金属材料的硬度测定.ppt

任务二 金属材料的性能,学习目标,完成本项目后，你应当能： 1.选择和操作硬度计。 2.懂得工作安全要领。 3.叙述工程材料的主要性能。 4.识别金属材料的牌号，并能叙述其性能及用途。,学习任务描述,选择适宜的硬度计，对组成滑动轴承座的零件（或给定的金属材料）进行材料硬度的测量，并分析不同的零件的硬度。 强度和硬度是材料力学中两个非常重要的指标，强度一般用万能试验机来测定，硬度则用硬度计来测定。广义的说万能试验机和硬度计都属于材料试验机。根据材料特性的不同，需要不同的硬度计来进行测定材料的硬度。其中应用最为广泛的是洛氏硬度计、布氏硬度计和维氏硬度计等。,注意事项,1、试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测定。 2、圆柱形试样应放在带有V形槽的工作台上操作，以防试样滚动。 3、加载时应细心操作，以免损坏压头。 4、测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。 5、金刚钻压头系贵重物品，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。 6、应根据硬度试验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。,任务1 金属材料的性能,任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。,一 强度,强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用s表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用b表示。,二 塑性,塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。,三 硬度,硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示材料在外力作用下抵抗变形或破裂的能力。硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。硬度高的材料强度越高，耐磨性能越好，而切削加工性能较差。,四 冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用Ak表示，单位为J。 Ak值越大，则材料的韧性就越好。Ak值低的材料叫做脆性材料，Ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用Ak值高的材料制造。铸铁的Ak值很低，灰口铸铁Ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。,五 疲劳强度,疲劳强度是指金属材料在无限次交变载荷作用下不破坏的最大应力，或称为疲劳极限。实际上金属材料并不可能作无限多次交变载荷实验。一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用-1表示。,任务2 机械零件的常用材料,机械零件的常用材料分为金属和非金属两大类，其中，金属材料应用最广，非金属材料以独特的性能也日益显示出广阔的应用前景。金属材料包括黑色金属（钢、铸铁）和有色金属，前者应用最多。,一 钢,钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢。就钢的生产来讲，世界各国生产碳钢约占80%，合金钢约占20%。碳的质量分数（c）小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。,1、碳素钢,碳素钢的性能主要取决于含碳量，即碳的质量百分含量。含碳量越高，钢的强度越高，塑性越低。由于碳素钢生产批量大，价格低，供应充足，一般的机械零件应优先选用。碳素钢分为碳素结构钢（GB/T7001988）和优质碳素结构钢（GB/T6991988）。前者主要用于受力不大而且基本上是承受静载荷的零件，其中Q235、Q255较为常用。这类钢只保证机械强度，不保证化学成分，故不能进行热处理。优质碳素结构钢含磷、硫等杂质较少，其性能优于碳素结构钢，而且能同时保证钢的机械性能和化学成分，可以进行热处理，故常用于受力较大，且受变载荷或冲击载荷作用的零件。,优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，代表钢中碳的平均含量。如45钢，其平均含碳量为45%。对于含锰量较高的优质碳素结构钢，其牌号还要在含碳量数字之后加注符号Mn,如40Mn等。平均含碳量低于0.25%的钢称为低碳钢，其强度极限和屈服点低，而塑性好，适用于冲压、焊接加工；平均含碳量在0.25%-0.60%之间的钢称为中碳钢，中碳钢既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，综合力学性能较好，常用来制造螺栓、螺母、齿轮、键和轴等零件；平均含碳量高于0.60%的钢称为高碳钢，它具有很高的强度和弹性，是弹簧、钢丝绳等零件的常用材料。,2、合金钢,为了改善钢的性能，根据不同要求加入一种或几种合金元素而形成的钢称为合金钢。不同的合金元素，使钢获得不同的性能。如铬能提高硬度、高温强度和耐腐蚀性；镍能提高强度而不降低韧性；锰能提高强度、韧性和耐磨性；硅可提高弹性极限和耐磨性，但降低韧性。应当指出，合金钢的性能不仅与化学成分有关，在很大程度上还取决于适当的热处理。由于合金钢价格较贵，通常只用于制造重要的或具有特殊性能要求的机械零件。,合金钢分为普通低合金钢、合金结构钢、合金工具钢和特殊合金钢。机械零件常用机械合金钢。合金结构钢牌号的表示方法是用两位数字表示碳的含量，并在其后加注所含主要合金元素的符号及其含量，而且规定：合金元素平均含量低于1.5%时，不注含量，当平均含量在1.5%2.5%、2.5%3.5%、3.5%4.5% 时，以相应数字2、3、4表示。例如40SiMn2,其成分的平均含量为碳0.40%，硅低于0.15%，锰在1.5%2.5%之间。,3、铸钢,铸钢主要用于制造承受重载荷的大型零件或形状复杂、力学性能要求较高的零件，如承受重载荷的大型齿轮、联轴器等。常用的铸钢主要有碳素铸钢和低合金铸钢两大类。铸钢的力学性能与锻钢基本接近，但其减振性和铸造性能均不及铸铁。铸钢牌号表示方法：ZG数字数字。第一组数字为屈服强度值，第二组数字为抗拉强度值。 如ZG310570，表示屈服点为310MPa,抗拉强度为570MPa.,二 铸铁,铸铁和钢都是碳钢合金，区别在于含碳量不同。含碳量在2.11%以上的铁碳合金称为铸铁，反之称为铜。铸铁是脆性材料，其抗拉强度、塑性、韧性均较差，不能进行碾压和锻造，但其减振性和耐磨性较好，成本较低。另外铸铁具有良好的液态流动性，因此常用于铸造各种形状复杂的零件。常用的铸铁有灰铸铁和球墨铸铁。,1、灰铸铁,含碳量较高（2.7%4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其牌号以“HT”后面附两组数字。例如：HT20-40（第一数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低抗弯强度）。这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中,2、球墨铸铁,将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT45-5（第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率）。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。 它和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料，在机械工程上应用广泛。,三 铜合金,铜合金是机械零件中最常用的有色金属材料，分为黄铜青铜两类。 1、黄铜 黄铜（ZCuZn38等）是以锌为主要合金元素的铜合金。它具有一定的强度和较高的耐磨蚀性能，常用于制造管件、散热器、垫片以及化工、船用等零件。,2、青铜,青铜又分普通青铜（锡青铜）和特殊青铜（铝青铜、铅青铜等）。普通青（ZCuSn5Pb5Zn5等）的减摩性、耐磨性、导热性均良好，常用于制造涡轮、对开螺母、滑动轴承中的轴瓦等零件。铝青铜（ZCuA110Fe3等）的耐磨性和耐腐蚀性较好，常用于制造涡轮、在蒸汽和海水条件下工作的齿轮等零件。铅青铜（ZCuPb30等）具有很高的导热性和抗疲劳强度，可用于制造高速、重载滑动轴承的轴瓦。铸造铜合金牌号的表示方法是在ZCu后面加注所含各主要合金元素的符号及其含量（%）。,四 非金属材料,橡胶、塑料、皮革、陶瓷、木材及纸板等均属非金属材料。橡胶除具有弹性，能缓冲、吸振外，还具有耐磨、绝缘等性能，广泛用于制造胶带、轮胎、密封垫圈和减振零件等。塑料具有耐磨、耐腐蚀、质量轻及易于成形等优点，因此近年来得到了广泛的应用。,五 复合材料,复合材料是指由两种或两种以上的金属或非金属材料复合而成的一种新型材料。例如，用金属、塑料和陶瓷等材料作为基材，用纤维强度很高的玻璃、石墨及硼等非金属材料作为纤维，可把纤维与基材复合成各种纤维增强复合材料，又称纤维增强塑料，可用来制造薄壁压力容器、汽车外壳等。又如在普通碳素钢板表面贴附塑料或不锈钢，可分别获得强度高而又耐腐蚀的塑料复合钢板或金属复合钢板。复合材料目前成本尚高，供应较少，但它是材料工业发展的方向之一，随着科学技术的进步将获得广泛应用。,一、金属材料的物理性能 二、金属材料的化学性能 三、金属材料的力学性能 四、金属材料的工艺性能,一、金属材料的物理性能,1. 密度 金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为3。 根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.5 3 的金属叫做轻金属， 如铝，钛等。,2.熔点 金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（）表示。各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ，钢的熔点为 。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合 金等都很重要。 熔点低于 的金属称为低熔点金属，熔点在 的金属称为中熔点金属，熔点 高于 的金属称为高熔点金属。,3导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）表示金属材料导热性能的优劣。 热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性 以银为最好，铜、铝次之。 导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。,4.热膨胀性 金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。 在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。,5导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。,6磁性 金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在 以上就表现为没有磁性或顺磁性。 铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。,二、金属材料的化学性能,金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。 1耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀 性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 2抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会 发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其 周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。 3化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学 稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。,三、金属材料的力学性能,力学性能又称为机械性能，是指材料在力作用下所显示的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 1、强度 强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。常用的强度判据是屈服点（旧称屈服强度、屈服极限）和抗拉强度。 测定强度判据的方法是拉伸试验。,1）弹性极限 试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。 2）屈服点 定义：是指试样在试验过程中力不增加还能继续伸长时的应力。 3）抗拉强度 定义：是指试样拉断前所能承受的最大拉应力。,2、塑性 指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。 1）断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。 2）断后收缩率 断后收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,3、 硬度 硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力它衡量材料软硬的判据。 目前最常用的硬度试验法是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。,布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理的钢材的硬度，如半成品和原材料。 洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，主要用于测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。 维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。 特别说明：各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度高低。,4、韧性与疲劳强度 韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。 韧性的判据通过冲击试验来测定。 循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。 零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的b，甚至小于S强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，金属疲劳的判据是疲劳强度。,四、金属材料的工艺性能,金属材料的工艺性能是指在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性、锻压性、焊接性和可加工性等。 1、铸造性 金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能，称为铸造性，铸造性能主要决定于金属材料熔化后金属液体的流动性、冷却时的收缩率等。,2、锻压性 金属材料能否用锻压方法制成锻压件的性能，称为锻压性。锻压性一般与材料的塑性及塑性变形抗力有关。一般，材料塑性好，变形抗力小，锻压性也好。 3、焊接性 金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性。它取决于焊接是否产生裂缝、气孔等。,4、可加工性 金属材料切削加工的难易程度称为可加工性，可加工性好的金属材料，在切削时刀具磨损小，加工表面好。 硬度过高或过低的金属材料，切削加工性能较差，切削时切屑易于折断也表明材料加工性能好。,