第二章金属材料的性能
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Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。
解题过程
三、硬度
硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变 形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬 度试验机上实验测得的。
布氏硬度试验机
洛氏硬度试验机
维氏硬度试验机
1．布氏硬度
布氏硬度原理
布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的
平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符 号HBW表示：
洛氏硬度测试步骤
布氏硬度测试步骤
弹性变形阶段 屈服阶段
强化阶段
缩颈阶段
力－拉伸曲线
3．强度指标 （1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时， 在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服 强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。
ReL ——试样的下屈服强度，N/mm2； FeL ——试样屈服时的最小载荷，N； So ——试样原始横截面面积，mm2。 规定产生0.2残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2， 替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。
载荷的作用形式
2．内力 内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持 其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称 为。
3．应力 应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分 布，单位横截面积上的内力。
F R S
R：应力，Pa； F：外力，N； S：横截面面积，m2。
二、金属的变形
弹性变形
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
Lu Lo So S u Z A 100% Lo S
2．断面收缩率Z
试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的 百分率。
So S u Z 100% So
【例】有一直径 d =10mm，Lo=100mm 的低碳钢试样，
拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，
常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围
硬度 标尺 HRC HRB HRA 压头类型 120°金刚石圆锥体 φ 1.5875mm 硬质合金球 120°金刚石圆锥体 总测试力 (N) 1471.0 980.7 588.4 硬度值有效范围 20～67HRC 25～100HRB 60～85HRA 应用举例 一般淬火钢 软钢、退火钢、铜合金等 硬质合金、表面淬火钢等
第二章
§2－1 §2－2 §2－3 §2－4
金属材料的性能
金属材料的损坏与塑性变形 金属的力学性能 金属的工艺性能 力学性能实验
§2－1 金属材料的损坏与塑性变形
一、与变形相关的几个概念 二、金属的变形
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
一、与变形相关的几个概念
1．载荷
载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 根据载荷作用性质的不同分： （1）静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。 （2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件 上的载荷。 （3）交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发 生周期性变化的载荷。
§2－3 金属的工艺性能
金属材料的一般加工过程
铸件 冶炼→铸造 铸锭 热轧→ 热锻 板料、棒材、 型材、管材 机加工 机加工
焊接
机加工 冷轧、冷拔、冷冲
零 件
金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺
方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工 性能和焊接性能、热处理性能等。
一、铸造性能
金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒 的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压 扁或拉长。
塑性变形后的金属组织
§2－2 金属的力学性能
一、强度 二、塑性
任何机械零件或工具，在使 用过程中，往往要受到各种形式
外力的作用，这就要求金属材料
必须具有一种承受机械载荷而不 超过许可变形或不破坏的能力，
金属变形实验
弹－塑性变形
滑移与位错
断裂
金属塑性变形的影响因素：
1．晶粒位向的影响
2．晶界的作用
3．晶粒大小的影响
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
形变强化（加工硬化）——冷塑性变形除了 使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位
错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变
形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧 性下降。
二、锻压性能
三、焊接性能
四、切削加工性能
五、热处理性能
一、铸造性能
铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力， 主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。
1．流动性 熔融金属的流动能力。
2．收缩性
铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中， 体积和尺寸减小的现象。 3．偏析倾向 金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现
三、硬度
四、冲击韧性 *五、疲劳强度
这种能力就是材料的力学性能。
一、强度
强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或 断裂的能力。其大小用应力表示。 抗拉强度——拉伸实验测定 抗压强度
抗剪强度
抗扭强度
抗弯强度
1．拉伸试样
d——试样直径 Lo——标距长度
低碳钢拉伸实验
2．力－伸长曲线
具的耐用度以及加工后的表面粗糙度来衡量。
表面加工硬化——切削塑性金属材料时，工件在加工 表面层的硬度明显提高而塑性下降的现象。
五、热处理性能
淬透性 淬硬性 过热敏感性 变形开裂倾向 回火脆性倾向
氧化脱碳倾向
§2－4 力学性能实验
实验1 拉伸实验
液压式万能试验机 拉伸实验
实验2 硬度测试
象。
二、锻压性能
用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常 用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。
三、焊接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能
金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工 艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 对碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分 有关（其中碳的影响最大）。
四、切削加工性能
切削加工性能——切削金属材料的难易程度。一般用 工件切削时的切削速度、切削抗力的大小、断屑能力、刀
应用范围：
主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处 理后的各种软钢等硬度较低的材料。
h 0.002
2．洛氏硬度
洛氏硬度原理
h HR=100 — 0.002
洛氏硬度试验原理
洛氏硬度计表盘
表示方法：
符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示 不同的洛氏硬度标尺。
例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。
F 2F HBW 0.102 S πD( D D2 d 2 )
表示方法：
布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及 实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。
例：
170HBW10/1000/30： 直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下， 保持30 s时测得的布氏硬度值为170。 600HBW1/30/20： 直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下， 保持20 s时测得的布氏硬度值为600。
2．抗拉强度Rm
抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。
Rm ——抗拉强度，MPa； Fm ——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明 显屈服的材料，为试验期间的最大力）， N； So ——试样原始横截面面积，mm2 。
二、塑性
塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。 1．断后伸长率A
四、冲击韧性
冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不
破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲
试验来测定。
冲击实验
冲击试样 用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的 指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲 击吸收能量分别用KU和KV表示。
*五、疲劳强度
由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽 低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产 生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳 断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力 称为疲劳强度。疲劳极限用符号R－1表示。
解题过程
三、硬度
硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变 形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬 度试验机上实验测得的。
布氏硬度试验机
洛氏硬度试验机
维氏硬度试验机
1．布氏硬度
布氏硬度原理
布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的
平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符 号HBW表示：
洛氏硬度测试步骤
布氏硬度测试步骤
弹性变形阶段 屈服阶段
强化阶段
缩颈阶段
力－拉伸曲线
3．强度指标 （1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时， 在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服 强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。
ReL ——试样的下屈服强度，N/mm2； FeL ——试样屈服时的最小载荷，N； So ——试样原始横截面面积，mm2。 规定产生0.2残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2， 替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。
载荷的作用形式
2．内力 内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持 其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称 为。
3．应力 应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分 布，单位横截面积上的内力。
F R S
R：应力，Pa； F：外力，N； S：横截面面积，m2。
二、金属的变形
弹性变形
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
Lu Lo So S u Z A 100% Lo S
2．断面收缩率Z
试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的 百分率。
So S u Z 100% So
【例】有一直径 d =10mm，Lo=100mm 的低碳钢试样，
拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，
常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围
硬度 标尺 HRC HRB HRA 压头类型 120°金刚石圆锥体 φ 1.5875mm 硬质合金球 120°金刚石圆锥体 总测试力 (N) 1471.0 980.7 588.4 硬度值有效范围 20～67HRC 25～100HRB 60～85HRA 应用举例 一般淬火钢 软钢、退火钢、铜合金等 硬质合金、表面淬火钢等
第二章
§2－1 §2－2 §2－3 §2－4
金属材料的性能
金属材料的损坏与塑性变形 金属的力学性能 金属的工艺性能 力学性能实验
§2－1 金属材料的损坏与塑性变形
一、与变形相关的几个概念 二、金属的变形
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
一、与变形相关的几个概念
1．载荷
载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 根据载荷作用性质的不同分： （1）静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。 （2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件 上的载荷。 （3）交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发 生周期性变化的载荷。
§2－3 金属的工艺性能
金属材料的一般加工过程
铸件 冶炼→铸造 铸锭 热轧→ 热锻 板料、棒材、 型材、管材 机加工 机加工
焊接
机加工 冷轧、冷拔、冷冲
零 件
金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺
方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工 性能和焊接性能、热处理性能等。
一、铸造性能
金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒 的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压 扁或拉长。
塑性变形后的金属组织
§2－2 金属的力学性能
一、强度 二、塑性
任何机械零件或工具，在使 用过程中，往往要受到各种形式
外力的作用，这就要求金属材料
必须具有一种承受机械载荷而不 超过许可变形或不破坏的能力，
金属变形实验
弹－塑性变形
滑移与位错
断裂
金属塑性变形的影响因素：
1．晶粒位向的影响
2．晶界的作用
3．晶粒大小的影响
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
形变强化（加工硬化）——冷塑性变形除了 使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位
错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变
形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧 性下降。
二、锻压性能
三、焊接性能
四、切削加工性能
五、热处理性能
一、铸造性能
铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力， 主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。
1．流动性 熔融金属的流动能力。
2．收缩性
铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中， 体积和尺寸减小的现象。 3．偏析倾向 金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现
三、硬度
四、冲击韧性 *五、疲劳强度
这种能力就是材料的力学性能。
一、强度
强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或 断裂的能力。其大小用应力表示。 抗拉强度——拉伸实验测定 抗压强度
抗剪强度
抗扭强度
抗弯强度
1．拉伸试样
d——试样直径 Lo——标距长度
低碳钢拉伸实验
2．力－伸长曲线
具的耐用度以及加工后的表面粗糙度来衡量。
表面加工硬化——切削塑性金属材料时，工件在加工 表面层的硬度明显提高而塑性下降的现象。
五、热处理性能
淬透性 淬硬性 过热敏感性 变形开裂倾向 回火脆性倾向
氧化脱碳倾向
§2－4 力学性能实验
实验1 拉伸实验
液压式万能试验机 拉伸实验
实验2 硬度测试
象。
二、锻压性能
用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常 用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。
三、焊接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能
金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工 艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 对碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分 有关（其中碳的影响最大）。
四、切削加工性能
切削加工性能——切削金属材料的难易程度。一般用 工件切削时的切削速度、切削抗力的大小、断屑能力、刀
应用范围：
主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处 理后的各种软钢等硬度较低的材料。
h 0.002
2．洛氏硬度
洛氏硬度原理
h HR=100 — 0.002
洛氏硬度试验原理
洛氏硬度计表盘
表示方法：
符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示 不同的洛氏硬度标尺。
例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。
F 2F HBW 0.102 S πD( D D2 d 2 )
表示方法：
布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及 实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。
例：
170HBW10/1000/30： 直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下， 保持30 s时测得的布氏硬度值为170。 600HBW1/30/20： 直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下， 保持20 s时测得的布氏硬度值为600。
2．抗拉强度Rm
抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。
Rm ——抗拉强度，MPa； Fm ——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明 显屈服的材料，为试验期间的最大力）， N； So ——试样原始横截面面积，mm2 。
二、塑性
塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。 1．断后伸长率A
四、冲击韧性
冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不
破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲
试验来测定。
冲击实验
冲击试样 用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的 指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲 击吸收能量分别用KU和KV表示。
*五、疲劳强度
由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽 低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产 生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳 断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力 称为疲劳强度。疲劳极限用符号R－1表示。