1、金屬性能及常用工程案例 為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使用性能和工藝性能。用性能和工藝性能。 2.1 2.1 金屬材料的性能金屬材料的性能 使用性能：使用性能：指各個零件或構件在正常工作時金屬指各個零件或構件在正常工作時金屬材料應具備的性能，它決定了金屬材料的應用范圍、材料應具備的性能，它決定了金屬材料的應用范圍、使用的可靠性和壽命。包括力學性能、物理性能、化使用的可靠性和壽命。包括力學性能、物理性能、化學性能。學性能。 工藝性能：工藝性能：指金屬材料在冷、熱加工過程中應具指金屬材料在冷、熱加工過程中應具備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。

2、包括鑄造備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。性能。金屬材料的性能概述金屬材料的性能概述返回返回 金屬材料的剛度、強度、彈性、塑性是通過拉伸實金屬材料的剛度、強度、彈性、塑性是通過拉伸實驗來測定的，標準試樣如圖驗來測定的，標準試樣如圖2-12-1所示，把試樣安裝在拉所示，把試樣安裝在拉伸試驗機上，并對試樣施加一個緩慢增加的軸向拉力，伸試驗機上，并對試樣施加一個緩慢增加的軸向拉力，試樣產生變形，直至斷裂。試樣產生變形，直至斷裂。 力學性能（機械性能）：力學性能（機械性能）：指金屬材料具有的抵

3、抗一定指金屬材料具有的抵抗一定外力作用而不被破壞的性能。金屬材料的力學性能主要有：外力作用而不被破壞的性能。金屬材料的力學性能主要有：剛度、強度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和剛度、強度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強度等。疲勞強度等。 一、一、 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能圖圖2-1 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣1、低碳鋼拉伸時的力學性能、低碳鋼拉伸時的力學性能 拉伸曲線：拉伸曲線：以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖2-22-2所示，所示，負荷為縱坐標，絕對伸長量為橫坐標。負荷為縱坐標，絕對伸長量為橫坐標。0kbsePPPbsePl圖圖2-2

4、低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線1.1.強度強度 拉伸曲線拉伸曲線oeoe段是直線，段是直線，金屬材料處在彈性變形階金屬材料處在彈性變形階段，應力與應變成正比例段，應力與應變成正比例關系，服從虎克定律，其關系，服從虎克定律，其比值稱彈性模量，是衡量比值稱彈性模量，是衡量材料抵抗彈性變形能力的材料抵抗彈性變形能力的指標。指標。 1 1）彈性極限）彈性極限。 金屬材料產生完全彈性變形時所能承受的最金屬材料產生完全彈性變形時所能承受的最大應力值，單位大應力值，單位MPaMPa 。即。即0APeeeP試樣發生完全彈性變形的最大載荷（試樣發生完全彈性變形的最大載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截面積（試樣的原

5、始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中2 2）抗拉強度。）抗拉強度。 當負荷繼續增加超過當負荷繼續增加超過s s點后，變形量隨著負點后，變形量隨著負荷的增加而急劇增加，當負荷超過荷的增加而急劇增加，當負荷超過b b點，變形集中在試樣的點，變形集中在試樣的某一部位上，試樣在該部位出現縮頸現象，拉伸變形集中某一部位上，試樣在該部位出現縮頸現象，拉伸變形集中在縮頸處。繼續施加負荷，試樣在在縮頸處。繼續施加負荷，試樣在k k點斷裂。材料斷裂前所點斷裂。材料斷裂前所承受的最大應力，即為抗拉強度（強度極限），它也是試承受的最大應力，即為抗拉強度（強度極限），它也是試樣能夠保持均勻塑性變形的最大應力樣能夠保持

6、均勻塑性變形的最大應力 。 b0APbbbP試樣被拉斷前所承受的最大載荷（試樣被拉斷前所承受的最大載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中3 3）屈服點）屈服點 。 開始產生屈服現象時的應力稱為屈服點，開始產生屈服現象時的應力稱為屈服點，其含義指在外力作用下開始產生明顯塑性變形的最小應力，其含義指在外力作用下開始產生明顯塑性變形的最小應力，也即材料抵抗微量塑性變形的能力。也即材料抵抗微量塑性變形的能力。 s0APss 條件屈服極限：條件屈服極限：有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服點，難于確定產生塑性變形的最小應力。故規定

7、當試樣產點，難于確定產生塑性變形的最小應力。故規定當試樣產生生0.2%0.2%的塑性變形時所對應的應力作為材料開始產生明顯的塑性變形時所對應的應力作為材料開始產生明顯塑性變形時的屈服強度，稱為條件屈服極限塑性變形時的屈服強度，稱為條件屈服極限 。 2 . 0 零件設計時對塑性材料采用屈服強度；脆性材料采用零件設計時對塑性材料采用屈服強度；脆性材料采用抗拉強度。抗拉強度。 sP試樣發生屈服時的載荷（試樣發生屈服時的載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中2.2.塑性塑性 塑性塑性指金屬材料在靜載荷作用時，在斷裂前產生塑性指金屬材料在靜載荷作用時，在斷裂

8、前產生塑性變形的能力，反映材料塑性的力學性能指標有延伸率變形的能力，反映材料塑性的力學性能指標有延伸率 和和斷面收縮率斷面收縮率 。1 1）延伸率。）延伸率。 指試樣拉斷后其標距長度的相對伸長值。即指試樣拉斷后其標距長度的相對伸長值。即 %10000lllk2 2）斷面收縮率。）斷面收縮率。 指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對收縮值。相對收縮值。 %10000AAAkkl試樣斷裂后的標距長度；試樣斷裂后的標距長度；0l試樣的原始標距長度；試樣的原始標距長度；式中式中kA試樣斷裂出的最小橫截面積；試樣斷裂出的最小橫截面積；0A試樣的原始橫截面積；試樣的原始橫截面

9、積；式中式中3.3.硬度硬度 硬度硬度指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。工程上常用的量金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。 1 1）布氏硬度布氏硬度HBWHBW。 布氏硬度是在布氏硬度計上進行測量的，布氏硬度是在布氏硬度計上進行測量的，用硬質合金球為壓頭，以相應的實驗力壓入試樣表面，保持用硬質合金球為壓頭，以相應的實驗力壓入試樣表面，保持規定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕規定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕

10、，以壓痕球形表面所承受的平均負荷作為布氏硬度值，如圖球形表面所承受的平均負荷作為布氏硬度值，如圖2-32-3示。示。 222HBWdDDDF圖圖2-3 布氏硬度實驗原理圖布氏硬度實驗原理圖F實驗力（實驗力（kgf）；）；D球體直徑（球體直徑（mm）；）；d壓痕平均直徑（壓痕平均直徑（mm）。）。式中式中 在做布氏試驗時，只需測量出在做布氏試驗時，只需測量出d值即可從有關表格上值即可從有關表格上查出相應的布氏硬度值。壓頭為硬質合金球時，為查出相應的布氏硬度值。壓頭為硬質合金球時，為HBWHBW，適用于布氏硬度適用于布氏硬度650650以下的材料。以下的材料。優點：測量結果準確，優點：測量結果準確

11、，缺點：壓痕大，不適合成品或者薄壁件檢驗缺點：壓痕大，不適合成品或者薄壁件檢驗。 符號表示方法舉例：符號表示方法舉例：350HBW5/750350HBW5/750。含義：。含義： 壓頭：硬質合金，直徑壓頭：硬質合金，直徑5mm實驗力：實驗力：750kgf （1kgf=9.8N）保持時間：保持時間：10-15秒秒 硬度值：硬度值：3502 2）洛氏硬度）洛氏硬度。 洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測量硬度值的依據。可以直接從洛氏硬度計的表盤上讀出，量硬度值的依據。可以直接從洛氏硬度計的表盤上讀出，它是一個相對值，它是一個相對值，人們規定每人們規定每0.002

12、mm0.002mm壓痕深度為一個洛氏壓痕深度為一個洛氏硬度單位。洛氏硬度用硬度單位。洛氏硬度用HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC來表示來表示。HRCHRC采用采用頂頂角為角為120120的金剛石的金剛石圓圓錐體錐體為壓頭，施加為壓頭，施加150kgf150kgf的外力，主的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為20-67HRC20-67HRC； HRAHRA采用外加載荷為采用外加載荷為60kgf60kgf，用于測量高硬度薄層，常用硬，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為度值為70-85HRA70-85HRA；HRBHRB采用直徑采用直徑

13、1.588mm1.588mm的鋼球，的鋼球，100kgf100kgf的的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為25-100HRB25-100HRB。優點：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測優點：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測 。（注：最常用的是（注：最常用的是HRCHRC） 符號表示方法舉例：符號表示方法舉例：45HRC45HRC4. 疲勞強度疲勞強度1 1）交變應力（周期性應力）交變應力（周期性應力）。 應力的大小、方向周期應力的大小、方向周期性變化。有對稱周期性應力性變化。有對稱周期性應力和非對稱周期性應力。和非對稱周期性應力。

14、2）疲勞）疲勞。 構件在低于屈服強度的交變應力作用下，經構件在低于屈服強度的交變應力作用下，經過較長時間工作而發生突然斷裂，而無明顯的塑性變過較長時間工作而發生突然斷裂，而無明顯的塑性變形的現象形的現象。3）疲勞曲線）疲勞曲線。 反映承受的交變應力與斷裂前的應力周期反映承受的交變應力與斷裂前的應力周期次數間的關系曲線，如圖次數間的關系曲線，如圖2-4所示。所示。圖圖2-4 疲勞曲線疲勞曲線4 4）疲勞極限。）疲勞極限。 由圖由圖2-4可見，應可見，應力愈高，循環次數愈少，反之亦力愈高，循環次數愈少，反之亦然。然。 當應力低到一定值時，循環當應力低到一定值時，循環次數無窮大，表示材料可經無限次數

15、無窮大，表示材料可經無限次應力循環而不失效；此應力即次應力循環而不失效；此應力即為疲勞強度（疲勞極限）。對稱為疲勞強度（疲勞極限）。對稱彎曲疲勞極限用彎曲疲勞極限用 表示表示 ；無限無限次當然不是數學上的無窮大，只次當然不是數學上的無窮大，只是一個很大的數而已，對于鋼鐵是一個很大的數而已，對于鋼鐵材料為材料為10107 7，有色金屬材料為，有色金屬材料為10108 8 。15. 沖擊韌度沖擊韌度 指金屬材料抵抗沖擊負荷的能力，可用擺錘沖擊試驗指金屬材料抵抗沖擊負荷的能力，可用擺錘沖擊試驗機來測定金屬材料的沖擊值。沖擊韌度值可用下式計算。機來測定金屬材料的沖擊值。沖擊韌度值可用下式計算。FGhG

16、HFAkkk沖擊韌度（沖擊韌度（J/cm2 ） ；kA沖擊吸收功（沖擊吸收功（J）；）；G擺錘重量（擺錘重量（N）；）；H擺錘抬升高度（擺錘抬升高度（m）；）；h擺錘沖擊后的高度（擺錘沖擊后的高度（m）；F試樣缺口底部處橫截面積（試樣缺口底部處橫截面積（cm2 ）。）。式中式中 物理性能物理性能指不發生化學反應就能表現出來的性能，如指不發生化學反應就能表現出來的性能，如密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。 6. 金屬材料的物理和化學性能金屬材料的物理和化學性能 化學性能化學性能是材料在化學介質的作用下所表現出來的性是材料在化學介質的作用下

17、所表現出來的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學穩定性能等。能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學穩定性能等。 二、二、 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 金屬材料的工藝性能指金屬材料適應加工工藝要求金屬材料的工藝性能指金屬材料適應加工工藝要求的能力。按工藝方法的不同，可分為的能力。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。1 1、鑄造性能。、鑄造性能。 指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難易程度，包括金屬液體的流動性和收縮性。型制成鑄件的難

18、易程度，包括金屬液體的流動性和收縮性。 2 2、鍛造性能。、鍛造性能。 指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。具有的塑性變形能力。 3 3、焊接性。、焊接性。 指材料被焊接的難易性質。指材料被焊接的難易性質。 4 4、切削加工性。、切削加工性。表示對材料進行切削的難易程度，可用表示對材料進行切削的難易程度，可用切削抗力的大小、加工表面質量、排屑的難易程度和切削切削抗力的大小、加工表面質量、排屑的難易程度和切削刀具的壽命來衡量。刀具的壽命來衡量。 5 5、熱處理工藝性。、熱處理工藝性。 指標有淬硬性、淬透性、淬火變形與指標有淬硬性、淬透性、淬

19、火變形與淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩定性與脆性。淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩定性與脆性。 黑色金屬在機械工業中應用較廣。無論是鋼還是鑄鐵，主要由鐵和碳兩種元素組成，統稱為鐵碳合金。除了鐵和碳以外，還有少量的其他元素，如錳、硅、硫、磷。這些元素與鐵共存在鋼鐵中，對材料的性能產生不同的影響。不含碳的純鐵較軟，應用較少。碳在鋼中的含量多少，對鋼的強度影響較大。 一、鋼的分類 1、 按化學成分分 （1）非合金鋼（碳素鋼） 是指WC2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的鐵碳合金。含碳質量分數的多少又分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼 2.2 鋼鐵材料鋼鐵材料 低低碳鋼碳鋼中中碳

20、鋼碳鋼高高碳鋼碳鋼Wc 0.6%返回返回 （2）合金鋼 如果含有合金元素，相應稱為低合金鋼和合金鋼 2、按鋼的品質分 （1）普通鋼 （2）優質鋼 （3）高級優質鋼 3、按鋼的用途分 （1）結構鋼 適用于各種機器零件、工程結構件。 （2）工具鋼 制造量具、刀具、模具、手錘、鉗子等 （3）特殊性能鋼 用于特殊要求，酸、堿、鹽腐蝕環境 二、鋼的編號 1、碳鋼的編號方法 (1)碳素結構鋼 早期牌號：A1、A2、A3、A7 數字越大，強度越高，相應塑性就低一些。 近代推薦：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 用Q代表屈服強度，如Q235 (2)優質碳素結構鋼 用數字直接表示鋼中碳的質量分數

21、的萬分之一。如45、35等表示鋼中含碳的質量分數為0.45%、0.35%。 (3)碳素工具鋼 用 T表示，如T8 A鋼。 (4)鑄造碳鋼 用 ZG表示,如 ZG 200400鋼。表示屈服強度大于200MPa, 抗拉強度大于400MPa。 如果數字后加注A、B等符號表示質量等級。 A為高級。 2、合金鋼的編號方法 (1) 低合金高強度結構鋼 如Q390A (2) 合金結構鋼 如40Cr, 40表示含碳質量分數的萬分之一；30CrMoA，合金的元素符號及含量的百分之1.5，末位加A表示優質。 （3）滾動軸承鋼 在含碳質量分數元素符號前加G，如GCr15。 （4）合金工具鋼 含碳質量分數小于1，用一

22、位數表示的含碳質量分數的千分之幾。含碳質量分數小于1，不予標注。 （5）不銹鋼 含碳較低，用“00”和“0”數字表示含碳質量分數，分別低于0.03%和0.08%，說明了為什么不銹鋼刀具的刀刃硬度比較低，不能用來切割較硬東西的原因。 三、.碳素鋼的用途 含碳質量分數小于2.11%而不特意加入合金元素的鋼。 1、碳素結構鋼 （1）普通碳素結構鋼 含碳質量分數較低，屬于低碳鋼，牌號前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但強度低，應用于建筑工程結構和機械零件。（2）優質碳素結構鋼 含碳質量分數較少時，塑性韌性較好，含碳質量分數較多時，硬度、耐磨性較好。常用45、35鋼。 2、碳素工具鋼

23、含碳質量分數在0.7以上，硬度高，如T8A、T10A、T12A。 四、合金鋼 在普通碳素鋼中加入其他合金元素冶煉而成的，當合金元素在鋼中的含量達到一定的比例后，可大大提高鋼材的力學性能，如硅可提高鋼的導磁率，用作電機芯片；錳可提高鋼的耐磨性和強度，應用于履帶；鉻可以提高鋼的耐腐蝕性，應用于不銹鋼制品等。 1、合金結構鋼 低合金結構鋼 16Mn代替Q235作建筑、橋梁材料。20CrMnTi經滲碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有較好的韌性，作汽車變速箱齒輪。（2）機械制造用鋼 中碳合金鋼40Cr代替常用45鋼作重要的軸等機械零件。 高合金鋼60Si2Mn代替65Mn作重要彈簧。 滾動軸承用鋼Gr15

24、用于制造常用滾動軸承。 2、合金工具鋼 （1）刃具鋼 高速鋼 用作加工刀具，鉆頭、各類銑刀。 刀具用鋼 用作攻制螺紋用的絲錐、鉸刀。 （2）模具鋼 用作熱 、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。 （3）量具鋼 如游標卡尺、千分尺。 3、特殊性能鋼 （1）鉻不銹鋼 既能防銹又有一定強度的耐腐蝕零件，如彈簧、醫療器械。 鉻鎳不銹鋼 耐腐蝕性強，用于制造耐腐蝕的管道零件。 （2）耐熱鋼 用作鍋爐材料，如42Cr9Si2. （3）耐磨鋼 用作耐磨材料，如坦克履帶用鑄鋼ZGMn13。五、鑄鐵1、鑄鐵簡介 鑄鐵的價格較低，且穩定性好、加工容易，尤其抗壓強度較高，抗震性好。所以應用很廣，如機床的各類床身、箱

25、體，日常生活中也應用很廣，如炒菜鐵鍋、取暖爐、污井蓋、暖氣片、下水管、水龍頭殼體等等。v例如，機床例如，機床床身、內燃床身、內燃機的汽缸體機的汽缸體、缸套、活塞缸套、活塞環及軸瓦、環及軸瓦、曲軸等都可曲軸等都可用鑄鐵制造用鑄鐵制造.鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸內燃機汽缸內燃機汽缸 鑄鐵是含碳質量分數大于2.11的鐵碳合金。 2.鑄鐵的種類及組織結構鑄鐵的種類及組織結構可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 灰鑄鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵3、鑄鐵的性能特點、鑄鐵的性能特點 力學性能低。力學性能低。由于石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞由于石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續性，且易導致應力集中。了基體

26、的連續性，且易導致應力集中。 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。由于石墨本身有潤滑作用。 消振性能好。消振性能好。由于石墨可以吸收振動能量。由于石墨可以吸收振動能量。 鑄造性能好。鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高由于鑄鐵硅含量高, 成分接近于共晶成分接近于共晶. 切削性能好。切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。v4、灰鑄鐵、灰鑄鐵v灰鑄鐵是指灰鑄鐵是指石墨呈片狀石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產量約占鑄鐵分布的灰口鑄鐵。其產量約占鑄鐵總產量的總產量的80%以上。以上。v1）牌號）牌號牌號牌號： H T b MPa灰鑄鐵灰鑄鐵簡稱簡稱“灰鐵灰鐵”如：

27、如：HT150；HT200；見表；見表515 P127；主要應用于主要應用于 床身、箱體、底座等。床身、箱體、底座等。2）性能性能 力學性能中抗拉強度、塑性、韌性均遠不如鋼，力學性能中抗拉強度、塑性、韌性均遠不如鋼，而抗壓強度和硬度并沒有明顯降低。而抗壓強度和硬度并沒有明顯降低。 切削性能良好切削性能良好，刀具使用壽命高。，刀具使用壽命高。 良好的良好的鑄造鑄造性能、性能、耐磨耐磨性能、性能、消音減震性消音減震性能以及較能以及較低的缺口敏感性等優異性能。低的缺口敏感性等優異性能。 牌號牌號： H T b MPa灰鑄鐵灰鑄鐵簡稱簡稱“灰鐵灰鐵”，漢語拼音字母，漢語拼音字母首首如：如：HT150；HT200；見表；見表515 P127；主要應用于主要應用于 床身、箱體、底座等。床身、箱體、底座等。v3）用途）用途v制造制造承受壓力和震動的零件承受壓力和震動的零件,如如機機床床身、各種箱體、殼體、泵體、床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體缸體。大型船用柴油機汽缸體大型船用柴油機汽缸體(HT-300)重型機床床身重型機床床身(HT-250)