1、模模 塊塊 一一 金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)材料分類材料分類復(fù)合材料復(fù)合材料金屬材料金屬材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金屬的性能金屬的性能重點(diǎn)：重點(diǎn)：難點(diǎn)：難點(diǎn)：內(nèi)容：內(nèi)容：物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、工藝物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、工藝性能性能各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能金屬的概念 金屬：由單一元素構(gòu)成的具有特殊光澤、不透明、富有延展性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的物質(zhì)。 合金：由一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素熔煉而成的具有金屬特性的材料。 金屬材料：金屬及其合金的總稱。碳素結(jié)構(gòu)鋼球墨鑄鐵純 銅變相鋁合

2、金白 銅錫基軸承合金合金工具鋼鑄造碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼純 鋁特殊性能鋼鑄造合金鋼碳素工具鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵黃 銅青 銅鋁基軸承合金鉛基軸承合金鑄造鋁合金黑色金屬有色金屬碳 素 鋼鑄 鐵合 金 鋼銅及其合金鋁及其合金軸承合金鈦及其合金金屬金屬材料金屬材料的性能的性能使用性能工藝性能 物理性能 化學(xué)性能 力學(xué)性能 熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能 1.11.1金屬的物理性能和化學(xué)性能金屬的物理性能和化學(xué)性能 一、金屬的物理性能一、金屬的物理性能金屬的物理性能：指金屬固有金屬的物理性能：指金屬固有的屬性。（包括密度、熔點(diǎn)、的屬性。（包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和導(dǎo)電性、導(dǎo)熱

3、性、熱膨脹性和磁性。）磁性。）1、密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為密度。、密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為密度。=m/V（kg/m3） 輕金屬輕金屬5103kg/m3（鋁（鋁2.7；鈦；鈦4.5）重金屬重金屬5103kg/m3（鐵（鐵7.8；銅；銅8.96）2、熔點(diǎn)：金屬或合金從固態(tài)向態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度。、熔點(diǎn)：金屬或合金從固態(tài)向態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度。易熔金屬易熔金屬T 700 (鋁鋁660 ；錫錫232 ）難熔金屬難熔金屬T 700 （銀（銀961 ；銅：；銅：1083 ；鎢；鎢3380 ；鐵；鐵1538 ；錳；錳1244 ） 熔點(diǎn)影響著金屬的工藝性能和使用性能。熔點(diǎn)影響著金屬的工藝性能和使用性能。3、導(dǎo)熱性

4、能：金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能。是通過(guò)導(dǎo)熱率來(lái)衡量，用來(lái)表示，單位是W/mK。導(dǎo)熱性好的材料，散熱也好；導(dǎo)熱性影響著金屬材料的工藝性能4、導(dǎo)電性：金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。用電阻率來(lái)衡量，單位是cm，電阻率越小，金屬的導(dǎo)電性越好。（金屬的導(dǎo)電性是銀最好，銅、鋁次之，純金屬的導(dǎo)電性比合金的導(dǎo)電性好）5、熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。一般來(lái)說(shuō)，金屬受熱時(shí)膨脹而體積增大，冷卻時(shí)收縮而體積縮小）6、磁性：金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化的性能。（根據(jù)金屬的磁性不同，可分為鐵磁性材料（如鐵、鈷、鎳）、順磁性材料（如錳、鉻、鉬）、抗磁性材料（如銅、鋅、銀） 居里點(diǎn)：又作居里溫度居里溫度或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

5、磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵磁體從鐵磁相轉(zhuǎn)變成順磁相的相變溫度。低于居里點(diǎn)溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體 ，具有磁性；當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，該物質(zhì)成為順磁體（磁性消失）。 利用這個(gè)特點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)出了很多控制元件.例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105 度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會(huì)把它們分開(kāi)，同時(shí)帶動(dòng)電源開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)，停止加熱。 二、金屬的化學(xué)性能二、金屬的化學(xué)

6、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(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。2、抗氧化性：金屬材料加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力。金屬材料隨著溫度的升高而加速。3、化學(xué)穩(wěn)定性：金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。 1.2金屬的力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能：金屬的力學(xué)性能：指金屬在外力作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的性能。包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞強(qiáng)度。 力學(xué)性能是設(shè)計(jì)、制造中選用金屬材料的主要依據(jù)。載荷載荷 載載 荷：荷：材料所受的外力。 根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同分為：根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同分為： 靜載荷、沖擊載荷、交變載荷靜靜 載載 荷：荷：大小不變或變動(dòng)很慢的載荷沖擊載荷：沖擊載荷：突然增加的載荷交變載荷：

7、交變載荷：周期性或非周期性的動(dòng)載荷。 （也稱循環(huán)載荷） 根據(jù)作用的方式不同分為：根據(jù)作用的方式不同分為：拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。變形與應(yīng)力變形與應(yīng)力 變形：變形：金屬材料受不同載荷作用而發(fā)生的幾何 形狀和尺寸的變化稱為變形。變形可分為彈性變形和塑性變形彈性變形：彈性變形：外力去除后能恢復(fù)原形的變形。塑性變形：塑性變形：外力去除后不能恢復(fù)原形的變形。 內(nèi)力：內(nèi)力：金屬材料受外力作用后，為保持其不變形，在材料內(nèi)部作用著與外力相對(duì)抗的力，稱為內(nèi)力。 應(yīng)力：應(yīng)力：?jiǎn)挝唤孛娣e上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。=F/S一、強(qiáng)度與塑性一、強(qiáng)度與塑性拉伸過(guò)程經(jīng)歷四個(gè)階段：拉伸過(guò)程經(jīng)歷四個(gè)階段：1.

8、彈性變形彈性變形（OS）Oe段：直線階段，完全段：直線階段，完全彈性變形彈性變形eS段：極微量塑性變形段：極微量塑性變形彈性變形：彈性變形：去除外力后去除外力后能完全恢復(fù)到原來(lái)的形能完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀。狀。塑性變形：塑性變形：外力消除后外力消除后仍存在的永久變形仍存在的永久變形2屈服（屈服（s點(diǎn)）點(diǎn)）3均勻塑性變形階段：均勻塑性變形階段：（sb）4縮頸（縮頸（bk）-局部集中局部集中塑性變形塑性變形 應(yīng)力應(yīng)力:=F F/ /A A0 0 （MPa）應(yīng)變應(yīng)變:= =L L/ /L L0 0材料開(kāi)始明顯塑性變形的抗力材料開(kāi)始明顯塑性變形的抗力 ，即，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。

9、 s=F s/A 0 材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。e=F e/A 0（一）強(qiáng)度（一）強(qiáng)度金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。b=F b/A 0 注：注：中、高碳中、高碳鋼和其他脆性金鋼和其他脆性金屬材料無(wú)明顯屈屬材料無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，國(guó)家標(biāo)服現(xiàn)象，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生準(zhǔn)以產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力塑性變形的應(yīng)力來(lái)表示屈服強(qiáng)度，來(lái)表示屈服強(qiáng)度，即：即：0.20.2= =F F0.20.2/ /A A0 0 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義擇、評(píng)定金屬材料

10、時(shí)有重要意義 。 機(jī)機(jī)械零件多械零件多s以作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。以作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于脆性材料在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以對(duì)于脆性材料在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以b為依據(jù)。為依據(jù)。（二）塑性（二）塑性(1) 伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：式中：L0試樣原標(biāo)距的長(zhǎng)度（試樣原標(biāo)距的長(zhǎng)度（mm） L1試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm） (2) 斷面收縮率斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對(duì)收縮值。截面積的相對(duì)收縮值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中：A0試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mm2） A1試樣斷

11、面處的最小截面積（試樣斷面處的最小截面積（mm2） 和和愈大，則塑性愈好。良好的塑性是愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。練習(xí)題一練習(xí)題一 拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來(lái)測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%練習(xí)題二練習(xí)題二 某工

12、廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短試樣（0=50；0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問(wèn)買回的材料合格嗎？解： 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MP5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。二、硬度二、硬度 硬度：硬度

13、：指材料抵抗其他硬物體壓入其表指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力（金屬材料抵抗局部變形，特面的能力（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）。別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。切削加工性。 硬度測(cè)定方法：壓入法硬度測(cè)定方法：壓入法 金屬材料的硬度可用專門儀器來(lái)測(cè)試，金屬材料的硬度可用專門儀器來(lái)測(cè)試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。 1、布氏硬度、布氏硬度式中：F試驗(yàn)力，N； D壓頭的直徑,mm

14、HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測(cè)出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值。布氏硬度試驗(yàn)原理圖布氏硬度試驗(yàn)原理圖 適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值壓頭直徑（mm2）試驗(yàn)力保持 時(shí)間（s） 試驗(yàn)力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持1015s測(cè)得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120根據(jù)壓頭

15、形式和載荷不同有三種根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標(biāo)度（標(biāo)度（HRA, HRB,HRC） ，能能夠測(cè)試從軟到硬各種硬度的材料，夠測(cè)試從軟到硬各種硬度的材料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測(cè)硬度應(yīng)用最廣，可用于測(cè)硬度很高的材料。很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002當(dāng)硬度在當(dāng)硬度在200600HB, HRC1/10HB硬度一般不標(biāo)單位，如硬度一般不標(biāo)單位，如200HB, 55HRC2洛氏硬度洛氏硬度(HR) （以壓痕深度表示）（以壓痕深度表示）硬度硬度符號(hào)符號(hào)壓頭類壓頭類型型載荷載荷F/k g 硬度有效范圍硬度有效范圍使用范圍使用范圍HRA金剛石金剛石圓錐體圓錐體6070 08585適用于

16、測(cè)量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼球鋼球10025100100（相當(dāng)（相當(dāng)6060230230HBHB）適用于測(cè)量非鐵金屬退火、適用于測(cè)量非鐵金屬退火、退退火等火等HRC金剛石金剛石圓錐體圓錐體150206767( (相當(dāng)相當(dāng)HB230HB230700)700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三種表表1-2 常用的三種洛氏硬

17、度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍表示方法：002. 0hkHR布氏硬度與布氏硬度與洛氏硬度洛氏硬度的特點(diǎn)比較的特點(diǎn)比較 布氏硬度的特點(diǎn)：布氏硬度的特點(diǎn)： 布氏硬度因壓痕面積較大，布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，但值的代表性較全面，但由于淬火鋼球本身的變形問(wèn)題，不能試驗(yàn)太硬的材料，一由于淬火鋼球本身的變形問(wèn)題，不能試驗(yàn)太硬的材料，一般在般在HB450以上的就不能使用。以上的就不能使用。 由于壓痕較大，成品檢驗(yàn)也有困難。由于壓痕較大，成品檢驗(yàn)也有困難。 通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼洛氏硬度的特點(diǎn)：洛氏硬度

18、的特點(diǎn)： 洛氏硬度洛氏硬度HRHR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。最多。 但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測(cè)硬度值的重果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測(cè)硬度值的重復(fù)性也差。復(fù)性也差。 三、沖擊韌度（三、沖擊韌度（ak） 沖擊韌度：沖擊韌度：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。能力。 試驗(yàn)表明，在沖擊載荷不太大的情況下，

19、金屬材料試驗(yàn)表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度強(qiáng)度。 沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。方法。 韌性的變化規(guī)律：隨著加載的速度提高、溫度的降韌性的變化規(guī)律：隨著加載的速度提高、溫度的降低，應(yīng)力集中程度的加劇而減小。是抗沖擊的能力低，應(yīng)力集中程度的加劇而減小。是抗沖擊的能力，它與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。，它與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。 夏比沖擊試驗(yàn)夏比沖擊試驗(yàn) 式中：式中：Ak折

20、斷試樣所消耗的沖擊功（折斷試樣所消耗的沖擊功（J） A試樣斷口處的原始截面積（試樣斷口處的原始截面積（cm2） 對(duì)于脆性材料試樣一般不開(kāi)缺口對(duì)于脆性材料試樣一般不開(kāi)缺口沖擊韌度沖擊韌度K =AK/A （四） 疲勞極限交變應(yīng)力：交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。材料的疲勞：材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)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(guò)程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度b，甚至小于屈服點(diǎn)甚至小于屈服點(diǎn)s。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）完全斷裂）疲勞破壞的原因：疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中微裂紋擴(kuò)展斷裂破壞。 疲勞曲線：疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值max與與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命） N的曲線關(guān)系。的曲線關(guān)系。 實(shí)際的疲勞強(qiáng)度值，規(guī)定鋼進(jìn)行107次，有色金屬進(jìn)行108次交變循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力值，即為該材料的疲勞強(qiáng)度-1。 疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間存在一定的比例關(guān)系，如碳素鋼-1 （0.40.55） b ，灰鑄鐵-1 0.4b ，有色金屬-1 （