电子课件-《金属材料与热处理(第七版)》-A02-3668 第二章
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的载荷。
根据载荷作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压 缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。
a)拉伸载荷 b)压缩载荷 c)弯曲载荷 d)剪切载荷 e)扭转载荷
2. 内力 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，
在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。 3. 应力
在假设作用在零件横截面上的内力大小是均匀分布
§2-5 力学性能试验
四、冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲 击韧性。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击试验来测定。
夏比摆锤冲击试验机
* 五、疲劳强度
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。
将材料制成试样，对其施加交变应力，观察交变应 力R 与试样断裂前的应力循环次数N 的关系。如果将交变 应力R和N的对应关系绘制成图，就得到R—N 曲线，也称 为疲劳曲线。
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
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，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降， 这种现象称为形变强化或加工硬化。
§2-2 金属材料的力学性能
一、强度
金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为 强度。
坏的能力称为耐腐蚀性。
金属材料的腐蚀
2.高温抗氧化性 在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金
属的损耗和浪费，因此高温下使用的零件，要求材料具有 高温抗氧化的能力。
§2-4 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是金属材料对不同加工工艺 方法的适应能力，包括铸造性能、锻压性能、焊接性 能、切削加工性能和热处理性能等。
晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻 碍了滑移。很显然，晶界越多，则晶体的塑性变形抗力越 大。
3. 晶粒大小的影响 在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就
越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因 而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较 高，而且塑性和韧性也较好，故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
导热性通常用热导率来衡量。
5.热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热
膨胀性，其大小可用线膨胀系数衡量。
6.磁性 金属材料在磁场中被磁化的性能称为磁性。根据磁
化程度的不同，金属材料分为: (1)铁磁性材料 (2)顺磁性材料 (3)抗磁性材料
二、化学性能
1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破
的情况下，采用横截面单位面积上的内力应力来加以判 定。材料受拉伸或压缩载荷作用时，其应力按下式计算:
二、金属的变形
1. 晶粒位向的影响 多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，当处
于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位 向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高 了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时受 到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变 形呈逐步扩展和不均匀的形式，产生内应力。 2. 晶界的作用
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验机
1. 拉伸试样 拉伸试样的截面可以为圆形、矩形、多边形等，在
国家标准)中规定了试样的形状、尺寸及加工要求等。
圆形拉伸试样 a)拉伸前 b)拉伸后
2. 力—伸长曲线 拉伸试验中，依据拉力F与伸长量ΔL之间的关系在直
角坐标系中绘出的曲线，称为力—伸长曲线。
3. 强度指标 (1)屈服强度 屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，材料发生
布氏硬度试验的压痕直径较大，能较准确地反映
材料的平均性能。由于强度和硬度间有一定的近似比 例关系，因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径 费时费力，而且不适于测高硬度材料，压痕较大，所 以只适宜对毛坯和半成品进行测试，而不宜对成品及 薄壁零件进行测试。
2. 洛氏硬度 (1)洛氏硬度的测试原理 常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最广。
第二章 金属材料的性能
§2-1 金属材料的损坏与塑性变形
塑性变形也有有益的一面，可以作为零件成形和强化
的重要手段。工业上使用的许多金属产品一般都是先浇注 成铸锭后，再经过压力加工制成的。
一、与变形相关的概念
1. 载荷 根据载荷作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲
击载荷和交变载荷三种。 (1)静载荷 指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 (2)冲击载荷 指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 (3)交变载荷 指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化
二、锻压性能
用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻
压性能。化学成分会影响金属的锻压性能，纯金属的 锻压性能优于一般合金。铁碳合金中，含碳量(碳的质 量分数)越低，锻压性能越好;合金钢中，合金元素的种 类和含量越多，锻压性能越差，如钢中的硫会降低锻 压性能。金属组织的形式也会影响其锻压性能。
三、焊接性能
三、硬度
材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的 能力称为硬度。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高， 材料的耐磨性越好。
通常，硬度是通过在专用的硬度试验机上试验测得的。
1. 布氏硬度 (1)布氏硬度的测试原理
(2)布氏硬度的表示方法 布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、试验
力及保持时间表示。当保持时间为10~15s时可不标。 (3)布氏硬度的应用范围及优缺点
现将本节介绍的常用的力学性能指标及其含义总结于表。
§2-3 金属材料的物理性能与化学性能
一、物理性能
1.密度 密度是指在一定温度下单位体积物质的质量。
2.熔点 熔点是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料
一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有 固定的熔点。 3.导电性
传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量。 4.导热性
塑性变形而力不增加的应力点。
(2)抗拉强度Rm 材料在断裂前所能承受的最大力的应力称为抗拉强
度。
二、塑性
材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力称为塑性。 1. 断后伸长率A
断后伸长率是试样拉断后，标距的伸长量与原始标距 之比的百分率。
2. 断面收缩率Z 断面收缩率是试样拉断后，颈缩处面积变
化量与原始横截面面积之比的百分率。
五、热处理性能
热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善 材料力学性能的重要途径。热处理性能包括淬透性、淬硬 性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱 碳倾向等。碳素钢热处理变形的程度与其含碳量有关，一 般情况下，含碳量越ຫໍສະໝຸດ Baidu，变形与开裂倾向越大，而碳素钢 又比合金钢的变形开裂倾向严重。钢的淬硬性也主要取决 于含碳量，含碳量高，材料的淬硬性好。
金属材料的一般加工过程
一、铸造性能
铸造性能是铸造成形过程中获得外形准确、内 部无明显缺陷铸件的能力。
铸造成形过程
1. 流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。
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
和尺寸减小的现象称为收缩性，其大小可用收缩率衡量。 3. 偏析倾向
金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象称 为偏析。
焊接性能是金属材料对焊接加工)的适应性，即在一 定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 对碳素钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成 分有关(其中碳的影响最大)，如低碳钢具有良好的焊接 性能，而高碳钢和铸铁的焊接性能则较差。
四、切削加工性能
切削材料的难易程度称为材料的切削加工性能。 影响切削加工性能的因素主要有化学成分、组织状态、 硬度、韧性、导热性及形变强化等。 一般认为材料具有适当硬度和一定脆性时，其切削加 工性能较好，如灰铸铁比钢的切削加工性能好。 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称为表面加工硬化。此时在加工表 面受刀具挤压产生的塑性变形部分不能恢复，因而产生的 变形抗力较大，表面形变强化。当以较小的切削深度再次 切削时，刀具不易切入，并使刀具易磨损，而且在加工表 面硬化层常常伴有裂纹，使表面粗糙度值增大，疲劳强度 下降。因此，应尽量设法消除这种现象。
(2)洛氏硬度的表示方法 符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不
同 洛氏硬度标尺。 (3)洛氏硬度试验法的优缺点
洛氏硬度试验操作简单、迅速，可直接从表盘上读 出硬度值;压痕直径很小，可以测量成品及较薄工件;测试 的硬度值范围较大，可测从很软到很硬的金属材料，所 以在生产中广为应用，其中HRC的应用尤为广泛。但由 于压痕小，当材料组织不均匀时，测量值的代表性差， 一般需在不同的部位测试几次，取读数的平均值代表材 料的硬度。
根据载荷作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压 缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。
a)拉伸载荷 b)压缩载荷 c)弯曲载荷 d)剪切载荷 e)扭转载荷
2. 内力 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，
在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。 3. 应力
在假设作用在零件横截面上的内力大小是均匀分布
§2-5 力学性能试验
四、冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲 击韧性。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击试验来测定。
夏比摆锤冲击试验机
* 五、疲劳强度
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。
将材料制成试样，对其施加交变应力，观察交变应 力R 与试样断裂前的应力循环次数N 的关系。如果将交变 应力R和N的对应关系绘制成图，就得到R—N 曲线，也称 为疲劳曲线。
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
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，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降， 这种现象称为形变强化或加工硬化。
§2-2 金属材料的力学性能
一、强度
金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为 强度。
坏的能力称为耐腐蚀性。
金属材料的腐蚀
2.高温抗氧化性 在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金
属的损耗和浪费，因此高温下使用的零件，要求材料具有 高温抗氧化的能力。
§2-4 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是金属材料对不同加工工艺 方法的适应能力，包括铸造性能、锻压性能、焊接性 能、切削加工性能和热处理性能等。
晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻 碍了滑移。很显然，晶界越多，则晶体的塑性变形抗力越 大。
3. 晶粒大小的影响 在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就
越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因 而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较 高，而且塑性和韧性也较好，故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
导热性通常用热导率来衡量。
5.热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热
膨胀性，其大小可用线膨胀系数衡量。
6.磁性 金属材料在磁场中被磁化的性能称为磁性。根据磁
化程度的不同，金属材料分为: (1)铁磁性材料 (2)顺磁性材料 (3)抗磁性材料
二、化学性能
1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破
的情况下，采用横截面单位面积上的内力应力来加以判 定。材料受拉伸或压缩载荷作用时，其应力按下式计算:
二、金属的变形
1. 晶粒位向的影响 多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，当处
于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位 向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高 了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时受 到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变 形呈逐步扩展和不均匀的形式，产生内应力。 2. 晶界的作用
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验机
1. 拉伸试样 拉伸试样的截面可以为圆形、矩形、多边形等，在
国家标准)中规定了试样的形状、尺寸及加工要求等。
圆形拉伸试样 a)拉伸前 b)拉伸后
2. 力—伸长曲线 拉伸试验中，依据拉力F与伸长量ΔL之间的关系在直
角坐标系中绘出的曲线，称为力—伸长曲线。
3. 强度指标 (1)屈服强度 屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，材料发生
布氏硬度试验的压痕直径较大，能较准确地反映
材料的平均性能。由于强度和硬度间有一定的近似比 例关系，因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径 费时费力，而且不适于测高硬度材料，压痕较大，所 以只适宜对毛坯和半成品进行测试，而不宜对成品及 薄壁零件进行测试。
2. 洛氏硬度 (1)洛氏硬度的测试原理 常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最广。
第二章 金属材料的性能
§2-1 金属材料的损坏与塑性变形
塑性变形也有有益的一面，可以作为零件成形和强化
的重要手段。工业上使用的许多金属产品一般都是先浇注 成铸锭后，再经过压力加工制成的。
一、与变形相关的概念
1. 载荷 根据载荷作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲
击载荷和交变载荷三种。 (1)静载荷 指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 (2)冲击载荷 指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 (3)交变载荷 指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化
二、锻压性能
用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻
压性能。化学成分会影响金属的锻压性能，纯金属的 锻压性能优于一般合金。铁碳合金中，含碳量(碳的质 量分数)越低，锻压性能越好;合金钢中，合金元素的种 类和含量越多，锻压性能越差，如钢中的硫会降低锻 压性能。金属组织的形式也会影响其锻压性能。
三、焊接性能
三、硬度
材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的 能力称为硬度。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高， 材料的耐磨性越好。
通常，硬度是通过在专用的硬度试验机上试验测得的。
1. 布氏硬度 (1)布氏硬度的测试原理
(2)布氏硬度的表示方法 布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、试验
力及保持时间表示。当保持时间为10~15s时可不标。 (3)布氏硬度的应用范围及优缺点
现将本节介绍的常用的力学性能指标及其含义总结于表。
§2-3 金属材料的物理性能与化学性能
一、物理性能
1.密度 密度是指在一定温度下单位体积物质的质量。
2.熔点 熔点是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料
一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有 固定的熔点。 3.导电性
传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量。 4.导热性
塑性变形而力不增加的应力点。
(2)抗拉强度Rm 材料在断裂前所能承受的最大力的应力称为抗拉强
度。
二、塑性
材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力称为塑性。 1. 断后伸长率A
断后伸长率是试样拉断后，标距的伸长量与原始标距 之比的百分率。
2. 断面收缩率Z 断面收缩率是试样拉断后，颈缩处面积变
化量与原始横截面面积之比的百分率。
五、热处理性能
热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善 材料力学性能的重要途径。热处理性能包括淬透性、淬硬 性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱 碳倾向等。碳素钢热处理变形的程度与其含碳量有关，一 般情况下，含碳量越ຫໍສະໝຸດ Baidu，变形与开裂倾向越大，而碳素钢 又比合金钢的变形开裂倾向严重。钢的淬硬性也主要取决 于含碳量，含碳量高，材料的淬硬性好。
金属材料的一般加工过程
一、铸造性能
铸造性能是铸造成形过程中获得外形准确、内 部无明显缺陷铸件的能力。
铸造成形过程
1. 流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。
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
和尺寸减小的现象称为收缩性，其大小可用收缩率衡量。 3. 偏析倾向
金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象称 为偏析。
焊接性能是金属材料对焊接加工)的适应性，即在一 定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 对碳素钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成 分有关(其中碳的影响最大)，如低碳钢具有良好的焊接 性能，而高碳钢和铸铁的焊接性能则较差。
四、切削加工性能
切削材料的难易程度称为材料的切削加工性能。 影响切削加工性能的因素主要有化学成分、组织状态、 硬度、韧性、导热性及形变强化等。 一般认为材料具有适当硬度和一定脆性时，其切削加 工性能较好，如灰铸铁比钢的切削加工性能好。 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称为表面加工硬化。此时在加工表 面受刀具挤压产生的塑性变形部分不能恢复，因而产生的 变形抗力较大，表面形变强化。当以较小的切削深度再次 切削时，刀具不易切入，并使刀具易磨损，而且在加工表 面硬化层常常伴有裂纹，使表面粗糙度值增大，疲劳强度 下降。因此，应尽量设法消除这种现象。
(2)洛氏硬度的表示方法 符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不
同 洛氏硬度标尺。 (3)洛氏硬度试验法的优缺点
洛氏硬度试验操作简单、迅速，可直接从表盘上读 出硬度值;压痕直径很小，可以测量成品及较薄工件;测试 的硬度值范围较大，可测从很软到很硬的金属材料，所 以在生产中广为应用，其中HRC的应用尤为广泛。但由 于压痕小，当材料组织不均匀时，测量值的代表性差， 一般需在不同的部位测试几次，取读数的平均值代表材 料的硬度。