工程材料与机械制造基础海洋科学与技术学院海洋科学与技术学院 贾贾 非非Dalian University of TechnologyDalian University of Technology第5章 金属材料的主要性能*主 要 内 容*l金属材料的力学性能力学性能服役条件对力学性能的影响 l金属材料的加工工艺性能焊接性能铸造性能压力加工性能机加工性能热处理性能 l金属材料的物理性能与耐腐蚀性能物理性能耐腐蚀性能材料的性能 使用性能：材料在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能。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。神舟一号飞船*金属材料的力学性能 力学性能： 指材料在力或能量的作用下所表现出的行为。 影响材料力学性能的因素：作用力特点：如力的种类（静态力、动态力、磨蚀力等）；施力方式：速度、方向及大小的变化，局部或全面施力等；应力状态：简单应力拉、压、剪、扭、弯，复杂应力两种以上简单应力的复合；受力状态下所处的环境：温度、压力、介质、特殊空间等。*金属材料的力学性能* 力学试验的对象，可以是构件、零部件或材料。 构件或零部件的试验，主要是考验它在类似服役条件 下的行为，试验时的外载分布、温度变化、介质条件 等都尽可能复现其实际使用的状态，以考核其结构强 度、使用寿命、失效形式。 一些大型构件不便于用实物直接试验时，也可以采用 模型或模拟的试验方法。这些试验多半是在复杂的加 载条件下进行的，不能以材料的基本力学性质试验来 代替，甚至零部件的试验也不能代替整机的试验。金属材料的力学性能* 材料的力学试验则是在从金属材料中加工出的试样上 进行的，是力学试验的基础工作。 力学试验的目的： 确定材料在各种受载条件下的行为，为工程设计提 供依据。 材质的比较性检验。如具有持定用途的材料的筛选 ，企业中原材料、半成品或产品的质量控制等。 通过力学行为与金属内部状态研究的配合，掌握力 学性质变化的基本原理，各种因素影响的本质，为高 性能材料的研制提供指导。金属材料的力学性能* 力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条件而变化。外界因素可以直接影响材料的性质，也可能通过改变其内部组织而影响它的力学行为。 在力学件质的研究中，仅依靠力学试验的结果是不够 的。为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、 点 阵类型、缺陷分布等关系发掘出来，就必须配合 进行各种组织检验、结构分析、断口研究、应力分析 、物理性质测试等多种试验工作，这些试验与力学试 验相配合，可以有效地揭示材料行为的内在本质。金属材料的力学性能*（一）拉伸试验与拉伸曲线（二）应力-应变曲线和强度、塑性指标强度和塑性金属材料的力学性能*强度的测定-拉伸实验拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0 *强度的测定-拉伸实验力伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段拉伸试验机低碳钢拉伸力与伸长量的关系曲线。*强度的测定-拉伸实验力伸长曲线弹性变形阶段 外力不超过Fe，材料只产生可恢复的弹性变形。 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能 恢复其原来形状的性能。 弹性变形 随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其 大小与外力成正比。 塑性变形阶段 外力超过Fe后，试样开始产生永久变形（在外力去除后保留下来的不能恢复的变形），即塑性变 形。*强度的测定-拉伸实验LF0脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。*低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力 = F/A0 应变 = (l-l0)/l0强度的测定-拉伸实验*弹性和刚度 弹性：指标为弹性极限e， 即材料承受最大弹性变形时 的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性 变形的能力。指标为弹性模 量E。 e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 *强度与塑性 材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。应用强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。强度的概念*强度指标 屈服强度s：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，即材料发生微量塑性变形时的应力值。屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续 伸长时的应力。FsA0s=计算公式*强度指标 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的 应力值。脆性材料的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力。LF0F0.20.2%L0应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。F0.2A00.2=计算公式*强度指标 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。b=FbA0应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。计算公式*塑性衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。塑性：*塑性指标伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象*塑性指标 说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为 常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用10表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 10 时，无颈缩，为脆性材料表征 0.4%0.6%时，焊接性很不好，必须预热到较高 温度。*焊接性能* 冷裂纹敏感指数：Pcm Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+ V/10+5B 使用化学成分范围（质量分数）：C=0.07-0.22%,Si=0- 0.6%,Mn=0.4-1.4%,Cu=0-0.5%,Ni=0-1.2%,Cr=0- 1.2%,Mo=0-0.7%,V=0-0.12%,Nb=0-0.04%,Ti=0- 0.05%,B=0-0.005%.焊接性能 冷裂纹敏感性Pw Pw=Pcm+H/60+h/600或 Pw=Pcm+H/60+R/40000 H:熔敷金属中扩散氢含量（ml/100g）R:焊缝拉伸拘束度h:板厚（mm）当Pw0时，即有产生裂纹的可能性。适用条件：扩散氢含量H=(1-5)ml/100g，h=19-50mm， 线能量为17-30kJ/cm.*常见的焊接缺陷铸造性能 是指金属材料是否适于铸造及所铸构件质量的好坏。 金属材料的铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等方 面。 流动性 是指液态金属充满铸模的能力，流动性愈好 ，愈易铸造细薄精致的铸件； 收缩性 是指铸件凝固时体积收缩的程度，收缩愈小 ，铸件凝固时变形愈小； 偏析 是指化学成分不均匀，偏析愈严重，铸件各部 位的性能愈不均匀，铸件可靠性愈小。工艺性能*压力加工性能在冷或热状态的压力作用下，材料产生塑性变形的 能力。 压力加工是使材料产生塑性变形的加工方法。变形量 小可用冷加工，变形量大要用热加工。 既要有足够的塑性变形能力，又不能产生不允许的塑 性裂纹。 压力加工性能要包括有必需的固态活动性，较低的对 模具壁的摩擦阻力，强的抵抗氧化氧化起皮及热裂能 力，低的冷作硬化及皱折、开裂倾向等。 压力加工性能，常用塑性和变形抗力来综合衡量。工艺性能*切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度。一般由工件切削后的 表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。 影响切削加工性能的因素 主要有工件的化学成分、 金相组织、物理性能、力学性能等。 通常用以下四个指标来综合评定：切削时的切削抗力 、刀具的使用寿命、切削后的表面粗糙度及断屑情况 。 硬度在170230HBW，并有足够脆性的金属材料，其 切削加工性良好；硬度和韧性过低或过高，切削加工 性均不理想。工艺性能*物理性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 机器零件的用途不同，对材料物理性能的要求也不同。 金属材料的物理性能对热加工工艺也有一定的影响。 材料的物理性能也是过程装备选材要考虑的。 过程装备用材要考虑的物理性能参数通常是弹性模量、密度、熔点、比热容、导热系数、线膨胀系数等。金属材料的物理与耐腐蚀性能* 耐腐蚀性能 金属材料的化学性能 主要指其在常温或高温时，抵抗各种活性介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。 腐蚀 金属材料以及由它们制成的结构物，在自然环境中或者在工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏。 耐腐蚀性能 是材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。金属材料的物理与耐腐蚀性能*金属腐蚀蚀的分类类3.按腐蚀环境金属腐蚀可分为大气腐蚀 、土壤腐蚀、电解质腐蚀、熔融盐中腐蚀以 及高温气体腐蚀等。1.按腐蚀机理金属腐蚀可分为化学腐蚀、电 化学腐蚀、物理溶解三大类。 金属腐蚀的类型及产生原因2.按破坏的特征金属腐蚀可分 为全面腐蚀、局部腐蚀。耐腐蚀性能 按腐蚀机理分为（1）化学腐蚀：金属与环境介质中的氧化剂直接发 生氧化反应而引起的腐蚀。例（2）电化学腐蚀：金属表面与电解质水溶液或熔盐 所形成局部电池所产生的腐蚀。(3)物理腐蚀：指金属由于单纯的物理溶解作用所 引起的损失。如熔盐、熔碱、液态金属中均可发生。耐腐蚀性能 金属腐蚀程度的表示方法 根据腐蚀破坏形式的不同，对金属腐蚀程度的大小有各 种不同的评定方法。对于全面腐蚀来说，通常用平均腐 蚀速度 来衡量。腐蚀速度可用质量指标腐蚀速率和深 度指标腐蚀速率。 质量指标腐蚀速率：该方法是把金属腐蚀后的质量 变化换算成单位面积与单位时间内的质量变化来表 示。失重法是根据腐蚀后试样质量的减小，利用下 式来表征腐蚀速度：耐腐蚀性能若腐蚀后试样质量增加且腐蚀产物完全牢固地附着在 试样表面时，可计算腐蚀速度：时间单位除上面所用的小时（h）外，还有天（d（day）、年 （a（annual）。因此，以质量变化表示的腐蚀速度的单位还有 ， 。 英文缩写mdd代表 ，用gmd代表金属腐蚀程度的表示方法深度指标腐蚀速率法：该方法将试样因腐蚀而减小 的量，以腐蚀深度来表示。根据每年腐蚀深度的不同，可将金属的耐蚀性按十 级标准和三级标准进行分类。 按深度表示腐蚀速度的单位，国外文献上还常用ipy（ 英寸/年 inches per year的缩写）和mpy（密耳/年 mils per year的缩写）。金属腐蚀程度的表示方法课后作业5lP70，习题和思考题：1、2、3 *