金屬材料的種類與力學(xué)性能本課程的主要內(nèi)容金屬材料的基本知識，包括金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、性能及對加工過程的影響；各種金屬加工方法的基本原理及其規(guī)律性。（鑄、壓、焊、熱處理）；加工方法的綜合對比、選用；金屬制件的結(jié)構(gòu)工藝性。課程特點綜合性實踐性學(xué)習(xí)目的和要求材料的基礎(chǔ)知識和改性方法掌握工藝方法的基本原理具有初步的工藝路線設(shè)計能力第1章金屬材料的種類與力學(xué)性能材料材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。材料的重要性材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。現(xiàn)代社會生產(chǎn)三大支柱材料、能源、信息的基礎(chǔ)。材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代社會生產(chǎn)三大支柱的基礎(chǔ)手錘銼刀“神舟”四號飛船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機(jī)龍芯聯(lián)想計算機(jī)沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機(jī)技術(shù)。

沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片波音客機(jī)沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

材料的分類：按材料的用途可分為：建筑材料、電工材料、結(jié)構(gòu)材料等；按材料的結(jié)晶狀態(tài)可分為：單晶體材料、多晶體材料及非晶體材料；按材料的物理性能及物理效應(yīng)可分為：半導(dǎo)體材料、磁性材料、激光材料、熱電材料、光電材料等。工程上按化學(xué)組成與結(jié)合鍵分：1、金屬材料2、高分子材料3、陶瓷材料4、復(fù)合材料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤良好的工藝性能用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

返回陶瓷材料以共價鍵和離子鍵為主熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類返回高分子材料

以分子鍵和共價鍵為主塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小包括塑料、橡膠及合成纖維等分子鍵共價鍵返回復(fù)合材料

包括：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料

是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料以汽車工業(yè)為例：一輛轎車，需用800多種材料.1.1金屬材料的種類

1.2金屬材料的性能材料的主要性能是指:使用性能（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能工藝性能

加工成形的性能1.2.1金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能：材料在不同環(huán)境因素下，在載荷作用下所表現(xiàn)的行為，這種行為通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂，它是金屬材料的主要性能之一，也是工程技術(shù)人員正確選用材料的重要依據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能是通過實驗測定的。五萬噸水壓機(jī)1912年，英國斯科特南極探險隊。錫焊鐵桶。煤油漏光。1867年冬天，俄國彼得堡海軍倉庫。錫磚?；疑勰┩饬Αd荷按作用性質(zhì)分靜載荷：大小不變或逐漸變化。沖擊載荷：大小、方向突然變化。交變載荷：大小、方向隨時間做周期性變化。按作用形式拉伸、壓縮、剪切、扭折、彎曲。變形：金屬材料在外力作用下，形狀和尺寸的變化。彈性變形和塑性變形強(qiáng)度強(qiáng)度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力塑性：材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力。拉伸試驗和拉伸曲線試樣：按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)。研究表明低碳鋼在外加載荷作用下的變形過程一般可分為三個階段，即彈性變形、塑性變形和斷裂。σ：應(yīng)力ε：應(yīng)變σP：比例極限σe：彈性極限（彈性強(qiáng)度）σs：屈服極限（屈服強(qiáng)度）σb：強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）E：材料彈性模量（剛度）（E=σ/

ε）屈服點（強(qiáng)度）σs：材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時的最低應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度σ0.2：殘余變形量為0.2%時的應(yīng)力值。抗拉強(qiáng)度σb：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。2.塑性指標(biāo)：一般用伸長率(δ)或斷面收縮率(Ψ)來反映材料塑性的好壞。伸長率：斷面收縮率：3.硬度定義：當(dāng)外來物體作用于固體上時，固體抵抗局部變形特別是塑性變形、壓入、劃痕的能力。意義：與耐磨性以及工藝性能往往存在一定對應(yīng)關(guān)系，故可用來檢驗原材料和控制冷熱加工質(zhì)量，同時硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化。測量方法：靜載壓入法根據(jù)壓頭和載荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)等。布氏硬度原理：用載荷為F的力把直徑為D的鋼球（或硬質(zhì)合金球）壓入金屬表面，并保持一定時間，然后卸載，測出鋼球在金屬表面上所壓出的圓形凹痕的直徑d。由此計算出球面面積，求出單位面積所受的力，既為金屬的布氏硬度值。以符號HBS（壓頭為淬火鋼球）或HBW（壓頭為硬質(zhì)合金）。

說明壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度試驗適用于測量退火鋼、正火鋼及常見的鑄鐵和有色金屬等較軟材料。布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。

洛氏硬度原理：用一個錐頂角1200的金剛石圓錐或一定直徑的鋼球為壓頭，施以98.07N的初始壓力，使壓頭與試樣始終保持緊密接觸，然后在規(guī)定的主載荷作用下壓入被測金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。壓頭有硬質(zhì)（頂角為1200的金剛石圓錐）和軟質(zhì)（直徑為1.5875mm的鋼球）計算公式：HRC=100-h/0.002洛氏硬度壓頭總載荷/N測量范圍適用材料HRA120°金剛石圓錐體588.460～85硬質(zhì)合金材料、表面淬火鋼等HRB1.588mm淬火鋼球980.725～100軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC120°金剛石圓錐體1471.120～67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等洛氏硬度標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初試驗力N主試驗力N總試驗力N適用范圍15NHR15N金剛石圓錐29.42117.7147.170HR15N~94HR15N30NHR30N金剛石圓錐29.42264.8294.242HR30N~86HR30N45NHR45N金剛石圓錐29.42411.9441.320HR45N~77HR45N15THR15T直徑1.5875mm球29.42117.7147.167HR15T~93HR15T30THR30T直徑1.5875mm球29.42264.8294.229HR30T~82HR30T45THR45T直徑1.5875mm球29.42411.9441.310HR45T~72HR45T根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼、灰鑄鐵等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度：英國的維克斯Vickers公司維氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，但維氏硬度試驗是用兩面夾角為136°的金剛石四棱錐體作為壓頭。試驗時測出壓痕對角線長度以計算壓痕的表面積，以F/A的數(shù)值表示維氏硬度值。

當(dāng)載荷的單位為N時HV=0.1891F/d2(MPa)

測量規(guī)范：三類試驗力：宏觀維氏硬度試驗力(49.03～980.7N)、小負(fù)荷維氏試硬度驗力(1.96～49.03N)、顯微維氏硬度試驗力(1～1.96N)。選用原則：根據(jù)材料硬度、硬化層、試樣厚度。表示方法：與布氏硬度相同。如：400HV30表示用30kgf試驗力測定的硬度值為400。應(yīng)用：精密工業(yè)和材料科學(xué)研究，特別適用于細(xì)小、極薄的材料及表面處理制件，具有洛、布氏硬度的主要優(yōu)點，但不如洛氏硬度簡單。維氏硬度4.沖擊韌性沖擊韌度：金屬材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。一次沖擊試驗及其指標(biāo)試樣：如圖。試驗設(shè)備：擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)。

應(yīng)用：沖擊值只作為選材參考，在判別金屬材料抵抗大能量沖擊能力方面有一定的作用，但對小能量多次沖擊不夠準(zhǔn)確。另外對組織很敏感，可用來判斷冶煉、熱加工、熱處理的工藝質(zhì)量。

Titanic近代船用鋼板疲勞強(qiáng)度疲勞：材料在交變應(yīng)力和應(yīng)變的作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程叫做疲勞。金屬疲勞破壞的特征：沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂突然發(fā)生；引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低（常常低于屈服極限）；斷口由兩部分組成，疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)（光亮區(qū)）和最后斷裂區(qū)（粗糙區(qū)）。疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)疲勞極限：材料在“無數(shù)”次重復(fù)交變載荷的作用下而不破壞的最大應(yīng)力。當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)對稱時，疲勞極限用σ-1表示。條件疲勞極限—不存在疲勞極限時，規(guī)定循環(huán)基數(shù)時的斷裂應(yīng)力產(chǎn)生疲勞的原因：材料表面或內(nèi)部的缺陷（如雜質(zhì)、刀痕），在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生了微裂紋，并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增加不斷擴(kuò)展，使零件實際承受載荷的面積不斷減少，直到不能承受外加載荷，零件即發(fā)生突然斷裂。測定：一般在彎曲疲勞試驗機(jī)上。影響疲勞極限的因素：內(nèi)部質(zhì)量、表面狀況、殘余內(nèi)應(yīng)力。提高疲勞極限的途徑：零件結(jié)構(gòu)、材料本質(zhì)、零件表面狀態(tài)

1.2.2金屬材料的物理、化學(xué)性能

1物理性能密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等2化學(xué)性能金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力。1.2.3工藝性能鑄造性能：包括流動性、收縮性和偏析傾向。常用金屬材料中，