第二章金屬材料的性能§2－1金屬材料的損壞與塑性變形§2－2金屬的力學性能§2－3金屬的工藝性能§2－4力學性能實驗§2－1金屬材料的損壞與塑性變形一、與變形相關的幾個概念二、金屬的變形三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化在生產中，機器零件的性能往往達不到理想要求，許多零件在使用過程中會發生損壞，不但嚴重影響生產，甚至造成人身事故。問題1機械零件在使用中常見的損壞形式有哪幾種呢？

一、金屬的變形彈性變形彈－塑性變形斷裂滑移與位錯金屬變形實驗1.特點

彈性變形：

金屬彈性變形后其組織和性能不發生變化。

塑性變形：

金屬經塑性變形后其組織和性能將發生變化。2.變形原理金屬在外力作用下，發生塑性變形是由于晶體內部缺陷—位錯運動的結果，宏觀表現為外形和尺寸變化。彈性變形指外力消除后能夠恢復的變形。如彈簧的工作壓縮、桌面支撐物品的變形等。塑性變形指外力消除后無法恢復的永久性變形。造成零件損壞的變形，通常是指塑性變形。如鋼筋的彎折、零件的沖壓等3.常見塑性變形形式1）軋制（板材、線材、棒材、型材、管材）

板材軋制2）擠壓

（低碳鋼、有色金屬等型材）3）冷拔（碳鋼、有色金屬等線材、型材、管材）線材拉拔管材拉拔4）鍛壓（碳鋼、合金鋼、特種鋼坯料）5）冷沖壓

（低碳鋼、合金鋼板材）二、與變形相關的幾個概念

（1）靜載荷———大小不變或變化過程緩慢的載荷。

（2）沖擊載荷——在短時間內以較高速度作用于零件上的載荷。

（3）交變載荷——大小、方向或大小和方向隨時間發生周期性變化的載荷。1．載荷

載荷——金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。根據載荷作用性質的不同分：載荷的作用形式

根據載荷作用性質不同：

a）拉深載荷--拉力

b）壓縮載荷—壓力

c）彎曲載荷--彎力

d）剪切載荷--剪切力

e）扭轉載荷--扭轉力

內力——工件或材料在受到外部載荷作用時，為保持其不變形，在材料內部產生的一種與外力相對抗的力，稱為。2．內力

應力——假設作用在零件橫截面上的內力大小均勻分布，單位橫截面積上的內力。3．應力R：應力，Pa；F：外力，N；S：橫截面面積，m2。金屬塑性變形的影響因素：1．晶粒位向的影響由于多晶體中各個晶粒的位向不同，在外力作用下，將產生有利和不利的不均勻的變形，導致內應力的產生。2．晶界的作用晶界阻礙位錯運動，使金屬的塑性變形阻力增大。3．晶粒大小的影響

單位體積內金屬晶粒越細小，晶界越多，金屬越難進行塑性變形。三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化

1.冷塑性變形結果

外部：晶粒形狀發生變化——沿著變形方向被壓扁或拉長；

內部:晶粒內部位錯密度增加，晶格畸變加劇；

性能:金屬強度和硬度提高，塑性和韌性下降。這種現象——稱為“形變強化”或“加工硬化”。塑性變形后的金屬組織

金屬的塑性變形，在外形變化的同時，晶粒的形狀也會發生變化。通常晶粒會沿變形方向壓扁或拉長。2.加工硬化的應用

對于不能通過熱處理強化的金屬是一種重要的強化手段，可提高材料抗突然超載的能力。意義：

1）是一種材料強化手段—形變強化；

2）有利于塑性變形均勻進行；

3）有利于金屬構件的工作安全性。3.加工硬化的不利1）影響材料力學性能不利：使得再變形困難；使得金屬的切削加工，沖壓加工帶來困難。解決辦法：在冷加工之間進行中間熱處理——再結晶退火。2）影響材料物理性能和化學性能不利：電阻增加，導電、導磁性下降；化學活性增大；耐腐蝕性下降。解決辦法：去應力退火。§2－2金屬的力學性能一、強度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性*五、疲勞強度

任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用，這就要求金屬材料必須具有一種承受機械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學性能。一、強度

強度——金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。其大小用應力表示。

抗拉強度——拉伸實驗測定抗壓強度抗剪強度抗扭強度抗彎強度

1．拉伸試樣

d——試樣直徑

Lo——標距長度低碳鋼拉伸實驗2．力－伸長曲線

彈性變形階段屈服階段強化階段縮頸階段力－拉伸曲線3．強度指標

（1）屈服強度——當金屬材料出現屈服現象時，在實驗期間發生塑性變形而力不增加的應力點。屈服強度分為上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。ReL——試樣的下屈服強度，N/mm2；FeL——試樣屈服時的最小載荷，N；So——試樣原始橫截面面積，mm2。

規定產生0.2殘余伸長時的應力為條件屈服強度Rp0.2，替代ReL，稱為條件（名義）屈服強度。2．抗拉強度Rm

抗拉強度——材料在斷裂前所能承受的最大的應力。Rm——抗拉強度，MPa；

Fm——試樣在屈服階段后所能抵抗的最大力（無明顯屈服的材料，為試驗期間的最大力），N；

So——試樣原始橫截面面積，mm2

。二、塑性塑性——材料受力后在斷裂前產生塑性變形的能力。1．斷后伸長率A

試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距之比的百分率。2．斷面收縮率Z

試樣拉斷后，縮頸處面積變化量與原始橫截面面積比值的百分率。

【例】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉身實驗時測得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此試樣的ReL、Rm、A11.3、Z。解題過程三、硬度

硬度——材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是通過在專用的硬度試驗機上實驗測得的。布氏硬度試驗機洛氏硬度試驗機維氏硬度試驗機1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示，單位為MPa，但一般均不標出，用符號HBW表示：布氏硬度原理表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實驗力及實驗力保持時間表示。當保持時間為10～15s時可不標。例：170HBW10/1000/30：直徑10mm的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗力作用下，保持30s時測得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20：直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實驗力作用下，保持20s時測得的布氏硬度值為600。應用范圍：

主要用于測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調質處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。2．洛氏硬度

洛氏硬度計表盤

洛氏硬度試驗原理洛氏硬度原理HR=100—表示方法：

符號HR前面的數字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標尺。

例：45HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度值為45。常用的三種洛氏硬度標尺的試驗條件和適用范圍

硬度標尺壓頭類型總測試力(N)硬度值有效范圍應用舉例HRC120°金剛石圓錐體1471.020～67HRC一般淬火鋼HRBφ1.5875mm

硬質合金球980.725～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRA120°金剛石圓錐體588.460～85HRA硬質合金、表面淬火鋼等四、沖擊韌性

沖擊韌性——金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊彎曲試驗來測定。沖擊試樣

用試樣所吸收的能量K的大小來作為衡量材料韌性好壞的指標，稱為沖擊吸收能量。用U形和V形缺口試樣測得的沖擊吸收能量分別用KU和KV表示。

沖擊實驗*五、疲勞強度

由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應力雖低于材料的屈服強度，但經過長時間的工作后，仍會產生裂紋或突然發生斷裂。金屬這樣的斷裂現象稱為疲勞斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產生破壞的能力稱為疲勞強度。疲勞極限用符號R－1表示。§2－3金屬的工藝性能金屬材料的一般加工過程

金屬材料的工藝性能——金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。冶煉→鑄造鑄件鑄錠熱鍛熱軋→焊接機加工冷軋、冷拔、冷沖板料、棒材、型材、管材機加工機加工零件一、鑄造性能二、鍛壓性能三、焊接性能四、切削加工性能五、熱處理性能一、鑄造性能

鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力，主要取決于金屬的流動性、收縮性和偏析傾向等。

1．流動性熔融金屬的流動能力。

2．收縮性鑄造合金由液態凝固和冷卻至室溫的過程中，體積和尺寸減小的現象。

3．偏析傾向金屬凝固后，內部化學成分和組織不均勻現象。二、鍛壓性能

用鍛壓成形方法得優良鍛件的難易程度。常用塑性和變形抗力兩個指標來綜合衡量。三、焊接性能

金屬材料對焊接加工的適應性，也就是在一定焊接工藝條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度。對碳鋼和低合金鋼而言，焊接性能主要與其化學成分有關（其中碳的影響最大）。四、切削加工性能

切削加工性能