1、第1章 金屬的性能,1.1 金屬的物理性能和化學性能 1.2 金屬的力學性能 1.3 金屬的工藝性能,1.1 金屬的物理性能和化學性能,1.1.1 金屬的物理性能 1.1.2 金屬的化學性能,返回,1.1.1 金屬的物理性能,1. 密度 某種物質單位體積的質量稱為該物質的密度。金屬的密度即是單位體積金屬的質量。密度的表達式如下： (1.1) 式中 物質的密度(kgm3)； 物質的質量(kg)； 物質的體積(m3)。,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,密度是金屬材料的特性之一。不同金屬材料的密度是不同的。在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質量(重量)也就越大。金屬材料的密度，直接

2、關系到由它所制成設備的自重和效能。 一般將密度小于5lO3kgm3的金屬稱為輕金屬，密度大于5lO3kgm3的金屬稱為重金屬。 利用密度公式可以計算大型零件的質量，測量金屬的密度可以鑒別金屬和確定某些金屬鑄件的致密程度。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,2. 熔點 金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點。金屬都有固定的熔點。 合金的熔點決定于它的成分，例如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于含碳量不同，熔點也不同。熔點對于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接是重要的工藝參數。 熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等

3、方面得到廣泛應用。熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造印刷鉛字(鉛與銻的合金)、保險絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,3. 導熱性 金屬材料傳導熱量的性能稱為導熱性。 導熱性的大小通常用熱導率來衡量。熱導率的符號是，單位是W/(mK)。熱導率越大，金屬的導熱性越好。金屬的導熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導熱性比純金屬差。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,4. 導電性 金屬材料傳導電流的性能稱為導電性。 衡量金屬材料導電性能的指標是電阻率，電阻率的單位是cm，電阻率越小，金屬導電性越好。金屬導

4、電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導電性比純金屬差。 導電性好的金屬如純銅、純鋁，適于做導電材料，導電性差的金屬如康銅和鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,5. 熱膨脹性 金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時膨脹而體積增大，冷卻時收縮而體積縮小。 熱膨脹性的大小用線脹系數l和體脹系數V來表示。線脹系數計算公式如下： （1.2） 式中 線脹系數(1K或1)； 膨脹前長度(m)； 膨脹后長度(m)； 溫度變化量 (K或)。,上一頁,下一頁,返回,1.1.1 金屬的物理性能,6.磁性 金屬材料在磁場中受到磁化的性能稱為磁性

5、。根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，可分為鐵磁性材料(如鐵、鈷等)、順磁性材料(如錳、鉻等)、抗磁性材料(如銅、鋅等) 三類。鐵磁性材料在外磁場中能強烈地被磁化；順磁性材料在外磁場中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用。工程上實用的強磁性材料是鐵磁性材料。 鐵磁性材料當溫度升高到一定數值時，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個轉變溫度稱為居里點。如鐵的居里點是770。,上一頁,返回,1.1.2 金屬的化學性能,1. 耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學介質腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。 腐蝕作用對金屬材料的危害很大。它不僅使金屬材料本身受到損傷，

6、嚴重時還會使金屬構件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。這種現象在制藥、化肥、制酸、制堿等化工部門更應引起足夠的重視。因此，提高金屬材料的耐腐蝕性能，對于節(jié)約金屬、延長金屬材料的使用壽命，具有現實的經濟意義。,下一頁,返回,1.1.2 金屬的化學性能,2. 抗氧化性 金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴重。這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍造成一種保護氣氛，避免金屬材料的氧化。,上一頁,下一頁,返回,1.1.2 金屬的化學性能,3. 化學穩(wěn)定性 化學穩(wěn)定性是金屬材料

7、的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設備(如鍋爐、加熱設備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等)上的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。,上一頁,返回,圖1-1 載荷的作用形式,(a) (b) (c) (d) (e) (a)拉伸載荷 (b)壓縮載荷 (c)彎曲載荷 (d)剪切載荷 (e)扭轉載荷,返回,1.2 金屬的力學性能,在機械設備及工具的設計、制造中選用金屬材料時，大多以力學性能為主要依據，因此熟悉和掌握金屬材料的力學性能是非常重要的。 所謂力學性能是指金屬在外力作用時表現出來的性能。力學性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。,下一頁,返回,1

8、.2 金屬的力學性能,金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。根據載荷作用性質的不同，它可以分為靜載荷、沖擊載荷及疲勞載荷等三種： (1) 靜載荷 是指大小不變或變動很慢的載荷； (2) 沖擊載荷 是指突然增加的載荷； (3) 疲勞載荷 是指所經受的周期性或非周期性的動載荷(也稱循環(huán)載荷)。 根據載荷作用方式不同，它可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉載荷等，如圖1-1所示。,上一頁,下一頁,返回,1.2 金屬的力學性能,金屬受外力作用后，為保持其不變形，在材料內部作用著與外力相對抗的力，稱為內力。單位面積上的內力稱為應力。 金屬受拉伸載荷或壓縮載荷作用時，其橫截面積上的應

9、力( )按下式汁算： (1.3) 式中 外力(N)； 橫截面積(m2)； 應力(Pa)。1Pa1N/m2。當面積用mm2時，則應力可用Mpa為單位。1Mpa1N/mm2106Pa。,上一頁,下一頁,返回,1.2 金屬的力學性能,1.2.1 強度 1.2.2 塑性 1.2.3 硬度 1.2.4 韌性 1.2.5 疲勞強度,上一頁,返回,圖1-2 低碳鋼的力伸長曲線,返回,圖1-3 低碳鋼的應力應變曲線,返回,圖1-3 低碳鋼的應力應變曲線,返回,圖1-4 圓形拉伸試樣,返回,圖1-5 鑄鐵的應力應變曲線,返回,1.2.1 強度,1. 常溫靜載拉伸試驗 按國家標準（GBT397 - 1986）制作

10、標準拉伸試樣，在拉伸試驗機上緩慢的進行拉伸，使試樣承受軸向拉力，并引起試樣沿軸向伸長，直至試樣斷裂。在實驗中同時連續(xù)測量力和相應的伸長量,根據測得的數據，即可得到拉力和相應伸長變形的關系曲線，該曲線稱為拉伸圖，如圖1-2所示。,下一頁,返回,1.2.1 強度,通過觀察可以發(fā)現，拉伸圖的形狀與試樣的尺寸有關，要研究金屬材料拉伸時的力學性能就需要消除試樣尺寸的影響。為了消除試樣橫截面尺寸的影響，將拉力F除以試樣原來的橫截面面積A，得到 ；為了消除試樣長度的影響，將變形 除以試樣原長 ，得到應變 ，這樣曲線就轉變?yōu)?曲線，見圖1-3。 曲線的形狀與 曲線相似，但與試樣尺寸無關，僅反映金屬材料本身的特

11、性。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,2拉伸試樣 拉伸試樣的形狀一般有圓形和矩形兩類。在國家標準(GBT397 - 1986)中，對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。圖1-4所示為圓形拉伸試樣。 圖中 是試樣的直徑， 為標距長度。根據標距長度與直徑之間的關系，試樣可分為長試樣( )和短試樣( )兩種。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,3應力應變曲線 在得到的應力應變曲線圖（見圖1-3）中，明顯地表現出下面幾個變形階段： (1) OA彈性變形階段 (2) BC 屈服階段 (3) CD 強化階段 (4) DE 縮頸階段(局部塑性變形階段) 工程上使用的金屬材料，多數沒有明顯

12、的屈服現象。有些脆性材料，不僅沒有屈服現象，而且也不產生“縮頸”，如鑄鐵等。圖1-5為鑄鐵的應力應變曲線。,上一頁,下一頁,返回,1.2.1 強度,4. 強度指標 (1) 屈服點 用符號S表示，計算公式如下： （1.4） 對于無明顯屈服現象的金屬材料，按國標GBT2281987規(guī)定可用規(guī)定殘余伸長應力表示： （1.5） (2) 抗拉強度 用符號b表示。計算公式如下： （1.6）,上一頁,返回,1.2.2 塑性,1. 伸長率 試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率，用符號 表示。其計算公式如下： （1.7） 必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率是不同的，因此，比較伸長率時要

13、注意試樣規(guī)格的統(tǒng)一。,下一頁,返回,1.2.2 塑性,2. 斷面收縮率 試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號 表示。其計算公式如下： （1.8） 金屬材料的伸長率（）和斷面收縮率（）數值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成復雜形狀的零件。,上一頁,返回,1.2.3 硬度,1. 布氏硬度 (1) 測試原理 用符號 來表示，計算公式如下： (1.9) (2) 表示方法 (3) 適用范圍及優(yōu)缺點,下一頁,返回,1.2.3 硬度,2. 洛氏硬度 (1) 測試原理 洛氏硬度值按下列公式計算： (1.10) (

14、2) 常用洛氏硬度的三種標尺及其適用范圍 (3) 表示方法 (4) 優(yōu)缺點,上一頁,下一頁,返回,1.2.3 硬度,3維氏硬度 (1) 試驗原理 維氏硬度用符號 表示。計算公式如下： (1.11) (2) 表示方法 (3) 適用范圍及優(yōu)缺點,上一頁,返回,1.2.4 韌性,1. 沖擊韌度 (1) 沖擊試樣 為了使試驗結果可以互相比較，必須采用標準試樣。沖擊試樣的類型很多，可根據國家標準有關規(guī)定來選擇。常用的試樣有10mm10mm55mm的U形缺口和V形缺口試樣， (2) 沖擊試驗原理 (3) 沖擊韌度的計算 (1.12),下一頁,返回,1.2.4 韌性,2多沖抗力 實踐表明，承受沖擊載荷的機械

15、零件，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕大多數是在一次沖擊不足以使零件破壞的小能量多次沖擊作用下而破壞的，如沖模的沖頭等。這類零件破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導致裂紋的產生與擴展的結果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。對于這樣的零件，用沖擊韌度來作為設計依據顯然是不符合實際的，需要采用小能量多次沖擊試驗來檢驗這類金屬材料的抗沖擊性能，即檢驗其多沖抗力。,上一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,1. 疲勞的概念 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現象稱為金屬的疲勞。,下一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,2. 疲勞破壞的特征 盡管交變載荷有各種不同的類型，但疲勞破壞仍有以下共同的特點： (1) 疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預兆，而是突然破壞； (2) 引起疲勞斷裂的應力很低，常常低于材料的屈服點； (3) 疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的策源地及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)(粗糙部分)，,上一頁,下一頁,返回,1.2.5 疲勞強度,3. 疲勞曲線和疲勞極限 (1) 疲勞曲線 是指交變應力與循環(huán)次