第一章金屬材料導(dǎo)論中南大學(xué)CentralSouthUniversity第一章金屬材料導(dǎo)論一、金屬材料的力學(xué)性能二、金屬材料的性能簡述三、工程材料簡介四、金屬熱處理方法一、金屬材料的力學(xué)性能1、彈性與塑性2、強度3、強度與塑性指標(biāo)4、剛性5、硬度6、沖擊韌度7、疲勞破壞8、斷裂韌性

金屬材料的力學(xué)性能

Mechanicspropertiesofmetals金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的性能。主要性能指標(biāo)有：彈性、塑性、剛性（度）強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性1、彈性與塑性

（elasticityandplasticity）彈性金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能回復(fù)其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能叫做塑性。塑性變形在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形，概念2、強

度（strength）金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力——強度。概念分類拉力——抗拉強度壓力——抗壓強度彎曲力——抗彎強度。。。。3、強度與塑性指標(biāo)工程上通用的表示塑性的指標(biāo)為：延伸率（δ）斷面收縮率（ψ）

工程上通用的表示強度的指標(biāo)為：屈服強度（σs、σ0.2）

抗拉強度（σb）強度和塑性指標(biāo)的測定

拉伸實驗在拉伸實驗機上進(jìn)行實驗測得標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣拉伸實驗機強度和塑性指標(biāo)的測定

拉伸實驗低碳鋼拉伸圖強度和塑性指標(biāo)的計算公式根據(jù)拉伸實驗結(jié)果進(jìn)行計算，計算公式分別為：

δ=（l-l0）/l0×100%Ψ=（F0-F）/F0×100%σs=Ps/F0（MPa）

σb=Pb/F0（MPa）

σe=Pe/F0（MPa）F0——試樣的原始橫截面積（mm2）F——試樣斷裂后的橫截面積（mm2）Ps，Pb

分別為屈服點和最大點的拉力（N）l0，l分別為試樣斷裂前后的長度強度和塑性指標(biāo)的重要意義強度

機械設(shè)計和選材的重要依據(jù)。一般零件的許用應(yīng)力必須小于屈服強度。無明顯屈服點的零件，許用應(yīng)力小于抗拉強度。對于彈性元件其許用應(yīng)力應(yīng)小于彈性極限。塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。是零件安全使用的可靠保證。4、剛

性（rigidity）剛性金屬材料抵抗彈性變形的能力。概念影響因素材料本身的彈性模量零件截面積的大小意義零件能否順利進(jìn)行加工影響零件的加工精度

5、硬度（hardness）金屬材料抵抗比它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力，叫做硬度。根據(jù)測定硬度的實驗方法不同來分類。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）。。。概念與類型布氏硬度的測定用布氏硬度計HBS——壓頭為鋼球，用于測量<450HBSHBW——壓頭為硬質(zhì)合金,用于測量>450HBW計算公式：HB=壓入載荷（N）/壓痕表面積（mm2）壓頭是直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球。洛氏硬度的測定用洛氏硬度計洛氏硬度計用金剛石圓錐或小鋼球為壓頭，實驗時是根據(jù)測量到的壓入深度，轉(zhuǎn)變成刻度盤上的數(shù)據(jù)。計算公式：HR(A)C=100-h1/0.002洛氏硬度的分類及應(yīng)用標(biāo)度壓頭總載荷（kg）應(yīng)用范圍適用材料HRA120o金剛石圓錐6070~85硬質(zhì)合金、表面淬火的鋼HRBΦ1.588mm鋼球10025~100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC120o金剛石圓錐15020~67液火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等維氏硬度的測定采用正四棱錐體為壓頭，用壓痕單位面積上的載荷來計量硬度值。主要用于測量極薄試樣的硬度。硬度的意義硬度試驗是一種非破壞性實驗，可以直接在零件上測量。一般零件圖上標(biāo)有硬度作技術(shù)要求。

6、沖擊韌度（impacthardness）沖擊韌度——金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。沖擊韌度的測定在沖擊實驗機上進(jìn)行。

ak=Ak/F意義：①

用于受較大沖擊載荷的零件；

②檢驗熱加工工藝質(zhì)量。7、疲勞強度（fatiguestrength）疲勞破壞____受交變載荷作用的零件，發(fā)生斷裂時的應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，這種破壞現(xiàn)象，叫做疲勞破壞疲勞強度——當(dāng)金屬材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力,叫做疲勞強度。疲勞強度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎曲試驗機上進(jìn)行。用符號σ-1表示彎曲疲勞強度產(chǎn)生疲勞破壞的原因材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應(yīng)力集中微裂紋裂紋擴展破壞8、斷裂韌性（Fracturetoughness

）異常斷裂現(xiàn)象在材料的強度、塑性、沖擊韌性等都符合設(shè)計要求的情況下，零件在使用過程中出現(xiàn)突然斷裂事故。原因研究表明這種斷裂事故產(chǎn)生的原因是于內(nèi)部存在著各種宏觀缺陷，這種缺陷相當(dāng)于裂紋。當(dāng)材料受外力作用時，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力不斷增長，裂紋擴展，導(dǎo)致斷裂。斷裂韌性就是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴張能力的性能指標(biāo)，通常用K1c表示。概念二、金屬材料的性能簡述

使用性能工藝性能鑄造性能焊接性能鍛造性能熱處理性能切削加工性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能金屬材料的物理、化學(xué)性能物理性能熔點、密度、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等?；瘜W(xué)性能耐腐蝕性、抗氧化性等。物理化學(xué)性能將影響工藝性能和使用性能。復(fù)習(xí)思考題1、金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？是如何定義的，有何意義？2、下列代號的含義：3、HBS、σb、σs、HRC、ψ、δ、аk、σ-14、零件加工完成后，采用哪種方法測量其力學(xué)性能？5、將鐘表發(fā)條拉成一直線后，將力釋放，鐘表發(fā)條可能發(fā)生什么變形？6、某廠購進(jìn)一批鋼材，從中制取d0=10mm的圓形截面短試樣，經(jīng)拉伸實驗后，測得Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,Lk=65mm,dk=6mm.試問這批鋼材的力學(xué)性能是否合格？（注：GB699—88規(guī)定此種鋼材的力學(xué)性能判據(jù)：

b=375MPa；

s=225MPa;

5=27%;ψ=55%)。7、下列硬度要求或?qū)懛ㄊ欠袂‘?dāng)？為什么？

（1）HRC12～17；（2）HRC=50～60Kgf/mm2；（3）500～530HBS；（4）70HRC～75HRC；（5）230HBW；8、整體硬度要求230HBS～250HBS的軸類零件，精加工后再抽查，應(yīng)選用什么硬度計測量硬度較合適？9、一緊固螺釘在使用過程中發(fā)現(xiàn)有塑性變形，是因為螺釘材料的力學(xué)性能哪一判據(jù)的值不足？10、用洛氏硬度試驗方法能否直接測量成品或較薄工件？為什么？11、某室溫下使用的一緊固螺栓在工作時發(fā)現(xiàn)緊固力下降，試分析材料的何種性能指標(biāo)沒有達(dá)到要求？提出主要的可能解決措施。12、對自行車座位彈簧進(jìn)行設(shè)計和選材，應(yīng)涉及到材料的哪些主要性能指標(biāo)？13、實際生產(chǎn)中，為什么零件設(shè)計圖上一般是提出硬度技術(shù)要求而不是強度或塑性值？本節(jié)完三、工程材料簡介常用工程材料：鋼材、鑄鐵、鋁及鋁合金、銅及銅合金、粉末合金、工程塑料、橡膠、陶瓷材料、復(fù)合材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、納米材料以下分別介紹1、工業(yè)用鋼2、鑄鐵3、有色金屬三、工程材料

1、工業(yè)用鋼(steelproducts)

碳素鋼的基本化學(xué)成分：Fe、C、Si、Mn

碳鋼——含碳量<2.11%

鑄鐵——含碳量>2.11%(1)鋼的分類

碳素鋼(carbonsteel)按化學(xué)成分分類

合金鋼(alloysteel)

1、工業(yè)用鋼(steelproducts)

碳素鋼:低碳鋼C≤0.25%

中碳鋼C≥0.25%～0.55%

高碳鋼C>0.55%

合金鋼:

在碳鋼的基礎(chǔ)上加入Cr、Ni、

Mo、W、Mn、Si…等元素

碳素鋼的力學(xué)性能與含碳量的關(guān)系:

當(dāng)C%↑

則σb↑HBS↑δ↓ψ↓1、工業(yè)用鋼(steelproducts)

②按冶金質(zhì)量分類普通鋼：S≤0.050%P≤0.045%

優(yōu)質(zhì)鋼:S≤0.035%P≤0.035%

高級優(yōu)質(zhì)鋼:S≤0.020%P≤0.020%

※S——使鋼產(chǎn)生熱脆；P——使鋼產(chǎn)生冷脆

③按用途分類結(jié)構(gòu)鋼工具鋼

特殊性能鋼

1、工業(yè)用鋼(steelproducts)（2）鋼的編號與用途

①碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號：用該鋼屈服強度σS來表示

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275

用途：一般零件、工程結(jié)構(gòu)用鋼

②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號：用該鋼平均含碳量的萬分之幾表示。

08 10

15

含碳量低、σb與HBS低,δ與aK值高，

20

制造塑性較高、強度低的零件或鋼結(jié)構(gòu)

25

1、工業(yè)用鋼(steelproducts)303540

中碳調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)后綜合力學(xué)性能較好，用45

作主軸、曲軸、連桿、齒輪等結(jié)構(gòu)件50556065

含碳高，淬火、中溫回火后強度高、彈性高、70

韌性好，用作鋼絲繩、彈簧、凸輪等結(jié)構(gòu)件75

較高含錳量優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：Mn約為1.0～1.2%

15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn1、工業(yè)用鋼(steelproducts)

③合金結(jié)構(gòu)鋼鋼號：用含碳量與合金元素及其含量表示

20Cr、23CrNi3A、20Cr2Ni4、

35CrMo、40Cr、60Si2Mn用途：熱處理后具有優(yōu)良的力學(xué)性能，制造重要零件1、工業(yè)用鋼(steelproducts)④工具鋼：

制造刀具、量具、模具的鋼碳素工具鋼：T7、T7A、T8、T8A、T10、

T10A、T12、T12A

用途：制造手工工具、低速刀具如鋸條、銼刀、銑錐、鉆頭、鉸刀等低合金工具鋼：9SiCr、9Mn2V

高速工具鋼：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2

熱作模具鋼：5CrNiMo、3Cr2W8V

冷作模具鋼：Cr12MoV、9Mn2V1、工業(yè)用鋼(steelproducts)⑤特殊性能鋼不銹鋼：1Cr18Ni9Ti、1Cr13、2Cr13、

3Cr13

耐熱鋼：1Cr13Si3、1Cr23Ni2

熱強鋼：1Cr6Si2Mn、4Cr12Ni8MoVNb2、鑄鐵（castiron）鑄鐵的特點：σb、δ、aK低，但抗壓強度高，鑄造性、切削加工性、減震性、耐磨性良好。(1)白口鑄鐵（whitecastiron)

碳以Fe3C形式存在，斷口呈白色，性硬而脆?？芍圃炷湍ゼ?2)灰口鑄鐵（greycastiron)

碳主要以石墨形式存在，斷口呈灰色牌號：HT150、HT200、

HT250、HT300

2、鑄鐵（castiron）(3)可鍛鑄鐵(malleablecastiron)

碳以團絮狀石墨形式存在

生產(chǎn)方法：白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火而成。牌號：KTH300-06KTZ550-04KTB400-05

用途：韌性較高的小鑄件、連桿、小曲軸等

2、鑄鐵（castiron）(4)球墨鑄鐵(ductileiron)

碳以圓球狀石墨形式存在生產(chǎn)方法:向鐵水中加入孕育劑、球化劑性能特點:與鋼接近,強韌性較高牌號:QT400-18QT600-3

用途：可代替鋼材，制造主軸、齒輪、曲軸

3、有色金屬鋼材料材料以外的金屬稱為有色金屬。鋁及鋁合金銅及銅合金鈦合金四、金屬熱處理方法1、金屬熱處理基本概念2、常用的熱處理方法退火正火淬火回火3、表面熱處理表面淬火表面化學(xué)熱處理1、金屬熱處理基本概念熱處理（heattreatment):將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫（熱透）、冷卻，改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變其力學(xué)性能的一種工藝方法。 可分為

預(yù)備熱處理最終熱處理去應(yīng)力熱處理

2、常用熱處理方法（1）退火（annealing）①退火工藝方法：加熱溫度：

鋼材為800～950℃

保溫時間：

1.5～2min/mm

冷卻方式:

緩冷(爐冷)

2、常用熱處理方法②退火的目的：降低硬度,改善切削性能

細(xì)化晶粒,改善組織

消除應(yīng)力,防止零件變形與裂紋③退火的應(yīng)用：降低高碳鋼的硬度消除加工硬化

改善粗晶粒金屬組織

消除零件的應(yīng)力(低溫退火)2、常用熱處理方法（2）正火（normalizing）①正火工藝方法：加熱溫度：鋼材820～950℃

保溫時間：1.5～2min/mm

冷卻方式：空冷、風(fēng)冷②正火的目的與應(yīng)用：

含碳0.45%以下的鋼材,提高硬度,改善切削性能;細(xì)化粗金屬晶粒,改善組織;消除應(yīng)力,防止變形、裂紋。2、常用熱處理方法（3）淬火（QuenchHarding）①淬火方法加熱溫度：鋼材780~900℃

保溫時間：1~2min/mm

冷卻方式：水冷、油冷②淬火的目的提高鋼材的強度和硬度，提高零件的承載能力和使用壽命。注意： 鋼材淬火后，得到非平衡組織，存在較大的應(yīng)力與脆性，必須及時進(jìn)行回火后才能使用2、常用熱處理方法（4）回火（tempering）回火的目的

☆使淬火后的非平衡組織向平衡組織方向轉(zhuǎn)化 ☆消除淬火脆性、防止零件變形、開裂 ☆調(diào)整淬火鋼力學(xué)性能，達(dá)到使用要求①低溫回火加熱溫度：150～250℃

保溫時間:小件1小時以上,大件3小時以上2、常用熱處理方法

冷卻方式:空冷

回火硬度:HRC58～64

目的:

消除淬火應(yīng)力、脆性，轉(zhuǎn)變組織防止變形，開裂保持淬火后的高硬度、高耐磨性

應(yīng)用：

刀具、量具、模具、耐磨零件2、常用熱處理方法②中溫回火

回火溫度：350～500℃

回火硬度：HRC35～50

目的：

消除應(yīng)力、脆性、轉(zhuǎn)變組織防止變形、開裂獲得高強度、高彈性、良好的韌性

應(yīng)用：

彈簧、彈性零件、熱作模具2、常用熱