[工学]机械工程材料及成型基础第1章金属的性能.ppt

第一 章 金属的性能与结构 1.1 金属的性能 前言：金属材料是现代机械制造业中最常用的材料。在各种交通运输机械、矿山机械、石油化工机械、冶金设备、动力设备中，金属制品大约占90％。金属材料之所以获得如此广泛的应用，主要是因为它具有制造机械零部件所需的物理、化学和力学性能，而且还可用较为简便的加工工艺制成机械零件，即具有良好的工艺性能。 1.1.1金属的使用性能 1 ．物理性能 金属及合金的物理性能主要有密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热性、熔点和金属光泽等。 金属具有高的导热性。金属中的正离子不停地在自己的平衡位置上迸行热振动是热传递的一种形式，自由电子的自由运动是热能传递的另一种重要形式，这两种热传递形式的叠加是金属具有高导热性的原因。 金属具有高的导电性。金属中的自由电子在不停地迸行运动，那么，在微弱的电场的作用下，金属中的自由电子便可作定向的加速运动，形成电流，这就是金属具有良好的导电性的原因。 金属的可锻性。所谓金属的可锻性就是指金属在外力作用下，能够发生塑性变形的能力，也就是在外力的作用下，金属晶体中各层原 子间发生相对位移的能力。由于金属是在正离子和自由电子的电力作用下结合在一起的，因而，当受到外力作用发生塑性变形时，金属仍能保持金属键的结合力使其具有产生塑性变形而不断裂的能力。 金属具有金属光泽。自由电子很容易被可见光所激发，在可见光的作用下，自由电子能够跃迁到较高的能量级，当它们再重新回到原来的低能量级时，就把它们所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，这在金属的宏观表面上就表现为金属光泽。 在不同条件下工作的机器零件要求有不同的物理性能。例如，航空航天、导弹、人造卫星需选用一些比强度（抗拉强度密度）较大的合金，如用铝合金、钛合金等来制造，则会减轻结构质量、提高飞行速度，具有极大的优越性。再如，导线就需用导电性良好的铜、铝来制作，永久性磁铁、通信器材等需用磁性金属制造。在热加工中也应考虑到材料的某些物理性能，如导热性差的高速钢在锻造过程中应采用较低的加热速度，以免产生裂纹；又如不同熔点的合金，其热加工的工艺规范也有很大的不同。 2 ．化学性能 这是指金属及合金在室温或高温下抵抗各种介质化学作用的能力，如耐蚀性、耐热性等。金属材料在酸、碱或海水中及潮湿大气中工作时易受腐蚀，每年约损失10 ％。因此，提高金属的耐蚀性或采用其他防腐措施对节约金属有重大意义。对于化工设备、医疗器械应采用化学稳定性良好的不锈钢，对于燃气涡轮叶片宜采用高温抗氧化能力强和具有高温强度的铬镍钢或镍基耐热合金等制造。 3 ．力学性能 硬度、静力拉伸的一些性能（σb，σs，σ，φ）、冲击韧性、抗疲劳极限都属于金属和合金的力学性能。 最广泛使用的非破坏性检验是硬度试验，通过硬度又可换算出金属和合金的强度值。有几种不同的测量硬度的方法。 布氏硬度测定法是用直径为D 的钢球，用载荷F 作用到被测物体上，则其硬度值HB 是载荷F 同压痕直径d 的面积之比（图1 .1）： 一、 布氏硬度的单位为MPa ，但习惯上不标出单位。在实际应用中一般不是直接计算HB ，而是根据测量的d 值在相关的表中直接查出布氏硬度值。 用淬火钢球作为压头测出的硬度值以HBS 表小，适用于测量硬度小于450HB 的材料，如结构钢、铸铁和有色金属等；用硬质合金球作为压头测出的硬度值以HBW 表小，适用于测量硬度不超过650HB 的材料。 布氏硬度试验的优点是测量结果准确；缺点是压痕大，不适合成品检验。 二、 洛氏硬度测定法是压头（顶角是120?的金刚石圆锥或直径1.59mm的钢球）在一定的载荷作用下压入试样表面，硬度值HR与压头压入深度呈反比（如图1-2所示）。卸除载荷后，根据压痕的深度h = h1－h0，确定被测材料的洛氏硬度，该值可以直接从硬度计上的显示器上读出。 用金刚石锥体压头和总载荷为588.4N下测得的硬度值以HRA表示，适用于测量高硬度的材料，如硬质合金；用淬火钢球压头和总载荷为980.7N下测得的硬度值以HRB表示，适用于测量较软的材料，如退火钢、正火钢或有色金属等；用金刚石锥体压头和总载荷为1471N下测得的硬度值以HRC表示，适用于测量淬火钢等硬材料。三种洛氏硬度中，以HRC应用得最多。 洛氏硬度测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测，也可测定较薄的工件或表面有较薄硬化层的硬度。但由于压痕比较小，易受材料微区不均匀的影响，因而数据的重