金属加工工艺学 第一篇 金属材料的基础知识

第一节 金属材料的力学性能
一、强度和塑性
拉伸试验（GB6397-1986）
低碳钢拉伸试验图分析
F
变形阶段的分析： 弹性变形阶段
塑性变形阶段 (屈服) 断裂阶段 (颈缩)
应力与应变概念
应力： 试样单位横截面上的拉力
＝
P F0
＝ 4P
d02
N/mm2；MPa
应变：试样单位长度上的伸长量
＝L1－L0＝L10％0 L0 L0
计算公式： ak =Ak/S(J / cm)
用单位面积上的冲击功来表示
ak—冲击韧度 Ak—冲断试样所消耗的冲击功，J; S—试样缺口处的横截面积，cm。
冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次 重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲 击韧度。
1.强度指标，单位：MPa(N/mm2）
F
强度: 材料在外力作用下，抵 抗塑性变形和断裂的能力。
σs —— 屈服强度(屈服点）
σb —பைடு நூலகம் 抗拉强度
σ0.2——名义屈服强度
（名义屈服点）
低碳钢拉伸试验图
屈服强度和抗拉强度
在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度 指标。其计算公式为： ☆屈服强度（屈服点）——拉伸试样产生屈服时的应力
=（A0 –A1）/A0×100%
式中 A0—试样的原始截面积，mm²； A1—试样拉断后,断口处横截面积，mm²；
说明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。
二、硬度（HB、HR）
硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属 材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性 变形或破断的能力。是衡量金属软硬的指标。直 接影响金属材料的耐磨性。
牌
力学性能
号
σb/
σs
δ%
HBS HRC αk
MPa
Q235-A 400 235 26
610
16
45钢
ZG310-570 570 310 15
229 55（淬 火）
30
ZAlSi2
145
4
50
HT250 250
QT700-2 700 420 2
270
应 用
工程结构 轴、杆
铸钢件 活塞 气缸体 曲轴
复习题
s=Fs /A0 ( MPa ) ☆ 抗拉强度——拉伸试样在拉断前所承受的最大应力
b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs—试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb—-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N
A0——试样原始截面积,mm²
金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度 设计的依据.
1. 解释应力与应变的概念
2. 说明σS 、σ0.2 、σb、σ－1 、δ％、αk、4550HRC、300HBS的名称和含义
3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性 能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300; QT450-10; ZG340-640(ZG55）; ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜); ZAlSi7Mg(ZL101) 。
ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来 检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。
四、 疲劳强度 ——（σ-1 ） （σ-1≈0.5σb）
金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致 引起断裂的最大应力—疲劳强度。
在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、 曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应 力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强 度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的 机件失效都可归咎于疲劳破坏。
金属加工工艺学 第一篇 金属材料的 基础知识
主要内容包括:
☆ 金属材料的主要性能 ☆ 铁碳合金 ☆ 钢的热处理 ☆ 工业用钢
材料与性能要求
• 四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥
• 力学性能—— 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度
• 物化性能——密度、耐腐蚀性等
• 工艺性能——加工成形的难易程度
金属材料所承受循环应力（）与其断裂前的应力循 环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。
疲劳曲线
当应力降至某值后，
疲劳曲线成为水平，
即表示该材料可能经受无 数次应力循环而仍不发生 疲劳断裂，这个应力叫做 疲劳强度极限。。
用应力循环基数表示：
钢为107
非铁合金和某些高强为108
5、几种常用金属材料的力学性能
适用范围：用于测定软材质（HBS≤450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。
HBW--- 以硬质合金球为压头的新型布氏硬度计
2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ）
用于测定硬质表面,材料（20－70 HRC） 测试原理图：
F
HRC测定
压头直径: 120。金刚石压头、
￠1.5875mm钢球、 ￠3.175mm钢球
主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、
特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。
缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。
适用范围：用于测定硬质材质（20－70 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。
三、韧性
金属在断裂前吸收的变形能量的能力——韧性。 其常用指标为------冲击韧度（ak ）
2. 塑性指标
塑性: 材料在外力作用下，产生 永久变形而不引起破坏的能力。
☆ 伸长率：试样拉断后,其标距 的伸长与原始标距的百分比.
＝L1－L0＝L10％ 0
L0
L0
应用中：δ10——试样 L0=10d0
δ5 ——试样 L0=5d0
☆断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截
面积的最大缩减量与原 始横截面积的百分比
第二章 铁 碳 合 金
• 铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 生铁： 2.11%≤C<5%.
碳钢 ： C<2.11%; （铸铁2.8%≤C≤4.0%)
图 3 3 4 0 钢
第一节 纯铁的晶体结构与同素异晶转变
• 金属（纯铁、铜、 铝等）都是晶体
• 晶体——原子按一定的次序作有规则 的排列。如金刚石、石墨等。
常用的有布氏硬度和洛氏硬度
1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头）
用于测定软材质（HBS≤450）
测试原理图：
HBS测定
压头直径:￠10mm、 ￠5mm、 ￠2.5mm
载荷: 30000N、 7500N 、1870N
特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。