第二篇第四章金属材料及其热处理第一节金属材料的力学性能
金属材料微观结构及其力学性能分析
金属材料微观结构及其力学性能分析第一章介绍金属材料是工业生产中应用最广泛的材料之一。
金属材料的性能取决于其微观结构。
了解金属材料的微观结构对于优化其力学性能具有重要的意义。
本文将对金属材料的微观结构及其力学性能进行分析。
第二章金属材料的微观结构2.1 金属晶体结构金属材料的微观结构是由晶体结构组成的。
金属晶体结构分为三类：立方晶系、六方晶系和正交晶系。
立方晶系又分为面心立方和体心立方两种，六方晶系和正交晶系则分别只有一种。
2.2 晶体缺陷金属材料的晶体中经常存在一些缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子。
线缺陷包括位错和螺旋位错。
面缺陷包括晶界、孪晶和堆垛层错。
2.3 热处理对微观结构的影响热处理可以改变金属材料的微观结构，从而改变其力学性能。
常见的热处理方式包括退火、淬火、正火和强化退火等。
其中，在退火和淬火过程中，晶体内部的点缺陷和线缺陷会发生移动和重新排列，从而形成新的晶界和位错，改变晶粒的大小和形状。
在正火和强化退火过程中，则会使晶粒的尺寸和形状发生变化。
第三章金属材料的力学性能3.1 强度金属材料的强度是指材料在受到外力作用时能够承受的最大应力。
强度取决于晶体的结构和缺陷，晶粒的尺寸和形状，以及金属材料的化学成分和加工工艺。
3.2 塑性塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形的能力。
塑性也是晶体的结构和缺陷、晶粒尺寸和化学成分、加工工艺等因素综合作用的结果。
3.3 韧性韧性是指材料在受到外力作用时能够发生韧性断裂前的能量吸收能力。
韧性既受材料的强度和塑性限制，也受材料的微观结构和缺陷限制。
3.4 硬度硬度是指材料对于压入针或滚动球的抵抗能力。
硬度取决于晶体的结构和缺陷，晶粒尺寸和化学成分等因素的综合作用。
第四章金属材料的力学性能分析方法4.1 确定力学性能的试验方法金属材料的强度、塑性、韧性、硬度等性能可以通过试验来测定。
常见的试验方法包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、冲击试验和硬度试验等。
金属材料及热处理基本知识
金属材料及热处理基本知识金属材料及热处理基本知识一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。
金属常用的力学性能有：1.弹性金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。
① 刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
② 刚度：k＝F/y2.塑性金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。
① 伸长率δ② 断面收缩率ψ3.强度金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。
由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。
金属材料的强度指标：（1）屈服强度σs在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。
（3）疲劳强度σ-1材料试样在疲劳试验过程中，在承受无数次（或给定次）对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。
4.硬度金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。
最常用的硬度指标：（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。
使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。
5.冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。
二、钢的分类、用途与牌号（一）钢的分类1.按是否特意加入合金元素分类：（1）碳素钢不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
（2）合金钢在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。
2.按含碳量分类（1）低碳钢C ≤ 0.25％；（2）中碳钢 0.25％＜ C ＜ 0.60％；（3）高碳钢C ≥ 0.60％；3.按质量分类（1）普通钢S ≤ 0.050％，P ≤ 0.045％（2）优质钢S ≤ 0.035％，P ≤ 0.035％（3）高级优质钢S ≤ 0.025％，P ≤ 0.025％4.按合金元素总量分类（1）低合金钢合金元素总含量＜ 5％（2）中合金钢合金元素总含量 5％～ 10％（3）高合金钢合金元素总含量＞10％5.按用途分类（1）结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。
金属材料的热处理工艺和性能研究
金属材料的热处理工艺和性能研究第一章：绪论金属材料是人类文明发展过程中得到广泛应用的一种材料。
随着科技的不断进步，金属材料的种类也越来越丰富，性能也越来越优越。
而热处理工艺是改善金属材料性能的一种重要方式。
因此，对金属材料的热处理工艺和性能进行研究显得尤为重要。
第二章：金属材料的热处理工艺2.1 热处理的定义热处理是指将金属材料加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后通过不同的冷却方式使金属材料达到一定的组织状态和性能。
2.2 热处理的分类热处理可以分为三类：回火、调质和淬火。
其中，回火主要是对经过淬火的材料进行加热处理，以改善材料的韧性；调质则是对合金钢等材料进行热处理，以达到一定的强度和韧性；淬火则是对普通碳钢等材料进行控制冷却，以提高材料的硬度。
2.3 热处理工艺的步骤热处理工艺主要包括：材料的加热、保温和冷却三个步骤。
其中，加热温度和保温时间的选择是影响材料性能关键的因素。
加热温度过高容易产生晶粒粗大的问题，而加热温度过低则会使金属组织不充分，影响材料性能。
第三章：金属材料热处理后的力学性能和物理性能金属材料经过热处理后，其力学性能和物理性能的变化是非常显著的，具体分析如下。
3.1 金属材料的力学性能热处理后的金属材料一般具有更好的强度和硬度，但是韧性和塑性却相对较差。
其原因是经过热处理后，材料中晶粒的尺寸会变大，而晶粒尺寸的增大对材料的塑性和韧性影响较大。
3.2 金属材料的物理性能热处理后的金属材料物理性能也会有所变化，比如电导率、导热性、磁性等。
这些变化在材料的不同应用领域中，具有着不同的重要作用。
第四章：热处理后的金属材料在工业中的应用4.1 机械加工领域热处理后的金属材料能够提供更优越的性能，其在机械加工领域中广泛应用。
比如在机床工作台、各种机器零部件、以及汽车、航空等领域中使用较多，其耐磨性、耐久性和使用寿命都能得到有效的提高。
4.2 电子制造领域金属材料热处理后能够提高导热性和电导率，因此其在电子制造领域中应用广泛。
(金属材料与热处理)模块一金属的力学性能
硬度
布氏硬度试验过程
布氏硬度试验一般在10～35℃的室温下进行。将被测试样放置在样品台 中央，顺时针平稳旋转手轮，使样品台缓慢上升，试样与压头紧密接触， 直至手轮与螺母产生相对滑动，停止转动手轮。此时按下“开始”键， 试验开始自动进行，自此 自动完成以下过程:试验力加载，试验力完全 加上后开始按设定的保持时间保持该试验力，时间到后即开始卸载，完 成卸载后恢复初始状态。逆时针旋转手轮，样品台下降，取下试样，用 读数显微镜测量试样表面的压痕直径，并取下试样，从专门的硬度表中 查出相应的硬度值。
工艺性和焊接质量有较大影响。 1.密度 ✓ 密度是单位体积物质的质量，密度是金属材料的特性之一。不同金属的密度不同。
按密度的大小，将金属分为轻金属与重金属两类。 ✓ 在生产中，常利用金属的密度来计算毛坯或零件的质量。此外密度有
时是选择材料的依据。 2.熔点 ✓ 金属的熔点是指金属由固态熔化为液态时的温度。 ✓ 纯金属的熔点是固定不变的，合金的熔点取决于它的成分 ✓ 熔点是金属和合金进行冶炼、铸造、焊接时重要工艺参数
洛氏硬度试验原理示意图
硬度
洛氏硬度值以残余压痕深度h确定，残余压痕深度h越大， 硬度越低;反之则硬度越高。为了照顾习惯上数值越大，硬 度越高的概念，一般用一个常数k减去残余压痕深度h作为 硬度值，并以0.002 mm的压痕深度为一个硬度单位。由此 获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。
燃煤发电厂金属材料介绍2-金属材料基础知识
第二章.金属材料基础知识
机械混合物
定义：两种或两种以上的相按一定质量百分数组 成的物质'。 混合物各相保持其原有晶格'。 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它 们分布的形态、数量及大小'。
第二章.金属材料基础知识
➢ 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体' 。
➢ 珠光体：奥氏体A发生共析转变所形成的铁素 体F与渗碳体Fe3C的混合物－共析体（P）'。
主要内容
第一章.火电机组用钢 第二章.金属材料基础知识 第三章.金属材料热处理 第四章.金属材料力学性能 第五章.锅炉用钢运行后特点及变化
第二章.金属材料基础知识
质是由原子、分子、离子等组成'。 自然界中有很多化学元素，它们可以分 成金属和非金属（有机、无机、复合） 两大类 。 金属与非金属区别：金属有金属光泽， 并具有可塑的性质，良好的导电和导热
❖ 白铜：主要是铜与镍所组成的合金'。 ❖ 黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金'。
第二章.金属材料基础知识
相 在一个体系中，性质相同的均匀部分称之“相” 相与相之间存在界面，冰和水是两种不同的相'。
❖ 在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的'。 ❖ 铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化'。 ❖ 纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的'。 ❖ 固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的'。 ❖ 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物'。
第二章.金属材料基础知识
随着温度的改变， 金属在结晶成固态 之后继续冷却的过 程中，晶格类型随 温度下降而发生变 化的现象，也称同 素异构转变，又称 重结晶'。
机械基础复习资料金属材料和热处理含习题答案
第二部分 机械基础第四章 金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。
2．了解：工艺性能的含义。
3．了解：热处理的概念及目的。
4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。
5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。
6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。
7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。
本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。
化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。
如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。
2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。
主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。
常用的强度是抗拉强度。
工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。
（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。
常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
式中，L 0表示试样原长度（mm ），L 1表示试样拉断时的长度（mm ）。
断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A 1）的最大缩减量与原始横截面积（A 0）的百分比。
（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。
目前最常用的硬度是布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC 、HRB 、HRA ）和维氏硬度（HV ）。
（4）韧性1o o 100%L L L -=⨯δ010A A 100%A -=⨯ψ韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。
（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
金属材料及热处理教学PPT材料的力学性能
设计正确 选材恰当 工艺合理
工作条件对材料的性能要求→→正确选材→→制定工艺路线 →→确定失效的抗力指标
机械零件（或器件）的失效分析
失效的例子
失效的例子
断裂的大桥
失效的原因
多方面因素
结构设计 材料选择 加工制造 装配调整 使用与保养
第一章 工程材料的力学性能
失效的本质
1. 失效的本质：
外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。
2. 常见的失效形式：
过量变形、断裂、磨损和腐蚀
第一章 工程材料的力学性能
本章主要内容
静载荷下材料的力学性能 材料的硬度 非静载荷时材料的力学性能 高温下材料的力学性能
第一节 零件在常温静载下的过量变形
变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化
E
E：断裂点
Pes
C C’
B A
卸载后再加载曲线
=E
t
O p
0 e
屈服极限提高： 冷作硬化
卸载曲线
第一节 零件在常温静载下的过量变形
一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为
2. 其他类型材料的应力-应变行为
弹性变形
弹性变形、 塑性变形
1—纯金属 （Al、Cu、Ag等） 2—脆性材料 （陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）
3—高弹性材料 （橡胶）
非线性弹 性变形
第一节 零件在常温静载下的过量变形
(MPa) 2. 其他类型材料的应力-应变行为
900
无明显屈服阶段的，规定以塑性应变 p
所对应的应力作为名义屈服极限，记作
=0.2% p0.2
800
1
1、锰钢
金属材料及其热处理
㈡ 热处理工艺
工艺
目的
加热温度
组织
退火
1.调整硬度,便于切削加工。 2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。
亚共析钢Ac3+30~50℃ 共析钢 Ac1+30~50℃ 过共析钢Ac1+30~50℃
F+P P P球
正火
1.低中碳钢同退火。 2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。 3.普通件最终热处理
三、组织
㈠ 纯金属的组织 1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 ⑴ 结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 ⑵ 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大 形核——自发形核与非自发形核 长大——均匀长大与树枝状长大
⑶ 结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌 2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴随着体积变化。
2、冷却时的转变
⑴ 等温转变曲线及产物
650℃
600℃
550℃
350℃
A1
MS
Mf
时间
P
S
T
B上
B下
M
M+A’
A→P
A→S
A→T
A→B上
A→B下
《金属材料与热处理》金属材料的力学性能
1 疲劳寿命
金属材料在循环加载下能够承受的应力次数。
2 断裂韧度
金属材料抵抗裂纹扩展的能力。
金属材料的高温性能与耐蚀性
1
高温性能
金属材料在高温环境下保持力学性能的能力。
2
耐蚀性
金属材料抵抗化学腐蚀的能力。
影响金属材料力学性能的因素
除了材料本身的特性外，力学性能还受到外界环境、热处理以及加工工艺等 因素的影响。
结论
了解和评估金属材料的力学性能对于合理选材和设计具有重要意义，可有效 提高产品质量和使用寿命。
《金属材料与热处理》金 属材料的力学性能
本节将介绍金属材料的力学性能，包括强度、硬度、延展性、韧性、可塑性、 冲击性能、疲劳寿命、断裂韧度、高温性能和耐蚀性。
金属材料的力学性能概述
力学性能是评价金属材料优劣的关键指标之一。它涉及到材料的力学行为， 如承载能力、形变能力和能量吸收能力。
金属材料的强度与硬度
强度
金属材料的抵抗外力破坏的能力。
硬度
金属材料的抵抗划痕和切割的能力。
金属材料的延展性与韧性
延展性
金属材料在外力作用下产生的。
金属材料的可塑性与冲击性能
可塑性
金属材料在受力情况下发生塑性变形的能力。
冲击性能
金属材料抵抗外部冲击或撞击的能力。
金属材料的疲劳寿命与断裂韧度
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能金属材料在现代工业生产中广泛应用，原因是因为金属材料的机械性能优异，其力学性能在诸多领域都是重要的参考指标。
一、强度金属材料中最为重要的力学性能莫过于强度。
强度是指材料在受到外力时抵抗变形和破坏的能力。
通俗地说，就是指物质能够承受多大的外部负荷。
强度分为屈服强度、抗拉强度和抗压强度。
其中屈服强度是指材料在受到一定压力后开始变形的压力值，抗拉强度是指材料在被拉伸时承受的最大拉力，抗压强度则是指材料在被挤压时所能承受的最大压力。
三者的单位均为N/mm2（纳牛/平方毫米）。
二、延展性金属材料的延展性代表了其受力后能够发生多大的形变，并且保持强大的耐久性。
在加工过程中，延展性的指标非常重要。
延展性又分为材料的伸长率和冷弯性。
伸长率是指材料在拉伸过程中能够延长的量，通常以百分比表示；冷弯性则是指材料在被弯曲或者压缩后仍然能够恢复成原来的形状，并且该过程不会破坏材料的结构。
三、弹性模量弹性模量是金属材料的另一个重要指标，是指材料在受到外来力量后，变形保持弹性状态的能力。
弹性模量越高，材料的抗弯性和抗扭性就越高，同时在结构加工方面也更加有利。
四、硬度硬度是金属材料的固有属性，它描述了材料的抗划痕和抗磨损能力。
硬度指标通常以维氏硬度（HV）表示，维氏硬度是指在标准试件被标准钢球压铸后，钢球和试件之间的形变深度。
五、疲劳强度金属材料的疲劳强度是个复杂的性质。
它是指材料在受到重复荷载后能够承受的最大荷载。
在使用时，金属材料常常会遭受到来自不同方向上的变化载荷，如果材料的疲劳强度不足，则容易出现疲劳破坏的现象。
总体而言，金属材料的力学性能是不可或缺的，它们的强度、延展性、弹性模量、硬度和疲劳强度可为工程师们提供参考指标，帮助他们更好地设计制造各种结构。
在材料科学和工程的领域中，力学性能是研究和开发新材料的基础，因此它对于推动现代工艺和工程技术的发展至关重要。
金属材料的力学性能
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
（一）强度
1. 定义:强度是指金属材料抵抗塑性变形和断 裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指 标。由于材料承受载荷的方式不同，其变形 形式也不同，分为抗拉、抗扭、抗压、抗弯、 抗剪等的强度。
最常用的强度是抗拉强度或强度极限σb。
1.变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
1.变动载荷
——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均
值即为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
第一章 金属材料的力学性能
概 述
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、
物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻 压、焊接、热处理和切削性能等。
金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗
冲击试样
原理
冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量
金属材料的力学性能
HRB 适用于测量有色金属和退火、正火钢等
HRC 适用于调质钢、淬火钢等
操作简便、迅速
优 点
注：因压痕小，受材料 硬度值可直接从表盘上读出 组织不均匀因素很大，
压痕小，可测量成品件
所以对同一测试件，应 在不同部位测取三点后
取平均值
金属材料及热处理
3．维氏硬度
(1) 试验原理
维氏硬度用符号 HV表示。计算公式如下：
表示方法： αk是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲 击功，单位J/cm2
摆锤式冲击试验
金属材料及热处理
2．小能量多次冲击试验
实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一 次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足 以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如 冲模的冲头等。这类零件破坏是由于多次冲击损伤的 积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一 次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来 作为设计依据显然是不符合实际的，需要采用小能量 多次冲击试验来检验这类金属材料的抗冲击性能，即 检验其多冲抗力。
必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长 率是不同的，因此，比较伸长率时要注意试样规格的 统一。
塑性材料： d ≥ 5 % 例如结构钢与硬铝等 脆性材料： d <5 % 例如灰口铸铁与陶瓷等
金属材料及热处理
2. 断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截
面积的百分比称为断面收缩率，用符号ψ 表示。其计 算公式如下：
σs
Fs A0
对于无明显屈服现象的金属材料，按国标GB／228—1987规定可用规定残余伸长应力 表示：
σ 0.2
F0.2 A0
(2) 抗拉强度 用符号σb表示。计算公式如下：
金属材料及热处理
一般是指在自然界中含量较少、分布稀散及研究应用较少的有 色金属。稀有金属包括稀土金属、放射性稀有金属、稀有贵金属、 稀有轻金属、难溶稀有金属及稀有分散金属等。
第一章 金属的性能
三、 特种金属
特种金属包括不同用途的结构金属和功能金属，其中有通 过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、 纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、 减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
常用金属的物理性能
第一章 金属的性能
二、有色金属
有色金属是指除了铁、铬、铬以外的所有金属及其合金，通 常又将其分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。有色 金属中除了金为黄色，铜为赤红色以外，多数呈银白色。有 色金属合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电 阻温度系数小。
(1)重金属 一般是指ρ>4.5 g/cm3的有色金属，包括元
素周期表中的大多数过渡元素，如铜(Cu)、锌( Zn)、镍(Ni)、 钴(Co)、钨( W)、钼(Mo)、镉( Cd)及汞(Hg)等，此外，锑 ( Sb)、铋( Bi)、铅(Pb)及锡( Sn)等也属于重金属。重金属主 要用作各种用途的镀层及多元合金。
第一章 金属的性能
(2)轻金属
ρ<4.5 g/cm3的有色金属称为轻金属，如铝( Al)、镁( Mg)、 钙( Ca)、钾(K)、钠( Na)、铯( Cs)等。工业上常采用电化学或化 学方法对Al、Mg及其合金进行加工处理，以获得各种优异的性 能。
疲劳曲线示意图
第一章 金属的性能
3．产生疲劳的原因
许多机械零件在工作中往往受到冲击载荷 的作用，如内燃机的活塞销、冲床的冲头、锻 锰的锰杆和锻模等。制造这类零件所采用的材 料，其性能指标不能单纯用强度、塑性、硬度 来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力 ， 即韧性的大小。目前，工程上常用一次摆锰 冲击缺口试样来测定材料的韧性。材料韧性的 好坏是用冲击韧度来衡量的。
金属材料的力学性能 ppt课件
用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度压痕较大，测量值
准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。
洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式
硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度的硬度值有单位，且和
抗拉强度有一定的近似关系。
洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快
捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直
Z S0 - Su 100 % S0
2. 伸长率（A）
是指试样拉断后的标距伸长量 与原始标距 之比。
用A表示，即 A Lu - L0 100 %
L0ppt课件
25
1. 1. 3 硬 度
硬度的含义
是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表 示金属材料抵抗局部变形的能力。
硬度的表示方法
ppt课件
11
拉伸试验
（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）
GB/T228.1-2010
ppt课件
12
拉伸试样 （低碳钢）
d0 L0
长试样：L0 =10d0 短试样：L0 =5d0
ppt课件
13
拉伸试验机 液压式万能电子材料试验机
ppt课件
14
拉伸试验（应力—应变）曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。
ppt课件
42
2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况
下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生 的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导 致零（构）件断裂。
第一章金属材料的力学性能 机械制造基础P123
第1章工程材料各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。
工程材料分金属材料和非金属材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。
本章主要介绍金属材料的力学性能、组织、热处理工艺等基本知识，以及常用金属材料和非金属材料的应用知识。
1．1金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。
1．1．1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。
1．拉伸试样拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。
图1.1.1（a）所示为圆柱形拉伸试样。
在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，ℓ0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样（ℓ0=10d0）和短试样（ℓ0=5d0）。
2．拉伸曲线试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,随后缓慢地增加载荷,随着载荷的增加,试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。
在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量Δℓ，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。
拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。
图1.1.1(b)为低碳钢的拉伸曲线。
由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线a)拉伸试样 b) 拉伸曲线当载荷不超过F p时，拉伸曲线OP为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。
《金属材料与热处理》金属材料的力学性能
↘
工艺性能：
（铸造性能、锻压性能、 热处理性能、切削加工 性能等）
↓
使用范围、使用寿命
↓
工艺质量
10
模块一 金属的力学性能
金属的力学性能
是指金属在外力作用下，抵抗变形与 断裂的能力及发生变形的能力。这种能力 的大小、强弱用力学性能指标来衡量和比 较。 • 常用力学性能指标： 强度、塑性、硬度、韧性及疲劳极限等。
HBW=F/S=载荷/压痕面积 压头：硬质合金球
36
2.布氏硬度规范
1）表示方法： 200 HBW 10/1000/30 硬度值+硬度符号+试验条件 试验条件含：压头类型、试验力、保持时间 （当时间为10～15s不标出）
37
2）试验规范： >在本试验中，载荷F与压头直径D平方的比值 （0.102F/D2）应是30、15、10、5、2.5、1 中的一个。见表1-1. >试验尺寸允许时，优先选用直径为10mm的球 压头。 >在图样文件中，一般不规定试验条件，只需 标出要求的硬度值范围和硬度符号，如 200~230HBW。
不同材料有不同类型的拉伸曲线，同一材料 在不同条件下的力拉伸曲线也不相同。
18
3、应力-应变曲线 将力-伸长曲线的横、纵坐标分别用 拉伸试样的原始标距和原始横截面积去除， 就得到应力-应变曲线。 在应力-应变曲线上，可以确定几个主 要的力学性能指标。
19
思考题
1、＿＿变形不能随载荷的去除而消失。
2、拉伸曲线
外力F与试样绝对伸长量之间的关系曲线称为力-伸长曲线
16
低碳钢的拉伸曲线
o-p-e
e-s-s′
s′-b
b-k
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使用性能
力学性能指标
1.强度
2.塑性
3.硬度
3.韧性 4.疲劳强度
金属材料在静载荷 作用下抵抗变形或 破坏的能力
用屈服强度和抗拉 强度来衡量材料抵 抗破坏的能力。
金属材料断裂前发生不可 逆永久变形的能力。
用伸长率和断面收缩率来 衡量材料断裂时的最大相 对变形量
塑性差的材料不能进行成 行加工。
2.抗拉强度 ➢ 是指材料断裂前所能承受的最大抵抗应力
区别低碳钢与铸铁的拉伸试验
➢ 高碳钢、铸铁在进行拉伸试验时，没有明显的屈服强度
1.一般情况下，( C )是设计和选择零件材料的主要依据。
A。抗拉强度 B。冲击韧性 C。屈服强度 D。硬度 2.抗拉强度是指材料断裂前所能承受的 （ 最大抵抗应力 ） 3.强度、塑性都是在冲击载荷作用下表现出来的力学性能。 （） 4.高碳钢、铸铁等进行拉升试验时，没有明显的屈服现象。 （）
三种标尺。
强 化
试验原理：
用锥角为120⁰的合金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（钢球或硬质合金 球）作为压头，加上定载荷(载荷先后两次施加），使压头压入试样表面，
根据压痕深度确定其硬度值的试验方法。
表4-1 洛氏硬度测试规范
不宜测试： 太小 太薄的试样
1..布氏硬度常用于测试成品零件、薄壁零件的硬度。
（）
A 2.铝合金一般采用（ ）测定其硬度。
A.HBW B.HRA C.HRC D.HV
B 3.一般退火钢采用（ ）测定其硬度
A.HRA B.HBW C.HRC D.HV
D 4.铸铁一般采用（ ）测定其硬度
A.HV B.HRC C.HRA D.HBW
习 1.金属材料力学性能包括（ 使用 ）性能、
题
（ 工艺 ）性能两大类。
强
化
使用性能
1.载荷
力学性能
2.内力、应力
3.杆件基本变形
金属材料在加工和使用 过程中所受的作用力
分静载荷、冲击载荷和 交变载荷
内力——杆件在载荷的作用 下产生变形，其内部的部分 对另一部分的作用力。
应力——单位面积上的内力
（内力沿横截面方向）
3.扭转
（内力绕横截面旋转）
4.弯曲
（内力沿横截面轴线）
1. 沿着横截面的内力，
历
称为（ D ） 4分
年
A.扭矩 B．弯矩
高 原
C．轴力 D．剪力
考
题
本小节结束
作业时间
课前问题
1.什么是金属材料的力学性能？它包括哪些指标？ 2.简述低碳钢的拉伸试验，说明各个阶段的特点。
1.什么是金属材料的力学性能？
力学性能是指金属材料在力的作用下所表现出来的性能.
2.它包括哪些指标？
包括:
强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等主要指标。
2.力学性能的主要指标有（ 强度 ）、
习
题 强 （ 塑性 ）、（ 硬度 ）、（ 韧性 ）、
（ 疲劳强度 ）。
化
二、力学性能指标
标准试样（试件）：
强度、塑性指标采用试验获得
塑性好
可锻压、轧制等成型加工。
轧制
将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙 （各种形状），因受轧辊的压缩使材 料截面减小，长度增加的压力加工方 法，这是生产钢材最常用的生产方式， 主要用来生产型材、板材、管材。分 热轧和冷轧两种。
02
塑性
塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
塑性好
可锻压、轧制等成型加工。
学习目标
1.了解金属材料 力学性能的主要
指标和符号
2.了解屈服强度、 抗拉强度、断后伸 长率、断面收缩率
的计算方法
3.了解布氏硬度、洛 氏硬度、维氏硬度试
验方法及其应用
学习内容
金属材料性能
使用性能
在金属使用过程中表现出来的特征 包括：力学性能、物理性能、化学性能
工艺性能
金属材料在制造机械零件或工具的过 程中，适应各种冷、热加工的性能.
试验原理： 用一定直径的硬质合金球，用试验力在规定时间内压入试样表面，保持规 定时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径计
算其硬度指值的方法。
布氏硬度
（HBW）
适用场合
布氏硬度
（HBW）
布氏硬度常用于测试原材料的硬度： 铸铁 非铁金属（铝） 经退火或正火处理过的金属材料及其半成品
应力——单位面积上的内力
2.内力、应力
使用性能
杆件的四种基本变形
内力与所在杆件截面间的关系
1.轴向拉压（内力与横截面垂直） 2.剪切 （内力沿横截面方向） 3.扭转 （内力绕横截面旋转） 4.弯曲 （内力沿横截面轴线）
内力——杆件在载荷的作用 下产生变形，其内部的部分 对另一部分的作用力。
������0
������������ − 试样拉断后的标距长度（mm） ������0 − 试样原始标距长度（mm） 断后伸长率—
拉伸试样拉断后的标距伸长量与原始标距 的百分比。
下面同一种材料不同长度试样的伸长率相等么？
长试样
短试样
断后伸长率A，断面收缩率Z值越大，说明材料塑性越?
2.断面收缩率
塑性不好
不能进行成型加工。
金属材料的塑性越好，可锻性也越好
常用塑性指标有： 1.断后伸长率
A或A11.3= ������������−������0 × 100%
������0
2.断面收缩率
Z= ������0−������������ × 100% s0
1.断后伸长率
A或A11.3= ������������−������0 × 100%
Z= ������0−������������ × 100% s0
������0 − 试样原始横截面积（mm²） ������������ − 试样拉断后的最小横截面积（mm²）
断后伸长率—
拉伸试样拉断后，颈缩处横截面积的最大 缩减量与原始横截面积的百分比。
判断题
一标准长试样，截 面积为78.5mm²,测 得拉断后长度为 120mm，则断后伸 长率为20%。
（
）
常用塑性指标有： 1.断后伸长率
2.断面收缩率
A或A11.3= ������������−������0 × 100%
������0
Z= ������0−������������ × 100% s0
解：
A或A11.3= ������������−������0 × 100%
������0
π������2 = 78.5 mm²
拉伸力（或外荷载）
序号 变性阶段
对应 字母
1 弹性变形阶段 OP
拉力F 的变化
增加
试样伸长量 的变化
按比例增加
Fs 屈服拉伸力（屈服强度） 试样伸长量 Fb 极限拉伸力（抗拉强度）
2 屈服阶段
拉伸力超 试件变形不 过Fp,去 能完全恢复 S附近的 除外力后. （塑性变形）
一段曲线 继续增加 试样继续伸长 Fs后不再 （屈服现象） 增加。
应力——单位面积上的内力
这种内力会随载荷增大而增大。当内力增大到一定
限度时，杆件就会发生破坏。
• 故内力与强度密切相关 • 用截面法来计算杆件的内力 • 应变-由外力引起的物体原始尺寸或形状的相对
变化。
应力、应变
应力-单位面积上的内力 应变-由外力引起的物体原始尺寸
或形状的相对变化。
3.杆件基本变形
金属材料抵抗局部 变形（塑性变形、 压痕、划痕）的能 力。
衡量材料软硬程度 的一种性能指标
金属材料抵抗冲击 载荷作用而不被破 坏的能力。
衡量材料受冲击时 是否容易断裂的指 标。
金属材料在无限多 次交变载荷的作用 下而不破坏的最大 应力。
衡量材料在交变载 荷作用下的耐受力。
课前问题
L0 = 10cm
=
d0 1cm
L0 = 10d0
1.金属材料的塑性越好，（ C ）也越好。
A。铸造性 B。切削加工型 C。可锻性 D。热处理性 2.塑性是指金属材料断裂前（ 发生不可逆永久变形 ）的能力。常用指 标有断后伸长率和断面收缩率，第应符合是（ A或A11.3 ）和（ Z ） 3.塑性变形是指材料在外力作用下发生的变形，外力去除后，变形随之 消失。（ ） 4.同一材料，长试样的断后伸长率和短试样的断后伸长率数值是相等的。 （） 5.断后伸长率A，断面收缩率Z值越大，说明材料塑性越好。（ ） 6.锻造之前对钢进行加热处理，目的是提高钢的塑性。 （ ）
材料在载荷的作用下会产生 变形
变形有拉伸与压缩、剪切、 扭转、弯曲
使用性能
1.载荷
静荷载是指不随时间变化的荷载。如设备自重，构件本身自重，水压力，土压力。
冲击载荷在很短的时间内以很大的速度作用在构件上的载荷.
交变载荷在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
如许多机械零件，如轴、齿轮、连杆和弹簧等。
习 题 强 化
课前问题
3.硬度分哪几种？分别应用在什么场合？
03
硬度
硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、 压痕或划痕的能力。
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种指标。
硬度试验的方法
划痕法
布氏硬度 （HBW）
洛氏硬度 （HRA、HRB、HRC）
维氏硬度 （HV）
高弹法
使用性能
材料在载荷的作用下会产生 变形
变形有拉伸与压缩、剪切、 扭转、弯曲
杆件的四种基本变形
内力与所在杆件截面间的关系
1.轴向拉压（内力与横截面垂直） 2.剪切 （内力沿横截面方向） 3.扭转 （内力绕横截面旋转） 4.弯曲 （内力沿横截面轴线）