称为塑性变形或永久变形。当载荷增加到当载荷增加到Fs时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了时，试样开始明显的塑性变
9、形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。当载荷继续增加到某一最大值当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生了颈时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，当达到缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的拉伸曲线上的k点时，试样就被拉断。点时，试样就被拉断。(2)强度强度材料受外力作用时，其内部产生了与外力大小相等方向相反的抵抗力，材料受外力作用时，其内部产生了与外力大小相等方向相反的抵抗力，即内力。即内力。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能
10、金属材料的性能单位面积上的内力称为应力，用符号单位面积上的内力称为应力，用符号表示，即表示，即式中式中F拉伸力拉伸力(N);A0试样原始截面积试样原始截面积(m2)。根据拉伸曲线可以求出材料的强度指标，其强度指标主要有以下三项。根据拉伸曲线可以求出材料的强度指标，其强度指标主要有以下三项。弹性极限。金属材料在载荷作用下产生弹性变形弹性极限。金属材料在载荷作用下产生弹性变形(即不产生永久变即不产生永久变形形)时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号e表示表示:上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能式中式中Fe试样产生弹性变形时所承受的最大载荷
11、试样产生弹性变形时所承受的最大载荷;A0试样原始横截面积。试样原始横截面积。e值越大，表示材料的弹性越大。值越大，表示材料的弹性越大。屈服强度屈服强度(又称屈服点又称屈服点)。金属材料开始明显塑性变形。金属材料开始明显塑性变形(即在外力不即在外力不增加仍能继续伸长增加仍能继续伸长)时的最低应力称为屈服强度，用符号时的最低应力称为屈服强度，用符号s表示表示:式中式中 Fs试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷;A0试样原始横截面积。试样原始横截面积。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能生产中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，生产中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出
12、现明显的屈服现象，无法确定其屈服强度无法确定其屈服强度s。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的标距长度的0.2%时，材料承受的应力称为时，材料承受的应力称为“条件屈服强度条件屈服强度”，并以符，并以符号号0.2表示。表示。0.2的确定方法如的确定方法如图图1-2所示。在拉伸曲线横坐标上截取所示。在拉伸曲线横坐标上截取c点，使点，使Oc=0.2%l0，过，过c点作点作 斜线的平行线，交曲线于斜线的平行线，交曲线于s点，则点，则可找出相应的载荷可找出相应的载荷F0.2，从而计算出，从而计算出0.2。抗拉强度抗拉强度(又称强度极限又称强度极限)。金
13、属材料在断裂前所能承受的最大应力。金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号称为抗拉强度，用符号s表示表示:式中式中Fb试样在断裂前的最大载荷试样在断裂前的最大载荷;A0试样原始横截面积。试样原始横截面积。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能s与与b都是金属材料的主要力学性能指标，是设计及选材的重要依据。都是金属材料的主要力学性能指标，是设计及选材的重要依据。对于塑性材料，考虑到主要因塑性变形过大而失效，因此对于塑性材料，考虑到主要因塑性变形过大而失效，因此s(或或0.2)是产品设计的强度指标，脆性材料没有屈服现象，则用是产品设计的强度指标，脆性材料没有屈服现象，则
14、用b作为强度指作为强度指标。标。s/b称为屈强比。屈强比小，表明材料的塑性储备高，万一超载也称为屈强比。屈强比小，表明材料的塑性储备高，万一超载也不会立即破坏，可靠性大不会立即破坏，可靠性大;但屈强比过低，使材料的利用率降低。因但屈强比过低，使材料的利用率降低。因此，对不同钢种的屈强比有不同的要求。如低碳钢为此，对不同钢种的屈强比有不同的要求。如低碳钢为0.50.6，低合，低合金结构钢为金结构钢为0.650.75，合金结构钢为，合金结构钢为0.70.8。当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强度或抗弯强度，单位与抗
15、拉强度相同。度或抗弯强度，单位与抗拉强度相同。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强度或抗弯强度，单位与抗拉强度相同。度或抗弯强度，单位与抗拉强度相同。(3)塑性塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性，即金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性，即金属在外力作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性金属在外力作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标有伸长率指标有伸长率()和断面收缩率和断面收缩率()。伸
16、长率。试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称伸长率。试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用为伸长率，用表示表示:上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能式中式中l0 试样原标距长度试样原标距长度(mm);试样拉断后标距长度试样拉断后标距长度(mm)。材料的伸长率随标距长度增加而减少。所以，同一材料短试样的伸长材料的伸长率随标距长度增加而减少。所以，同一材料短试样的伸长率率5大于长试样的伸长率大于长试样的伸长率10。断面收缩率。试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的断面收缩率。试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩
17、率，用百分比称为断面收缩率，用表示表示:式中式中A0 试样原横截面积试样原横截面积(mm);A1试样拉断后最小横截面积试样拉断后最小横截面积(mm)。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能、是衡量材料塑性变形能力大小的指标，是衡量材料塑性变形能力大小的指标，、大，表示材料塑性大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使
18、用塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。2.硬度硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属表面抵抗局部变形硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属表面抵抗局部变形或破坏，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是检验毛坯或成品件、或破坏，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。热处理件的重要性能指标。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能此外，硬度又是反映材料的成分、组织与力学性能的综合指标。此外，硬度又是反映材料的成分、组织与力学性
19、能的综合指标。一般来说，金属的硬度越高，则刚强度越高，而塑性和韧性越低。因一般来说，金属的硬度越高，则刚强度越高，而塑性和韧性越低。因此，硬度虽然不是零件设计计算的依据，但是对工作条件不同的零件，此，硬度虽然不是零件设计计算的依据，但是对工作条件不同的零件，为保证其使用寿命，也会提出不同的硬度要求。由于硬度试验设备简为保证其使用寿命，也会提出不同的硬度要求。由于硬度试验设备简单，操作方便、快捷，并可直接在零件或工具上进行测试而不破坏试单，操作方便、快捷，并可直接在零件或工具上进行测试而不破坏试件，故应用最广泛。件，故应用最广泛。测定硬度的方法很多，在生产中应用最多的是压入硬度测试法中的布测定硬
20、度的方法很多，在生产中应用最多的是压入硬度测试法中的布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能(1)布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验原理如布氏硬度试验原理如图图1-3所示。它是用一定直径的钢球或硬质合金所示。它是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值HBS或或HBW是试验力是试验力F除以压痕球形表面积所得的商，即除
21、以压痕球形表面积所得的商，即:式中式中F压入载荷压入载荷(N);A压痕表面积压痕表面积(mm2);d压痕直径压痕直径(mm);D淬火钢球淬火钢球(或硬质合金球或硬质合金球)直径直径(mm)。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能布氏硬度值的单位为布氏硬度值的单位为MPa，一般情况下可不标出。，一般情况下可不标出。压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料以下的材料;压头为硬质合金球时，用压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度值在度值在650以下的材料。符号以下的
22、材料。符号HBS或或HBW之前为硬度值，符号后面按之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件以下顺序用数值表示试验条件:球体直径、试验力、试验力保持时间球体直径、试验力、试验力保持时间(10 15s不标注不标注)。例如例如:12S HBS10/1000/30表示用直径表示用直径10 mm淬火钢球在淬火钢球在1 000 x 9.8 N试验力作用下保持试验力作用下保持30 s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为125;500HBWS/750表表示用直径示用直径5 mm硬质合金球在硬质合金球在750 x 9.8 N试验力作用下保持试验力作用下保持1015 s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值
23、为500。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能布氏硬度试验的优点是布氏硬度试验的优点是:测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的测量误差消除因组织不均匀引起的测量误差;布氏硬度值与抗拉强度之间有近布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系似的正比关系:(或或HBW)(低碳钢低碳钢K=0.36，合金调质钢，合金调质钢K=0.325;灰铸铁灰铸铁K=0.1)。布氏硬度试验的缺点是布氏硬度试验的缺点是:当用淬火钢球时不能用来测量大于当用淬火钢球时不能用来测量大于450 HBS的材料的材料;用硬质合金球时，亦不宜超过用硬质合金球时
24、，亦不宜超过650 HBW;压痕大，不适宜测量压痕大，不适宜测量成品件硬度，也不宜测量薄件硬度成品件硬度，也不宜测量薄件硬度;测量速度慢，测得压痕直径后还测量速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表。需计算或查表。(2)洛氏硬度洛氏硬度上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能以顶角为以顶角为1200的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头，以规定的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值，的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值，如如图图1-4所示。当载荷和压头一定时，所测得的压痕深度所示。当载荷和压
25、头一定时，所测得的压痕深度h(h3-h1)愈愈大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。为大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。为此，用一个常数此，用一个常数K(对对HRC,K为为0.2;对对HRB,K为为0.26)减去减去h，并规，并规定每定每0.002 mm深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是:上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度:HRA、HRB、HRC，常用，常用HRC，其有效值范围是，其有效值范围是2
26、067 HRC。洛氏硬度符号洛氏硬度符号HR前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如60 HRC表示表示C标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度;压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，重复性差，而且不同的硬度级别测得的硬度值无法比较。时，重复性差，而且不同的硬度级别测得的硬度值无法比较。(3)维氏硬度维氏硬度上一页 下一页返回1.1金属材料
27、的性能金属材料的性能维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受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锥面夹角a为为1360的正四棱锥体，如的正四棱锥体，如图图1-5所示。所示。试验时，根据试样大小、厚薄选用试验时，根据试样大小、厚薄选用(5120)x9.8 N载荷压入试样表载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测微计测量压痕对角面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测微计测量压痕对角线长度线长度d，然后通过
28、查表或根据下式计算维氏硬度值，然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值:式中式中A压痕的面积压痕的面积(mm);d压痕对角线的长度压痕对角线的长度(mm);F试验载荷试验载荷(N)。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能维氏硬度符号维氏硬度符号HV前是硬度值，符号前是硬度值，符号HV后附以试验载荷及保持时间。后附以试验载荷及保持时间。如如640HV30/20表示在表示在30 x 9.8 N作用下保持作用下保持20s后测得的维氏硬度值后测得的维氏硬度值为为640。维氏硬度的优点是试验时加载小，压痕深度浅，可测量零件表面淬硬维氏硬度的优点是试验时加载小，压痕深度浅，可测量零件表面淬硬层，
29、测量对角线长度层，测量对角线长度d误差小，其缺点是生产率比洛氏硬度试验低，误差小，其缺点是生产率比洛氏硬度试验低，不宜于成批生产检验。不宜于成批生产检验。3.冲击韧性冲击韧性生产中许多机器零件，都是在冲击载荷生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机载荷以很快的速度作用于机件件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。性增加，易发生突然性破断。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲因此，使用的材料就不能用静
30、载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。目前应用最普遍击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验。将标准试样放在冲击试验机的两支座上，的是一次摆锤弯曲冲击试验。将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向使试样缺口背向摆锤冲击方向(图图1-6所示所示)，然后把质量为，然后把质量为m,的摆锤的摆锤提升到提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断，并升到高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断，并升到h2高度。因高度。因此冲断试样所消耗的功为此冲断试样所消耗的功为Ak=mg(h1-h2)。金属的冲击韧性
31、。金属的冲击韧性ak就是就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功:式中式中ak冲击韧性冲击韧性(J/cm2);A试样缺口处原始截面积试样缺口处原始截面积(cm2);Ak冲断试样所消耗的功冲断试样所消耗的功(J)。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能冲击吸收功冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。值可从试验机的刻度盘上直接读出。Ak值的大小，代值的大小，代表了材料的冲击韧性的高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身表了材料的冲击韧性的高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了之外，
32、还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺日的塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺日的敏感性。敏感性。4.疲劳强度疲劳强度许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但动轴承等。虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种
33、现象叫疲劳断裂。它与静载荷下在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形，因此具有更大的危险性。的断裂不同，断裂前无明显塑性变形，因此具有更大的危险性。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述(图图1-7所示所示)。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光
34、滑试样的对称弯曲疲劳极限用称弯曲疲劳极限用-1，表示。在疲劳强度的测定中，不可能把循环，表示。在疲劳强度的测定中，不可能把循环次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107，有色金属和，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为某些超高强度钢的循环基数为108。疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹。钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕
35、等缺陷均过热、裂纹。钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳强度下降。会产生应力集中，使疲劳强度下降。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。1.1.2金属物理性能金属物理性能金属物理性能是指金
36、属在重力、电磁场、热力金属物理性能是指金属在重力、电磁场、热力(温度温度)等物理因素作用等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导下，所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。电性、热膨胀性和磁性等。1.密度密度金属的密度是指单位体积金属的质量。密度是金属材料的特性之一。金属的密度是指单位体积金属的质量。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。不同金属材料的密度是不同的。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质
37、量(重量重量)也就越大。也就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制造设备的自重和效能，如发动金属材料的密度，直接关系到由它所制造设备的自重和效能，如发动机要求质量轻和惯性小的活塞，常采用密度小的铝合金制造。在航空机要求质量轻和惯性小的活塞，常采用密度小的铝合金制造。在航空工业领域中，密度更是选材的关键性能指标之一。一般将密度小于工业领域中，密度更是选材的关键性能指标之一。一般将密度小于5 X 103 kg/m3的金属称为轻金属，密度大于的金属称为轻金属，密度大于5 X 103 kg/m3的金属称为的金属称为重金属。重金属。2.熔点熔点金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定
38、的金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。合金的熔点决定于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳熔点。合金的熔点决定于它的化学成分，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。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。和合金的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能熔点高的金属称为难熔金属熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温，可以用来制造耐高温零件，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机
39、等方面得到广泛应用。零件，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等如锡、铅等)，可以用来制造印刷铅字，可以用来制造印刷铅字(铅与锑的合金铅与锑的合金)、熔丝、熔丝(铅、锡、铋、镉的合金铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。和防火安全阀等零件。3.导热性导热性金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数亦称导热系数)表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般说来，金属越纯，其导热
40、能力越大。合金的导热能力比纯金属差。一般说来，金属越纯，其导热能力越大。合金的导热能力比纯金属差。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能导热性好的金属其散热性也好，如在制造散热器、热交换器与活塞等导热性好的金属其散热性也好，如在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，就要选用导热性好的金属。在制订焊接、铸造、锻造和热处零件时，就要选用导热性好的金属。在制订焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却的理工艺时，也必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却的过程中形成较大
41、的内应力，以免金属材料发生变形或开裂。过程中形成较大的内应力，以免金属材料发生变形或开裂。4.导电性导电性金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率阻率表示。表示。取长取长1m、截面积为、截面积为1 mm2的物体，在一定温度下所具有的电阻数，的物体，在一定温度下所具有的电阻数，叫做电阻率。电阻率越小，导电性就越好。叫做电阻率。电阻率越小，导电性就越好。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能导电性和导热性一样，是随合金化学成分的复杂化而降低的，因而纯导电性和导热性一样，是随合金化学成分的复杂化而降低的
42、，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝做导电材料，金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝做导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金做电热元件。而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金做电热元件。5.热膨胀性热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。热膨胀性金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。热膨胀性用线胀系数和体胀系数来表示。用线胀系数和体胀系数来表示。体胀系数近似为线胀系数的体胀系数近似为线胀系数的3倍。倍。上
43、一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能在实际工作中考虑热膨胀性的地方颇多，如铺设钢轨时，在两根钢轨在实际工作中考虑热膨胀性的地方颇多，如铺设钢轨时，在两根钢轨衔接处应留有一定的空隙，以便钢轨在长度方向有膨胀的余地衔接处应留有一定的空隙，以便钢轨在长度方向有膨胀的余地;轴与轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸;在制订焊接、热处理、在制订焊接、热处理、铸造等工艺时也必须考虑材料的热膨胀影响，做到减少工件的变形与铸造等工艺时也必须考虑材料的热膨胀影响，做到减少工件的变形与开裂开裂;测量工件的尺寸时也要注意热膨胀因素，做到减少测量误差。测量工件的
44、尺寸时也要注意热膨胀因素，做到减少测量误差。6.磁性磁性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，通常用磁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，通常用磁导率表示。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可导率表示。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分类如下。分类如下。(1)铁磁性材料。在外加磁场中，能强烈地被磁化到很大程度，如铁、铁磁性材料。在外加磁场中，能强烈地被磁化到很大程度，如铁、镍、钴等。镍、钴等。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能(2)顺磁性材料。在外加磁场中，呈现十分微弱的磁性，如锰、铬、顺磁性材料。在外加磁场中，呈
45、现十分微弱的磁性，如锰、铬、钼等。钼等。(3)抗磁性材料。能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、抗磁性材料。能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。金、银、铅、锌等。在铁磁性材料中，铁及其合金在铁磁性材料中，铁及其合金(包括钢与铸铁包括钢与铸铁)具有明显磁性。镍和钻具有明显磁性。镍和钻也具有磁性，但远不如铁。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、也具有磁性，但远不如铁。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等测量仪表等;抗磁性材料则可用做要求避免电磁场干扰的零件和结构抗磁性材料则可用做要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。材料。1.1.3金属的化学性能金属的化学性
46、能金属的化学性能是指金属在室温或高温时，抵抗各种化学介质作用所金属的化学性能是指金属在室温或高温时，抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能金属材料在机械制造中，不但要满足力学性能、物理性能的要求，同金属材料在机械制造中，不但要满足力学性能、物理性能的要求，同时也要求具有一定的化学性能，尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零时也要求具有一定的化学性能，尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零件，更应重视金属材料的化学性能。件，更应重视金属材料的化学性能。1.耐腐蚀
47、性耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对称为耐腐蚀性。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对在腐蚀介质在腐蚀介质(如酸、碱、盐、有毒气体等如酸、碱、盐、有毒气体等)中工作的零件，其腐蚀现象中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。因此，在选择材料制造这些零件时，应特别注比在空气中更为严重。因此，在选择材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐腐蚀性，并合理使用耐腐蚀性能良好的金属材料进行意金属材料的耐腐蚀性，并合理使用耐腐蚀性能良好的金
48、属材料进行制造。制造。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能2.抗氧化性抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加速。例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等氧化随温度升高而加速。例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗，也会热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷，为此常采取措施，避免金属材料发生氧化。形成各种缺陷，为此常采取措施，避免金属材料发生氧化。3.化学稳定性化学稳定性化学稳定性是金属材
49、料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高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。在高温条件下工作的设备温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备(如锅炉、如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件需要选择热稳定性好的上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。材料来制造。上一页 下一页返回1.1金属材料的性能金属材料的性能1.1.4金属的工艺性能金属的工艺性能工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能。也就是
50、金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程热加工的性能。也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，某种材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，就说明性能等。例如，某种材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，就说明该材料的焊接工艺性能好。工艺性能直接影响到制造零件的加工质量，该材料的焊接工艺性能好。工艺性能直接影响到制造零件的加工质量，同时也是选择材料时必须考虑的因素之一。同时也是选择材料时必须考虑的因素之一。1.铸造性能铸造性能金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健