材料学-第十讲金属材料的性能与表面防护.

1、第七讲 金属材料的性能与表面防护技术 主讲：崔国栋 第一节 金属材料的力学性能 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下 ，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力 等）时所表现出的力学特征。一般以力学性能为基础，以制造受力 构件所用材料，称为结构材料。 作为对于力作用的响应，所有材料在受到外力作用时都会发生 几何形状和尺寸的变化，这种现象称为变形。如果除去载荷后材料 恢复到原始形状、尺寸，这种变形叫做弹性变形。相反，如果加载- 卸载过程导致发生了永久性变形，则产生了塑性变形。 弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸 除载荷后，变形消失。这反映了弹性变形决定于原子间结合力这一 本质现象。 弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指 标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大， 即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形 越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变 形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标 ，相当于普通弹簧中的刚度。 前面（第一讲）我们讲过，弹性模量与原子结合能量 曲线的形状有关。原子结合能

2、量曲线深凹而且陡峭的材料 具有高弹性模量。高模量的材料包括以共价键或共价-离 子混合键结合的大多数陶瓷，例如金刚石、氧化铝陶瓷。 金属的原子结合能和弹性模量也比较高，但低于大多数陶 瓷。当两种弹性模量数值不同的材料承受相同的应力作用 时，弹性模量较高的材料发生的变形较小。 例题：有三个圆柱形试样，直径均为10mm、长 度为1m。第一个试样为铝质（E=70GPa），第 二个为Al2O3（E=380GPa），第三个为聚苯乙 烯（E=3.1GPa）。沿着试样的轴向分别施加 2000N的力，假定变形都是弹性的，试估算各试 样的延长量。 例题：一个圆柱形钢材试样受到的应力为100MPa。 试样未变形时直径为10mm，长度为40mm；试样 变形后的长度和直径分别为40.019mm和 9.9986mm。假定此时试样仍是弹性的，试计算这 种钢的弹性模量、切变模量和泊松比。 塑性变形 塑性变形（Plastic Deformation），塑性变形的定义是，物质-包括流 体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除 或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。 通过塑性变形不仅可以把金属材

3、料加工成所需要的各种形状和尺寸的 制品，而且还可以改变金属的组织和性能。 一般使用的金属材料都是多晶体，金属的塑性变形可认为是由晶内变 形和晶间变形两部分组成。 所有的固体金属都是晶体，原子在晶体所占的空间内有序排列。在没 有外力作用时，金属中原子处于稳定的平衡状态，金属物体具有自己的形 状与尺寸。施加外力，会破坏原子间原来的平衡状态，造成原子排列畸变 ，引起金属形状与尺寸的变化。 假若除去外力，金属中原子立即恢复到原来稳定平衡的位置，原子排 列畸变消失和金属完全恢复了自己的原始形状和尺寸，则这样的变形称为 弹性变形。增加外力，原子排列畸变程度增加，移动距离有可能大于受力 前的原子间距离，这时晶体中一部分原子相对于另一部分产生较大的错动 。外力除去以后，原子间的距离虽然仍可恢复原状，但错动了的原子并不 能再回到其原始位置，金属的形状和尺寸也都发生了永久改变。这种在外 力作用下产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。 应变硬化 在材料的拉 伸压缩实验中， 材料经过屈服阶 段之后，又增强 了抵抗变形的能 力。这时，要使 材料继续变形需 要增大应力。经 过屈服滑移之后 ，材料重新呈现 抵抗继续变

4、形的 能力，称为应变 硬化。 拉伸试验tensile test 是指在承受轴向拉伸载 荷下测定材料特性的试验方法 。利用拉伸试验得到的数据可 以确定材料的弹性极限、伸长 率、弹性模量、比例极限、面 积缩减量、拉伸强度、屈服点 、屈服强度和其它拉伸性能指 标。从高温下进行的拉伸试验 可以得到蠕变数据。 测定材料在拉伸载荷作用下 的一系列特性的试验，又称抗 拉试验。它是材料机械性能试 验的基本方法之一，主要用于 检验材料是否符合规定的标准 和研究材料的性能。 典型塑性材料拉伸的应力应变曲线（以低碳钢为例） 典型脆性材料拉伸的应力 应变曲线（以铸铁为例） 1、比例极限 p 2、弹性极限 e 3、屈服极限 s（或名义屈服极限0.2） 4、强度极限 b 5、弹性模量 tana=E 6、加工硬化与颈缩 屈服强度yield strength 又称为屈服极限 ，是材料屈服的临界应力值。 （1）对于屈服现象明显的材料（低碳钢），屈服强度就是屈服点 的应力（屈服值）； （2）对于屈服现象不明显的材料（铝和铜），与应力-应变的直 线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的永久形变）时的应力。 通常用作固体

5、材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限 。因为在应力超过材料屈服极限后产生颈缩，应变增大，使材料破坏 ，不能正常使用。 当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时 除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑 性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一 阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点 的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服 强度(s或0.2)。 有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性 变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度（ yield strength）。 建筑钢材以 屈服强度 作为设计应力的依据。 所谓屈服，是指达到一定的变形应力之后， 金属开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过度 ，它标志着宏观塑性变形的开始。 试验方法 拉伸试验在材料试验机上进行。试 验机有机械式、液压式、电液或电子伺服式等型 式。试样型式可以是材料全截面的，也可以加工 成圆形或矩形的标准试样。钢筋、线材等一些实 物样品一般不需要加工而保持其全截面进行试验 。试

6、样制备时应避免材料组织受冷、热加工的影 响，并保证一定的光洁度。 屈强比（s/b） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为 屈强比。 屈强比体现了钢材的可使用情况，屈强比越高说明使 用潜力越大，利用率高；屈强比愈小，则结构安全度越大 ，不易发生脆性断裂和局部超载引起的破坏。但屈强比太 小，则不能充分发挥钢材的强度水平。故不同用途的材料 要求不同的屈强比，如碳素结构钢为0.5-0.6，低合金结构 钢为0.650.75，合金结构钢为0.70.8，弹簧钢为0.85 0.90。 机器零件-屈强比高，节约材料，减轻重量 锅炉压力容器-不要求太高屈强比 屈强比低表示材料的塑性较好；屈强比高表示材料的 抗变形能力较强，不易发生塑性变形。 硬度Hardness 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体 入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同 的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同 ，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。硬度分为： 划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根 一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现

7、划痕的位置确定 被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划 痕短。 压入硬度。主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的 压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的 软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种， 主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。 回跳硬度。主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定 高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继 而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度 。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要 的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹 性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表 述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。 硬度不是一个简单的物理概念，而是材料 弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综 合指标。 布氏硬度以HBN(kgf/mm2)表示（ HBSHBW）（参照GB/T2311984），生产中 常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件 ，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或 半成品的硬度。 洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四 种，它们的

8、测量范围和应用范围也不同。一般生 产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄的材料 和硬的材料和成品件的硬度。 维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999） ，测量极薄试样。 HB - 布氏硬度； 布氏硬度(HB)一般用于材料 较软的时候，如有色金属、热处 理之前或退火后的钢铁。洛氏硬 度(HRC)一般用于硬度较高的材料 ，如热处理后的硬度等等。 布氏硬度(HB)是以一定大小的试 验载荷，将一定直径的淬硬钢球 或硬质合金球压入被测金属表面 ，保持规定时间，然后卸荷，测 量被测表面压痕直径。布氏硬度 值是载荷除以压痕球形表面积所 得的商。一般为：以一定的载荷( 一般3000kg)把一定大小(直径一般 为10mm)的淬硬钢球压入材料表 面，保持一段时间，去载后，负 荷与其压痕面积之比值，即为布 氏硬度值(HB)，单位为公斤力 /mm2 (N/mm2)。 洛氏硬度 是以压痕塑性变形深度 来确定硬度值指标。以0.002 毫米作为一个硬度单位。当 HB450或者试样过小时，不 能采用布氏硬度试验而改用 洛氏硬度计量。它是用一个 顶角120的金刚石圆锥体或 直径为1.59、3.18mm的钢球

9、，在一定载荷下压入被测材 料表面，由压痕的深度求出 材料的硬度。根据试验材料 硬度的不同，分三种不同的 标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入 器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬 质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径 1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬 度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入 器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬 火钢等) 洛氏硬度测定方法。以HRC测试为例（上图）， 它是采用顶角为 120金刚石圆锥压头，总载荷为 1500N（150kg）。测试时先加预载荷100N，压 头从起始位置00到11位置，压入试件深度为 h1，后加总载荷1500N（实为主载荷1400N加上 预载荷100N），压头位置为2一2，压入深度为h2 ，停留数秒后，将主载荷1400N卸除，保留预载 荷100N。由于被测试件弹性变形恢复，压头略为 提高，位置为 33，实际压入试件深度为h3，因 此在主载荷作用下，压头压入试件的深度h= h3一 h1。为了便于从硬度计表盘上直接读出硬度值， 一是规定表盘上每一小格相当于0.002mm压深， 二是将HRC值用HRC=100-h的值表示，从而符合 人们的习惯概念，即材料越硬，硬度值（HRC） 越高。 其中常用于钢材洛氏硬度试验的标尺一般为A、B、C，即 HRA、HRB、HRC。硬度值用下式计算： 当用A和C标尺试验时，HR=100-e 当用B标尺试验时，HR=130-e 式中e-残余压痕深度增量，规定单位0.002mm表示，即 当压头轴向位移一个单位（0.002mm）时，即相当于洛氏 硬度变化一个数。e值愈大，金属的硬度愈低，反之则硬 度愈高。 上述三个标尺适用范围如下： HRA（金刚石圆锥压头）20-88 HRC（金刚石圆锥压头）20-70 HRB（直径1.588mm钢球压头）20-100 洛氏硬度试验是目前应用很广的方法，其中HRC在钢管标 准中使用仅次于布氏硬度HB。洛氏硬度可适用于测定由 极软到极硬的金属材

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