1、第一章 金屬的性能 金屬材料由于具有許多良好的性能，在機(jī)械制造業(yè)中，廣泛地用于制造生產(chǎn)和生活用品。為了能夠合理地選用金屬材料，設(shè)計(jì)、制造出具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，必須了解和掌握金屬材料的性能。 金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來(lái)的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能；工藝性能是指金屬材料在制造加工過(guò)程中反映出來(lái)的各種性能，如鑄造性能、鍛造性能等。第一節(jié) 金屬的力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能是指金屬在力作用下所顯示與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的性能。彈性是指物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又恢復(fù)到其原始形狀和尺寸的特性。應(yīng)力是

2、指物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用的力（稱為內(nèi)力）與截面積的比值。應(yīng)變是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對(duì)變化，通常以百分?jǐn)?shù)（%）表示。 金屬受力的性質(zhì)不同，將表現(xiàn)出各種不同的行為，顯示出各種不同的力學(xué)性能。金屬的力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度、硬度和疲勞強(qiáng)度等。 一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度 金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，它可以分為靜載荷、沖擊載荷及循環(huán)載荷等三種。靜載荷是指大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度。 金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。 (單擊圖片播放) 1拉伸試樣 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中

3、，對(duì)拉伸試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。通常采用圓柱形拉伸試樣，如圖11所示。 圖中d0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始直徑；l0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度。根據(jù)標(biāo)距長(zhǎng)度與直徑之間的關(guān)系，拉伸試樣可分為長(zhǎng)試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）兩種。 2力伸長(zhǎng)曲線 力-伸長(zhǎng)曲線是指拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力F與試樣伸長(zhǎng)量L之間的關(guān)系曲線，一般由拉伸試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪出。圖12為低碳鋼試樣的力伸長(zhǎng)曲線，圖中縱坐標(biāo)表示力F，單位為N；橫坐標(biāo)表示試樣伸長(zhǎng)量L，單位為mm。 觀察力伸長(zhǎng)曲線，明顯地表現(xiàn)出下面幾個(gè)變形階段：（1）oe彈性變形階段 （2）es屈服階段 （3）sb冷變形強(qiáng)化階段 （4）bk縮頸與斷裂階段

4、 工程上使用的金屬材料，大多沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。有些脆性材料，不僅沒(méi)有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，如高碳鋼、鑄鐵等。圖13為鑄鐵的力伸長(zhǎng)曲線。 3強(qiáng)度指標(biāo) （1）屈服點(diǎn) 在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，拉伸力不增加（保持恒定），試樣仍然能繼續(xù)伸長(zhǎng)（變形）時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)。用符號(hào)s表示，單位為MPa。計(jì)算公式如下：s=式中 Fs試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力，單位為N； S0試樣原始橫截面積，單位為mm2。對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，可用屈服強(qiáng)度0.2表示。0.2是指試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力。計(jì)算公式如下：0.2=式中 F0.2殘余伸長(zhǎng)率達(dá)0.2%

5、時(shí)的拉伸力，單位為N； S0試樣原始橫截面積，單位為mm2。 屈服點(diǎn)s和屈服強(qiáng)度0.2是工程上極為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，是大多數(shù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)，是評(píng)定金屬材料性能的重要參數(shù)。零件在工作中所承受的應(yīng)力，超過(guò)屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)因過(guò)量的塑性變形而失效。0SFs00.2SF （2）抗拉強(qiáng)度 試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。用符號(hào)b表示，單位為MPa。計(jì)算公式如下：b=式中 Fb試樣拉斷前所承受的最大拉伸力，單位為N； S0試樣原始橫截面積，單位為mm2。 零件在工作中所承受的應(yīng)力，不應(yīng)超過(guò)抗拉強(qiáng)度，否則會(huì)導(dǎo)致斷裂。b也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)，也是評(píng)定金屬材料性能的重要參數(shù)

6、。0SFb 二、塑性二、塑性 塑性是指金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。 1伸長(zhǎng)率 試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長(zhǎng)率。用符號(hào)表示。值可用下式計(jì)算：= 100%式中 l1拉斷試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長(zhǎng)度，單位為mm； l0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，單位為mm。 必須說(shuō)明，同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的伸長(zhǎng)率數(shù)值是不相等的。長(zhǎng)試樣和短試樣的伸長(zhǎng)率分別用符號(hào)10和5表示，習(xí)慣上10也寫成。001lll 2斷面收縮率 試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率。用符號(hào)表示。值可用下式計(jì)算：= 100%式中 S0試樣原始橫截面積，

7、單位為mm2； S1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積，單位為mm2。 金屬材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率數(shù)值越大，說(shuō)明其塑性越好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用，例如低碳鋼的塑性好，能通過(guò)鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進(jìn)行壓力加工。塑性好的材料，在受力過(guò)大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還必須具有一定的塑性。010SSS 三、硬度三、硬度 硬度是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)，是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 測(cè)試硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度試驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法和維氏硬度試驗(yàn)法三種。 1布氏硬度 （1）測(cè)試原理 使

8、用一定直徑的球體，以規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，去除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑，然后計(jì)算其硬度值，如圖14所示。(單擊圖片播放) 布氏硬度值是指球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力。選擇硬質(zhì)合金球壓頭時(shí)，用符號(hào)HBW表示。布氏硬度值可用下式計(jì)算：HBW= =0.102 布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，壓頭球體直徑D、試驗(yàn)力F和試驗(yàn)力保持時(shí)間，應(yīng)根據(jù)被測(cè)金屬的種類、硬度值范圍及試樣的厚度進(jìn)行選擇，見(jiàn)表11。 （2）表示方法 布氏硬度的表示方法是，測(cè)定的硬度數(shù)值標(biāo)注在符號(hào)HBW的前面，符號(hào)后面按球體直徑、試驗(yàn)力、試驗(yàn)力保持時(shí)間（1015s不標(biāo)注）的順序，用相應(yīng)的數(shù)字表示試驗(yàn)條件。 例如：55

9、0HBW5/750，表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球，在7355N試驗(yàn)力的作用下，保持1015s時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為550。SF)(222dDDDF表表11 11 布氏硬度試驗(yàn)的技術(shù)條件布氏硬度試驗(yàn)的技術(shù)條件材 料布氏硬度球直徑/mm012F/D2試驗(yàn)力/N試驗(yàn)力保持時(shí)間/s注意事項(xiàng)鐵金屬1401052530294207355183910試樣厚度應(yīng)不小于壓痕深度的10倍。試驗(yàn)后，試樣邊緣及背面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)變形痕跡壓痕中心距試樣邊緣距離應(yīng)不小于壓痕直徑的25倍相鄰兩壓痕中心距離應(yīng)不小于壓痕直徑的4倍1401052510980724526131015非鐵金屬130105253029420735518393

10、036130105251098072452613308351052525245261315360 （3）適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn) 布氏硬度主要適用于測(cè)定灰鑄鐵、非鐵金屬及退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材等材料的硬度。布氏硬度試驗(yàn)時(shí)獲得的壓痕直徑大，能在較大范圍內(nèi)反映被測(cè)金屬的平均硬度，試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確；布氏硬度試驗(yàn)操作比較緩慢。用硬質(zhì)合金球測(cè)量時(shí)，金屬的硬度值必須小于650。又因其壓痕較大，要損傷金屬的表面，故不宜測(cè)量成品件或薄件。 2洛氏硬度 （1）測(cè)試原理 洛氏硬度試驗(yàn)是用錐頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力的先后作用下，壓入試樣的表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間

11、后卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)測(cè)量的壓痕深度來(lái)計(jì)算洛氏硬度值。如圖15所示。 洛氏硬度用符號(hào)HR表示。計(jì)算公式如下：HR=式中 K常數(shù)。用金剛石圓錐體壓頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，K為0.2mm；用淬火鋼球壓頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，K為0.26mm。 e殘余壓痕深度增量，單位為mm。 洛氏硬度沒(méi)有單位，試驗(yàn)時(shí)硬度值可直接從洛氏硬度計(jì)的刻度盤上讀出。 （2）常用洛氏硬度標(biāo)尺及其適用范圍 由于試驗(yàn)時(shí)選用的壓頭和總試驗(yàn)力的不同，洛氏硬度的測(cè)量尺度也就不同，常用的洛氏硬度標(biāo)尺有A、B、C三種，其中C標(biāo)尺應(yīng)用較為廣泛。三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)規(guī)范和應(yīng)用范圍見(jiàn)表12。002. 0eK （3）優(yōu)缺點(diǎn) 洛氏硬度試驗(yàn)壓痕較

12、小，對(duì)試樣表面損傷小，可用來(lái)測(cè)定成品、半成品或較薄工件的硬度；試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，可直接從刻度盤上讀出硬度值；由于采用不同的硬度標(biāo)尺，洛氏硬度的測(cè)試范圍大，能測(cè)量從極軟到極硬各種金屬的硬度。但是，由于壓痕小，當(dāng)材料的內(nèi)部組織不均勻時(shí)，硬度數(shù)值波動(dòng)較大，不能反映被測(cè)金屬的平均硬度，因此，在進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)，需要在不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來(lái)表示被測(cè)金屬的硬度。表表12 12 常用洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍常用洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭初試驗(yàn)力/N主試驗(yàn)力/N總試驗(yàn)力/N測(cè)量范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐981490358847085硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳層等BHRB鋼球98

13、18826980725100退火或正火鋼、非鐵金屬等CHRC金剛石圓錐9811373147112067調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等 3維氏硬度 維氏硬度的測(cè)試原理，如圖16所示。將相對(duì)面夾角為136的金剛石正四棱錐體壓頭，以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，在試樣表面形成一個(gè)正四棱錐形壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度，計(jì)算壓痕單位表面積上承受的平均壓力，以此作為被測(cè)金屬的硬度值，稱為維氏硬度，用符號(hào)HV來(lái)表示。維氏硬度可用下式計(jì)算： HV=0.1891式中 F試驗(yàn)力，單位為N； d壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度的算術(shù)平均值，單位為mm。2dF 維氏硬度試驗(yàn)所用的試驗(yàn)力可根據(jù)試樣的大小、厚薄等條件進(jìn)行

14、選擇，常用試驗(yàn)力的大小在49.03980.7N范圍內(nèi)。 維氏硬度值的表示方法與布氏硬度相同，硬度數(shù)值寫在符號(hào)的前面，試驗(yàn)條件寫在符號(hào)的后面。對(duì)于鋼及鑄鐵，當(dāng)試驗(yàn)力保持時(shí)間為1015s時(shí)，可以不標(biāo)出。例如： 642HV30表示，用294.2N試驗(yàn)力保持1015s測(cè)定的維氏硬度值為642。 642HV30/20表示，用294.2N試驗(yàn)力保持20s測(cè)定的維氏硬度值為642。 由于維氏硬度試驗(yàn)時(shí)所加試驗(yàn)力較小，壓痕深度較淺，故可測(cè)量較薄工件的硬度，尤其適用于零件表面層硬度的測(cè)量，如化學(xué)熱處理的滲層硬度測(cè)量，其結(jié)果精確可靠。因維氏硬度值具有連續(xù)性，范圍在51000HV內(nèi)，所以適用范圍廣，可測(cè)定從極軟到極

15、硬各種金屬的硬度。但維氏硬度試驗(yàn)操作比較緩慢，而且對(duì)試樣的表面質(zhì)量要求較高。 四、沖擊韌度四、沖擊韌度 金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度。為了測(cè)定金屬的沖擊韌度，通常要進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。 1測(cè)試原理 夏比沖擊試驗(yàn)是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，利用的是能量守恒原理。試驗(yàn)時(shí)，將被測(cè)金屬的沖擊試樣放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，缺口應(yīng)背對(duì)擺錘的沖擊方向，如圖17所示。擺錘沖斷試樣所消耗的勢(shì)能即是擺錘沖擊試樣所作的功，稱為沖擊吸收功，用符號(hào)AK表示。 試驗(yàn)時(shí)，AK值可直接從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。AK值的大小就代表了被測(cè)金屬韌性的高低，但習(xí)慣上采用沖擊韌度來(lái)表示金屬的韌性。沖擊吸收功AK除以試

16、樣缺口處的橫截面積S0，即可得到被測(cè)金屬的沖擊韌度，用符號(hào)K表示。其計(jì)算公式如下： K=式中 K沖擊韌度，單位為J/cm2； AK沖擊吸收功，單位為J； S0試樣缺口處橫截面積，單位為cm2。 一般將K值低的材料稱為脆性材料，K值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤；韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒(méi)有金屬光澤。0SAK 2沖擊試樣 為了使夏比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果可以互相比較，沖擊試樣必須按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作，如圖18所示。常用的沖擊試樣有夏比U型缺口試樣和夏比V型缺口試樣兩種，其相應(yīng)的沖擊吸收功分別標(biāo)為AKU和AKV，沖擊韌度則標(biāo)為KU和KV

17、。 3韌脆轉(zhuǎn)變溫度 金屬的沖擊吸收功與沖擊試驗(yàn)時(shí)的溫度有關(guān)。同一種金屬材料在一系列不同溫度下的沖擊試驗(yàn)中，測(cè)繪的沖擊吸收功與試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系曲線，稱為沖擊吸收功溫度曲線，如圖19所示。 當(dāng)溫度降至某一范圍時(shí)，沖擊吸收功急劇下降，金屬由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。金屬由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量金屬冷脆傾向的指標(biāo)。 在選擇金屬材料時(shí)，應(yīng)考慮其工作條件的最低溫度必須高于金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 4多次沖擊試驗(yàn) 在實(shí)際工作中，承受沖擊載荷作用的零件或工具，經(jīng)過(guò)一次沖擊斷裂的情況很少。大多數(shù)情況是在小能量多次沖擊作用下而破壞的，這種破壞是由于多次沖擊

18、損傷的積累，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的結(jié)果，與大能量一次沖擊的破壞過(guò)程有本質(zhì)的區(qū)別。小能量多次沖擊試驗(yàn)的原理如圖110所示。 實(shí)踐證明，沖擊韌度高的金屬材料，小能量多次沖擊抗力不一定高。一般金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時(shí)，其沖擊抗力主要取決于金屬的塑性，而在小能量多次沖擊的情況下，其沖擊抗力主要取決于金屬的強(qiáng)度。 五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度 1疲勞現(xiàn)象 許多機(jī)械零件都是在循環(huán)載荷的作用下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種滾動(dòng)軸承等。循環(huán)載荷是指大小、方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。承受循環(huán)載荷作用的零件，在工作過(guò)程中，常常在工作應(yīng)力還低于制作材料的屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的情況下，仍然會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象

19、稱為疲勞。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無(wú)明顯的塑性變形作為預(yù)兆，故具有很大的危險(xiǎn)性。 疲勞斷裂是在零件應(yīng)力集中的局部區(qū)域開(kāi)始發(fā)生的，這些區(qū)域通常存在著各種缺陷，如劃痕、夾雜、軟點(diǎn)、顯微裂紋等等，在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使零件的有效承載面積不斷減少，最后達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，發(fā)生突然斷裂。因此，疲勞破壞的宏觀斷口是由疲勞裂紋的策源地及其擴(kuò)展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)（粗糙部分）組成的，如圖111所示。 2疲勞強(qiáng)度 在循環(huán)載荷作用下，金屬所承受的循環(huán)應(yīng)力和斷裂時(shí)相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)周次數(shù)N

20、之間的關(guān)系，可以用曲線來(lái)描述，這種曲線稱為N疲勞曲線，如圖112所示。 金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值，稱為金屬的疲勞強(qiáng)度，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度用符號(hào)-1表示。 實(shí)際上，金屬材料不可能做無(wú)數(shù)次循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)，一般都是求疲勞極限，即對(duì)應(yīng)于規(guī)定的循環(huán)基數(shù)，試樣不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值。對(duì)于鐵金屬，一般規(guī)定應(yīng)力循環(huán)基數(shù)為107周次；對(duì)于非鐵金屬，則應(yīng)力循環(huán)基數(shù)規(guī)定為108周次。 金屬的疲勞極限受很多因素的影響，如工作條件、材料成分及組織、零件表面狀態(tài)等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀、降低零件表面粗糙度、采取各種表面強(qiáng)化方法、盡可能減少各種熱處理缺陷等都可以提高零件的疲勞極限。第二節(jié) 金屬的工藝性能 工藝性能是指金屬在制造各種機(jī)械零件或工具的過(guò)程中，對(duì)各種不同加工方法的適應(yīng)能力，即金屬采用某種加工方法制成成品的難易程度。它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等，例如某種金屬材料用鑄造成形的方法，容易得到合格的鑄件，則該種材料的鑄造性能好。工藝性能直接影響零件的制造工藝和質(zhì)量，是選擇金屬材料時(shí)必須考慮的因素之一。 一、鑄造性能一、鑄造性能 金屬在鑄造成形過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動(dòng)性、收縮