第一章 金属材料的基础知识.ppt

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1、电厂高温金属材料电厂高温金属材料 第一节 金属材料的性能一、金属材料的工艺性能：金属材料适应冷热加工的能力 （一）铸造性能 铸造：液态金属浇入铸型型腔凝固后得到所需形状的毛坯或零件的成形工艺 铸造性能：获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力 1、合金的流动性 2、收缩率 3、成分偏析锻造性能n锻造成形：固态金属在外力作用下所产生的塑性变形来获得所需毛坯或零件的工艺n可锻性：材料承受锻压成形的能力（塑性、变形抗力）n 材料本身：晶体结构、成分、组织n加工条件：温度、变形速度等焊接性能n可焊性：金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，获得优质焊接接头的能力n影响因素：焊接方法、焊接材料、工艺参

2、数、结构形式等。切削性能n金属承受切削加工的难易程度n表面光洁度、表面质量等n一、金属的变形和断裂一、金属的变形和断裂n金属的力学性能金属的力学性能：材料在材料在外力作用下表现出来的特外力作用下表现出来的特性，如性，如弹性、塑性、强度、弹性、塑性、强度、硬度和韧性硬度和韧性等。等。表征和判定金属力学性能表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。属力学性能的判据。弹性强度韧性硬度刚度塑性金属力学性能 金属的金属的机械性能机械性能n 金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力：力：抗拉强度抗拉强度、抗压强度、扭转强度、疲、抗

3、压强度、扭转强度、疲劳强度等。劳强度等。n拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法，该试验依据国家标准（目前通用的标准为该试验依据国家标准（目前通用的标准为GB/T 2282002）进行，将材料制作成标）进行，将材料制作成标准试样或比例试样，在万能实验机上沿试准试样或比例试样，在万能实验机上沿试样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增加而变形，直至断裂。测得材料的加而变形，直至断裂。测得材料的弹性极弹性极限、屈服极限、强度极限及塑性限、屈服极限、强度极限及塑性等主要力等主要力学性能指标。学性能指标。1.强度1.拉伸试验n拉伸试验拉

4、伸试验：即静拉伸力对试样轴向拉伸即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相测量力和相应的伸长应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。能的试验。拉伸试验机拉伸试验机低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线随所受外力的增加，金属相继产生三种行为：弹性随所受外力的增加，金属相继产生三种行为：弹性变形、塑性变形、断裂变形、塑性变形、断裂图图2 21 1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样（1）弹性变形）弹性变形 即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性

5、。弹性的判据可通过拉伸弹性的判据可通过拉伸试验来测定。试验来测定。弹性变形弹性变形阶段有两个重要的力学阶段有两个重要的力学性能指标：性能指标：弹性极限和弹性极限和材料刚度。材料刚度。图12 低碳钢拉伸曲线(L)(F)bksebse弹性和刚度弹性和刚度n弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材料承受最大弹材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。n刚度：刚度：材料受力时抵抗材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性变形的能力。指标指标为弹性模量为弹性模量E E。（MPa）tgE e弹性极限n弹性的指标为弹性的指标为弹性极限弹性极限 e e，是，是材料承受材料承受最最大弹性变形大弹性

6、变形时的应力。即金属材料不产生时的应力。即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线线e e点对应的应力点对应的应力 e e为弹性极限：为弹性极限：e=Fe/S0 式中式中 e 弹性极限（弹性极限（MPa）；）；F e 试样产生完全弹性变形时的最大试样产生完全弹性变形时的最大外（外（N）；）；S0 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm 2）。）。刚度n即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。刚度的大小（指标）以刚度的大小（指标）以弹性模量弹性模量来衡量，弹性模来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为量在拉伸曲线上表现为oeoe段的斜率，即

7、：段的斜率，即：E=/E=/式中式中 E E弹性模量（弹性模量（MPMPa a）；）；应力（应力（MPMPa a）；）；应变。应变。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。状来提高零件的刚度。图12 低碳钢拉伸曲线(L)(F)bksebse2.2.塑性变形塑性变形（1 1）屈服强度）屈服强度n屈

8、服点屈服点：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上上s s点对应的应力为屈服点。点对应的应力为屈服点。s s=F=Fs s/S/S0 0 式中式中 s s屈服点（屈服点（MPa MPa）；）；F Fs s试样开始产生屈服现象时的力（试样开始产生屈服现象时的力（N N）；）；S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm mm 2 2）。）。n即试样拉断前承受的最大标称拉应力。即试样拉断前承受的最大标称拉应力。如图如图2-12-1所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b

9、b点对应的应力为抗点对应的应力为抗拉强度。拉强度。b b=F=Fb b/S/S0 0 式中式中 b b抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）；）；F Fb b试样断裂前所能承受的最大拉力（试样断裂前所能承受的最大拉力（N N）；）；S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。（2 2）抗拉强度）抗拉强度3.3.塑性塑性n即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。n常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。伸长率断面收缩率压缩率塑性塑性（1 1）伸长率）伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉

10、断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%式中式中 伸长率（伸长率（%）；）；L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)；L L0 0 试样原始标距（试样原始标距（mm)mm)。（2）断面收缩率n 即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。与原始的横截面积的百分比。=（S S0 0-S-S1 1）/S/S0 0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（%）；）；S S1 1试样的原始截面积（试样的原始截面积（mmmm2 2）S S0 0试样拉断后缩颈

11、处的最小横截面积试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mmmm2 2）4、疲劳强度、疲劳强度n材料在低于屈服极限材料在低于屈服极限 s的重复交变应力长期作用下的重复交变应力长期作用下发生断裂的现象。发生断裂的现象。n疲劳失效的测定疲劳失效的测定n金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的值称为材料的疲劳极限（强度）疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲。它反映材料抗疲劳断裂的能力在一定条件下，当应力的最大值低于劳断裂的能力在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断

12、裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号-1表示。表示。n钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图影响金属材料疲劳强度的因素影响金属材料疲劳强度的因素材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁度和工作环境等有关。度和工作

13、环境等有关。由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产生和发展由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产生和发展的，因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。的，因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。5.5.硬度硬度n 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。标。布氏硬度维氏硬度肖氏硬度莫氏硬度洛氏硬度硬度试验方法n材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(

14、2102.022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计1）布氏硬度）布氏硬度 n压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。n压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于表示，适用于布氏硬度在布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值,符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10

15、mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕n布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。n适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB

16、对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁2）洛氏硬度）洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为标尺为A、B、C。符号符号压头类型压头类型总载荷总载荷（kgf）适用范围适用范围HRC120金刚石圆金刚石圆锥锥150一般淬火钢等硬度较大材料一般淬火钢等硬度较大材料HRB1.588mm钢球钢球100退火钢和有色金属等软材料退火钢和有色金属等软材料HRA120金刚石圆金刚石圆锥锥60硬而薄的硬质合金或表面淬硬而薄的硬质合金或表面淬火钢火钢试验规范试验规范n符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火金属和退