连接器金属材料介绍.ppt

Confidential,Page:,*,連接器常用,金屬材料介紹,連接器常用金屬材料,金屬材料的力學性能,金屬及合金的結構,金屬的塑性變形及冷加工,常用金屬材料性能,金屬材料的選用原則,Content,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,銅及銅合金系,鋁及鋁合金系,鋅及鋅合金系,錫及錫合金系,鎳及鎳合金系,貴金屬,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,分類,按化學成份分,碳鋼,低碳鋼,(C0.25%),中碳鋼,(C0.250.60%,）,高碳鋼,(C0.60%),合金鋼,低合金鋼,(,合金元素總含量,5%),高合金鋼,(,合金元素總含量,5%),按用途分,結構鋼,碳素結構鋼,優質碳素結構鋼,低合金結構鋼,合金結構鋼,易切削結構鋼,彈簧鋼,滾動軸承鋼,鑄鋼,保証淬透性鋼和低淬透性鋼,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,工具鋼,碳素工具鋼,合金工具鋼,高速工具鋼,硬質合金鋼,特殊性能鋼,不鏽鋼,耐磨鋼,耐熱鋼,按冶金質量分,普通鋼含,S,量,0.050%,含,P,量,0.045%,優質鋼含,S P,量均,0.035%,高級優質鋼含,S P,量均,0.025%,特級優質鋼含,S,量,0.015%,含,P,量,0.025%,按脫氧方法分,沸騰鋼,半鎮靜鋼,鎮靜鋼,特殊鎮靜鋼,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,鋼的編碼原則,鋼的編號原則在國際上沒有統一的規定,我國是按照,GB221-79,采用漢語拼音字母,國際化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法,且采用漢字和漢語拼音字母并用的原則,鋼的類別,用途,標在鋼號首部,Y,（易）易切削鋼,T,（碳）碳素工具鋼,G,（滾,),滾動軸承鋼,鋼的質量級別,一般優質碳素結構鋼,(,優質,),合金結構鋼,(,優質,),碳素工具鋼等不標注,其高級優質鋼,特級優質鋼分別用,A,（高,)E(,特,),來表示,并標在鋼號的尾部,如,T10A,。,碳素結構鋼的質量級別符號另有規定。,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,鋼的編碼原則,鋼的脫氧方法,標在鋼號尾部,F(,沸,),沸騰鋼,b(,半,),半鎮靜鋼,Z,（鎮,),鎮靜鋼,TZ(,特鎮,),特殊鎮靜鋼,一般情況下,ZTZ,符號予以省略,如,08F08b08,碳素結構鋼之牌號,按,GB700-88,碳素結構鋼牌號應依次標出,屈服點的字母,Q(,屈,),屈服點的數值,質量等級符號,(ABCD,D,級最佳,屬于優質鋼,其他屬于普通鋼,),脫氧方法,(Fb),。如,Q235-A.F,碳素結構鋼的屈服點為,235N/mm,2,質量為,A,級,沸騰鋼。,一,連接器常用金屬材料,鐵及鐵碳合金系,鋼的編碼原則,硬質合金,YG,鎢鈷類硬質合金,YT,鎢鈷鈦類硬質合金,鑄鐵,HT,（灰鐵）,灰鑄鐵,QT(,球鐵,),球墨鑄鐵,用途,模具,shellhooknut,螺絲,彈簧等,常用模治具材料,:,一,連接器常用金屬材料,常用模治具材料,:,一,連接器常用金屬材料,常用冷軋鋼帶,:,牌號,用途,SPCC,一般用,SPCD,深沖用,SPCE,深度深沖用,一,連接器常用金屬材料,常用冷軋不鏽鋼帶,:,一,連接器常用金屬材料,牌號對照,:,一,連接器常用金屬材料,一,連接器常用金屬材料,銅及銅合金系,分類,純銅,(T),(,紫銅,電解銅,),白銅,(B),銅鎳合金,黃銅,(H),以鋅為主加元素的銅合金。普通黃銅（銅鋅二元合金,),錫黃銅,鉛黃銅,鋁黃銅,硅黃銅等。,青銅,(Q),普通青銅,(,錫青銅,),特殊青銅,(,無錫青銅,鋁青銅,鈹青銅,鎳青銅,鉛青銅,硅青銅,鈦銅,),。,用途,常用作端子材料等,一,連接器常用金屬材料,銅及銅合金系,磷青銅,一,連接器常用金屬材料,銅及銅合金系,黃銅,一,連接器常用金屬材料,銅及銅合金系,鎳銅,鈹銅,一,連接器常用金屬材料,鋁及鋁合金系,分類,純鋁,(,LG,高純鋁,L,純鋁,),防鏽鋁,(LF),錳,鎂為主要合金元素,硬鋁,(LY),銅,鎂為主要合金元素,超硬鋁,(LC),銅,鎂,鋅為主要合金元素,鍛鋁,(LD),含的合金元素種類多,但含量少,鑄造鋁合金,(ZL),ZL,后面的第一個數字表示合金系列,1,鋁硅系,2,鋁銅系,3,鋁鎂系,4,鋁鋅系。后兩位表示順序號。,常見種類,:H4000A 1050 H18A3003-OA3005-OA1100P-H16,用途,常用作,shell,等零件材料,一,連接器常用金屬材料,鋅及鋅合金系,常見種類,:,鑄造鋅合金,(,ZDC2),用途,常用作,NUTBracket,等零件材料及鍍層材料,(,鍍彩鋅,),一,連接器常用金屬材料,錫及錫合金系,常見種類,:Sn,及,Sn/Pb,合金,用途,常用作,shellhook,及端子,tail,的鍍層材料,鎳及鎳合金系,常見種類,:Ni,及,Au-NiCu-Ni,合金,用途,常用作,shellhook,及端子,tail,的鍍層材料,一,連接器常用金屬材料,貴金屬及其合金,常見種類,釕,(Ru),、銠,(Rh),、鈀,(Pb),和銀,(Ag);,鋨,(Os),、銥,(Ir),、鉑,(Pt),和金,(Au),。,用途,常用作,電觸點和電接觸用材料,使用性能,:,保証工件正常工作材料應具備的性能,-,力學性能,物理和化學性能等。,工藝性能,:,材料在加工過程中所表現出來的性能,-,鑄造性能,鍛壓性能,沖壓性能,焊接性能,切削性能等。,二,金屬材料的力學性能,金屬材料性能,材料在外力作用下所表現出來的性能,-,鋼度,強度,塑性和韌性等,。這些性能指標是通過試驗測定的。在機械零件,設計計算,材料選用,材質檢驗,以及工藝評定中,通常是以材料的,力學性能指標,作為主要依據。,力學性能測試方法,GB228-87,金屬,拉伸試驗,方法,將材料制成標准試樣（見圖,1,）,然后將試樣裝在拉力試驗機上施加靜力,隨著拉力的增加試樣逐漸產生變形,直到拉斷為止。將力及力所對應的伸長量繪制成坐標圖,即拉伸曲線（圖,2,）。,力學性能,:,二,金屬材料的力學性能,拉伸試驗方法與拉伸曲線,:,圖,1.,拉伸試樣,拉伸后,拉伸前,L,0,L,1,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,拉伸曲線,:,彈性變形段,圖中,OE,段,試樣伸長量隨拉力成正比例增加,若去除拉力后試樣回復原狀。,彈,-,塑性變形段,圖中超過,E,點后,若去除拉力試樣不能回復原狀,尚有一部分伸長量保留下來,這部分遺留下來的變形即為塑性變形。,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,拉伸曲線,:,屈服段,當拉力增加到,Fs,時,拉伸曲線在,S,點呈現水平台階,即表示外力不在增加試樣繼續變形,這種現象稱為屈服。該水平台階即稱為屈服台階。,彈,-,塑性變形及斷裂段,屈服后,試樣又隨拉力增加而逐漸均勻伸長,達到,B,點后,試樣的某一局部開始變細,出現緊縮現象,由于在緊縮部分試樣截面積迅速減小,因此試樣繼續伸長的拉力也就相應減小,當達到,K,點時,試樣斷裂。,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,拉伸曲線,:,F-L,曲線與試樣尺寸有關。為消除試樣尺寸的影響,把拉力,F,除以試樣原始截面積,S,0,。得出試樣截面積上的應力,=F/S,0,同時把伸長量,L,除以試樣原始標距,L,0,得到試樣的應變,=L/L,0,。,-,曲線與,F-L,曲線形狀一樣,只是坐標不同。,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,剛度,剛度是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力,。在彈性變形階段,即拉伸曲線上的,OE,階段,與,的關系為直線,OE,這表示,應力,與應變,成正比,可寫成,=E,式中的,E,為與材料有關的常數,稱為彈性模量,單位為,GN/m,2,(10,9,N/m,2,),。彈性模量,E,表示引起單位變形時所需的應力。工程上常用,E,作為衡量材料剛度的指標。,E,值越大,在一定應力作用下產生的彈性變形愈小,則剛度越大。,二,金屬材料的力學性能,剛度,彈性模量主要取決于金屬材料的種類,即,金屬的本性,（,晶格類型,晶格常數等,）。通常強化金屬的一些方法,如淬火,冷作硬化等,對,E,值影響很小。常用材料的,E,值,碳鋼為,196216GN/m,2,(2000022041Kg/mm,2,),灰鑄鐵為,78 157GN/m,2,(795916020Kg/mm,2,),銅合金為,72128GN/m,2,(7347 13061Kg/mm,2,),鋁合金為,70GN/m,2,(7143Kg/mm,2,),。,一般機械零件大都在彈性狀態下工作,對剛度有一定要求,如機床主軸,起重機臂架等,在使用時不允許產生過量的彈性變形。,二,金屬材料的力學性能,強度,強度是金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。常用用的強度指標有屈服點,屈服強度和抗拉強度。,屈服點,屈服強度,屈服點,屈服強度表征金屬材料對產生明顯塑性變形的抗力。,具有明顯屈服現象的材料,如低碳鋼,用屈服點來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。所謂,屈服點是指材料產生屈服時的應力,即屈服力,F,s,(N),除以試樣原始截面積,S,0,（,mm,2,),所得的商,用,s,表示,單位為,N/mm,2,即,s,=F,s,/S,0,(N/mm,2,),。,1N/m,2,=1.020408x10,-7,Kg/mm,2,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,屈服點,屈服強度,無明顯屈服現象的材料,如高碳鋼,銅合金,鋁合金等,用屈服強度來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。國家標准規定,以對應于規定殘余伸長為,0.2%,的應力（,r0.2,),或者以對應于規定非比例伸長為,0.2%,的應力（,p0.2,),作為,屈服強度,。,1N/m,2,=1.020408x10,-7,Kg/mm,2,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,二,金屬材料的力學性能,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,抗拉強度,試樣拉伸過程中的最大力所對應的應力,即最大力,F,b,（,N),除以試樣的原始截面積,S,0,（,mm,2,),所得的商,稱為抗拉強度,用,b,表示,單位為,N/mm,2,即,b,=F,b,/S,0,(N/mm,2,),塑性材料（如低碳鋼）,由圖可知,當拉力達到,F,b,時試樣出現頸縮。因此抗拉強度是表征材料對產生局部伸長（頸縮）的抗力。對于脆性材料（如灰鑄鐵）,拉伸過程不出現頸縮現象,F,b,就是斷裂負荷。因此抗拉強度是表征材料對斷裂的抗力。,1N/m,2,=1.020408x10,-7,Kg/mm,2,二,金屬材料的力學性能,F,F,e,E,F,s,F,k,F,b,S,B,圖,2.,典型低碳鋼的拉伸曲線,L,K,O,抗拉強度,若零件在使用時不允許產生過量的塑性變形,應以材料的,s,或,p0.2,（,r0.2,),進行設計計算。若零件在使用時只要求不發生破壞,則以材料的,b,來設計計算。因此,s,p0.2,（,r0.2,),和,b,是機械零件設計計算的主要依據。,1N/m,2,=1.020408x10,-7,Kg/mm,2,二,金屬材料的力學性能,塑性,在外力作用下金屬材料在斷裂前產生塑性變形的能力稱為塑性,。塑性通常用拉伸試驗測定的斷后伸長率（又稱延伸率）和斷面收縮率來衡量。,斷后伸長率,斷后伸長率是指試樣拉斷后標距的伸長量與原始的標距的百分比,用,表示,即,=(L,1,-L,0,)/L,0,x100%,式中的,L,0,為試樣原始標距,(mm);L,1,為試樣拉斷后的標距,(mm),。,二,金屬材料的力學性能,斷面收縮率,斷面收縮率是指試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比,用,表示,即,=(S,0,-S,1,)/S,0,x100%,式中的,S,0,為試樣的原始橫截面積,(mm,2,);S,1,為拉斷后試樣頸縮處的最小橫截面積,(mm,2,),。,斷后伸長率,與試樣原始標距,L,0,有關。這是由于試樣拉斷后的伸長量由試樣的均勻伸長和頸縮處的局部伸長兩部分組成的,因此,L,0,愈長則,愈小。常用圓形截面試樣的原始標距,L,0,為直徑,d,0,的,10,倍,(,長試樣）和,5,倍（短試樣）二種,其斷后伸長率分別用,10,（或,）和,5,表示。而斷面收縮率與試樣的尺寸無關,故能更可靠地反映材料塑性。,二,金屬材料的力學性能,斷面收縮率,和,是用來判斷材料在斷裂前所能產生的最大塑性變形量大小。,一般認為,25%,的材料為塑性材料,如低碳鋼,25%,的為脆性材料,如灰鑄鐵。,塑性還是金屬材料進行壓力加工的必要條件。此外,零件也要求具有一定的塑性。因為零件在工作時萬一超載,也會由于塑性變形使材料強化而避免突然斷裂。但是,必須指出,和,值的大小與負荷大小是無關的。,二,金屬材料的力學性能,沖擊韌性,前面討論的剛度,強度和塑性是在靜拉力作用下的力學性能。但是,許多機器零件,如鍛錘杆,在工作過程中往往受沖擊力作用。這種急速施加的沖擊力將促使金屬材料產生突然脆斷,具有很大的危險性。因此,為確保零件安全工作,還必須了解金屬材料在沖擊力作用下所表現的性能。,金屬材料在沖擊力作用下,抵抗斷裂的能力稱為沖擊韌性（簡稱韌性,）。金屬材料在常溫下的韌性指標是用,GB229-84,金屬夏比（,U,型缺口）沖擊試試驗方法,測定的,其原理如圖,3,。,二,金屬材料的力學性能,沖擊試樣,圖,3,試樣安裝,沖擊力,沖擊韌性,首先將被測材料制成帶有,U,型缺口的標准試樣,然后將試樣安放在試驗機上,呈簡支梁狀態,再將擺錘從一定高度落下,沖斷試樣。從試驗機的刻度盤上可讀出沖擊吸收功,A,ku,值。而,A,ku,=W(H-h),式中的,W,為擺錘重,(N,或,Kgf),Hh,分別為擺錘沖斷前的高度,(m),和沖斷后的高度,(m),A,ku,的單位為,J,或,Kgf.m(1Kgf.m=9.8J),。沖擊吸收功,A,ku,除以試樣沖斷前缺口處的橫截面積,S(cm,2,),所得的商,稱為沖擊韌度,用,a,ku,表示,單位為,J/cm,2,(,或,Kgf.m/cm,2,),。,A,ku,a,ku,中的,“,U,”,表示,U,型缺口試樣。,二,金屬材料的力學性能,沖擊韌性,沖擊韌度與試樣的尺寸形狀有關。標准沖擊試樣有,U,型缺口和,V,型缺口兩種,其沖擊韌度分別用,aku,和,akv,表示。,V,型缺口比,U,型缺口容易產生應力集中,從而使材料的脆性增加而韌性減小,故同一材料,akv,比,aku,值小。由于,akv,能較好反映材料的韌性,所以許多行業（如造船）都采用,akv,或,Akv,來檢驗材料的韌性。還應該指出,不能將,aku,值誤認為沖擊吸收功,Aku,和缺口處橫截面積,S,成比例關系,即當材料的截面積增大時,沖擊吸收功成比例增大。,二,金屬材料的力學性能,沖擊韌性,實踐標明,大型零件易于脆斷,這是由于大型零件在沖斷時難于發生塑性變形,從而造成脆性增加,韌性下降的緣故。為避免這種誤解,一些國家已不采用沖擊韌度,(aku akv),而是直接使用沖擊吸收功,Aku,或,Akv,作為材料韌性的指標。,二,金屬材料的力學性能,2,a,kv,Kgf.m/cm,圖,4,溫度對沖擊韌度的影響,40CrNi,鋼,沖擊吸收功,沖擊韌度還與試驗溫度有關。一些材料的沖擊吸收功,沖擊韌度隨溫度降低而減小,且在某一溫度范圍發生急劇下降,這種現象稱為,冷脆,該溫度范圍稱為脆性轉變溫,度范圍,如圖,4.,沖擊韌性,因此,工程上還用脆性轉變溫度,Tk,作為材料韌性指標。由于確定脆性轉變溫度的依據不同,從而得到不同脆性轉變溫度指標。工程上常取與某一沖擊吸收功對應的溫度作為脆性轉變溫度,Tk,如,16Mn,鋼的,Tku24J,為,-40C,。即,Aku,值不低于,24J,的最低溫度為,-40 C.,韌性指標可用來估計零件在使用時是否發生脆性斷裂,僅具有對比的相對意義,不能用于設計計算。零件所要求的沖擊韌度是依據零件失效分析積累的資料來確定的。此外,韌性指標對材料的缺陷反映很敏感,能夠靈敏的顯示材料宏觀缺陷及組織微小的變化,因此在生產中還用它來,檢驗材料質量是否合格。,二,金屬材料的力學性能,疲勞強度,許多零件在工作時所承受的應力是隨時間作周期性變化的。例如,傳動軸在轉動時雖然外力,F,不變,但軸上,A,點處的應力,卻是隨時間,t,作周期性的變化,如圖,5.,這種應力稱為交變應力。從圖中還可看出,最大應力,2,與最小應力,4,大小相等而符號相反,這種應力循環稱為對稱循環。,二,金屬材料的力學性能,F,1,2,3,4,1,t,圖,5,軸的交變應力,疲勞強度,金屬材料在交變應力作用下會產生局部累積損傷,經長期應力循環后,這種損傷逐步發展成為裂紋或斷裂,這種現象稱為疲勞破壞。金屬材料在交變應力下的疲勞破壞與靜拉力下的破壞完全不同,其特點是,疲勞破壞的應力低,其應力不僅低于抗拉強度,甚至低于屈服強度,再有,疲勞破壞時無明顯的塑性變形,即使是塑性材料,在斷裂前也不呈現明顯的塑性變形,而是脆性斷裂,因此,具有較大的危險性。,疲勞強度是指金屬材料經無數多次應力循環而發生疲勞破壞的最大應力值,。它表征材料對疲勞破壞的抗力。,二,金屬材料的力學性能,疲勞強度,金屬材料的疲勞強度一般是用,GB4337-84,金屬彎曲疲勞試驗方法,測定的。試驗是用一組（,610,根）光滑圓形截面的試樣,測出試樣所呈受的彎曲交變應力,max,與其對應的斷裂前應力循環此次數,N,的關系曲線（疲勞曲線）,如圖所示。由圖可知,max,愈小則,N,愈大,當,max,二,金屬材料的力學性能,圖,6,鋼的疲勞曲線,N,10,7,-1,max,降低到某一數值時,疲勞曲線趨于水平,即表示材料經無窮多次應力循環,(,實際上,一般規定應力循環次數,N,鋼鐵為,10,7,次,有色金屬為,10,8,次,),而不發生疲勞破壞,該應力值就是,疲勞強度,材料的疲勞破壞強度,用,-1,或,-1(N),表示。符號中的,“,-1,”,代表對稱循環,“,N,”,代表試樣斷裂前經受的循環次數,單位為,N/mm,2,。例如,40Cr,鋼經受,10,7,次應力循環而不斷裂時的最大應力為,570N/mm,2,記為,-1(10,7,),=570N/mm,2,。,經測定鋼的,-1,只有,b,的,50%,左右。,實際零件的疲勞強度不僅與材料有關,而且還受零件尺寸形狀,表面質量等因數的影響。零件上孔,槽等結構形狀的突然變化,以及加工造成的刀痕,都會引起應力集中,使疲勞強度降低。而采用表面強化工藝,如表面淬火,噴丸等,都會提高疲勞強度。因此,不能把光滑圓形截面試樣測定的材料疲勞強度,誤認為就是零件的疲勞強度。,二,金屬材料的力學性能,硬度,硬度的試驗方法很多,在機器制造中廣泛采用壓入法。壓入法的硬度是指金屬材料抵抗比它更硬的物體壓入其表面的能力。硬度試驗方法簡便易行,試驗時不破壞工件,且硬度值與其他力學性能指標（如,b,-1,),有一定的關系。因此,在生產制造中廣泛用硬度作為產品圖面的技朮要求,來控制成批生產的零件質量。,常用的硬度試驗方法,有布氏硬度,洛氏硬度和維氏硬度等。,布氏硬度,布氏硬度指標是按照,GB231-84,金屬布氏硬度試驗方法,測定的。,布氏硬度試驗原理如圖,7,用一定的試驗力,(Kgf),將直徑為,D(mm),的鋼球或硬質合金球壓入金屬表面,保持一定時間,(S),后卸去試驗力,然后測出金屬表面的壓痕直徑,d(mm),。布氏硬度值是試驗力,F,除以壓痕球形表面積,A,所得的商,計算公式為,布氏硬度,HB=F/A=2F/D(D-qurt(D,2,-d,2,),布氏硬度值一般是根據測得的壓痕直徑,d,通過查表得出的。布氏硬度值越大,表示材料越硬。,二,金屬材料的力學性能,布氏硬度,布氏硬度試驗測得的壓痕直徑,d,必須在,0.24D0.6D,之間,否則硬度值不准確,測值無效。為了使布氏硬度試驗適用于各種材料,并獲得准確而有效的硬度值,GB231-84,對試驗所用的壓頭,試驗力,試驗力保持的時間等試驗規范作了具體規定。壓頭有鋼球和硬質合金兩種。鋼球適用于布氏硬度值小于,450,的材料,硬質合金球適用于布氏硬度值小于,650,的材料。一般常用鋼球壓頭。球體直徑有,10mm5mm2.5mm2mm1mm,五種,以適用于不同尺寸的材料。,二,金屬材料的力學性能,圖,7,布氏硬度試驗原理,布氏硬度,國標規定試驗力,F=KD,2,K,為常數,其值有,3015105 2.5 1.251,等,用來滿足各種材料的硬度測定,以保証測值有效。若,K,為定值時,不論選用怎樣的球體直徑,D,及其對應的試驗力,F,對于同一材料所測得的硬度值是相同的,對于不同材料所測得的硬度值可以進行直接比較,但是,K,為不同值時,所測得的硬度值則不能直接比較。試驗力保持時間,鋼鐵材料為,1015S,有色金屬,30S,很軟的材料為,60S.,上述試驗規范是根據被測金屬材料種類,尺寸和硬度范圍從,GB231-84,中查得。鋼鐵材料一般選用直徑,D,為,10mm,的鋼球壓頭,試驗力,F=30D,2,=3000Kgf,保持,1015S,測得的硬度值在,140450,之間,試驗結果有效。若硬度值,140,則應改用,F=10D,2,=1000Kgf,保持,30S,重做試驗,若硬度值大于,450,一般應改用洛氏硬度,(HRC),來測定。,二,金屬材料的力學性能,布氏硬度,布氏硬度值的表示方法是依次標出,硬度數值,布氏硬度符號,HB,壓頭類型（鋼球用,S,硬質合金球用,W),試驗規范,(,球體直徑,mm,試驗力,Kgf,保持時間,S),。例如,120HBS,10/1000/30,表示用直徑,10mm,鋼球在,1000Kgf,下保持,30S,測得的布氏硬度值為,120.,若試驗力保持時間為,1015S,可以不標出,如,229HBS,10/3000,。布氏硬度值不標出單位。習慣上布氏硬度值不標出試驗規范,如,170HBS.,布氏硬度所測的壓痕面積大,能反映較大范圍內金屬的平均性能,故測值重復性強,准確。布氏硬度值與抗拉強度有一定關系,鋼材的,b,(N/mm,2,)=(10/3)HBS,由于壓痕較大,所以檢驗成品有困難。目前一般用淬火鋼球作壓頭,故不能測淬火鋼件的硬度。常用于測,450HBS,的原材料或零件毛坯的硬度。,二,金屬材料的力學性能,洛氏硬度,洛氏硬度,/,是按照,GB/T230-91,金屬洛氏硬度試驗方法,測定的。它和布氏硬度一樣,也是一種壓入法。但它不是測量壓痕面積,用單位面積上的力來表示硬度值,而是測量壓痕深度,以壓痕深淺來表示硬度值。洛氏硬度試驗原理如圖,8.,它是用金剛石圓錐或直徑為,1/16in,鋼球作為壓頭。在測定硬度時,先加預負荷,將壓頭壓至,b,點,然后再加主負荷,進一步把壓頭壓至,c,點。,最后卸除主負荷,在彈性作用下使壓痕深度從,c,點回到,d,點。這是,bd,之間的距離,h,即由主負荷引起的壓痕深度。用,h,來衡量金屬的硬度,壓痕深度,h,愈淺,金屬愈硬,反之亦然。,二,金屬材料的力學性能,圖,8,洛氏硬度試驗原理,洛氏硬度,為了適應人們習慣上數值愈大愈硬的概念,規定一常數,K,減去壓痕深度,h,的值作為洛氏硬度值,并規定每,0.002mm,為一個洛氏硬度單位。,洛氏硬度用符號,HR,表示,為,HR=(K-h)/0.002,根據所用的壓頭和負荷的不同,洛氏硬度分為,HRAHRBHRC,等硬度指標。,HRAHRC,都是用金鋼石圓錐作壓頭,分別施加,60150Kgf,總負荷,其硬度值計算公式中的常數,K,為,0.2,用于測量硬材料或工件的硬度。,HRB,是用鋼球作壓頭,施加,100Kgf,的總負荷,計算公式中的常數,K,為,0.26,主要用于測定軟材料或毛坯的硬度。洛氏硬度的表示方法是依次標出,洛氏硬度值,符號,HR,和標尺（,ABC),。例如,55HRC,表示,C,標尺測定的洛氏硬度為,55,。洛氏硬度值是一個無名數,無單位。,二,金屬材料的力學性能,洛氏硬度,與布氏硬度比較,洛氏硬度試驗操作簡便迅速,可直接讀出硬度值。由于壓痕小,故可測成品件和較薄材料的硬度,但測值重復性差,通常需要在一個試件上的不同部位測量三次,取其平均值作為試件硬度值。目前生產上常用洛氏硬度,HRC,來測定淬火鋼制零件的硬度。,HRCx10HBS,。,二,金屬材料的力學性能,維氏硬度,維氏硬度試驗原理如圖,9.,它是用一定的試驗力,F(Kgf),將頂角為,136,的金剛石四棱椎壓入金屬表面,保持一定時間后卸去試驗力,然后測出壓痕對角線的長度,d1d2(mm),并求出壓痕對角線的平均值,d,。維氏硬度值是試驗力,F,（,Kgf),除以壓痕表面積,A,所的商,用,HV,表示,為,HV=F/A=1.8544xF/d,2,維氏硬度值的表示方法,是依次標出,硬度數值,維氏硬度符號,HV,試驗規范（試驗力,Kgf,保持時間,s,。,1015s,不標注,),。例如,640HV30/20,表示用,30Kgf,試驗力保持,20s,測定的維氏硬度值為,640,。,二,金屬材料的力學性能,圖,9,維氏硬度試驗原理,維氏硬度,維氏硬度試驗使用金剛石四棱椎壓頭,由于可用較小的試驗力,(5Kgf),故可測較薄的硬化層,由于使用的試驗力范圍大,(5120Kgf),所以可測很軟和很硬的材料,且具有統一的硬度值。但維氏硬度試驗操作比較麻煩,在生產中用洛氏硬度不能測定時,如鋼件氮化層硬度,才用維氏硬度測定,HVHBS,。,應該指出,布氏,洛氏,維氏硬度值之間不存在直接換算式。如若必須進行換算時,應按照,GB1172-74,黑色金屬硬度及強度換算值,GB3771-83,銅合金硬度與強度換算值,等進行換算。上述各種硬度值之間的近似關系,只能作為估計,不能用于生產實際。,二,金屬材料的力學性能,三,金屬及合金的結構,金屬的結構,金屬鍵與金屬的特性,金屬具有良好的導電性,導熱性和良好的塑性等特性。金屬為什么具有這些特性呢,這主要是與金屬原子間的結合方式有關。,金屬原子的價電子數目很少,一般只有一個,二個,價電子與原子核之間的聯系很弱。因此當金屬原子相互結合時,各原子大多會失去價電子而變成為正離子,而從原子中脫落下來的價電子,在正離子間作自由運動,為整個金屬所共有,這種電子稱為自由電子。金屬原子是依靠正離子和自由電子的相互吸引而結合起來的,這種結合方式稱為金屬鍵。,圖,10.,金屬鍵模型,金屬鍵與金屬的特性,金屬原子以金屬鍵結合,其中有自由電子存在。因此,在外電場作用下,金屬中的自由電子便會定向流動,形成電流,故具有良好的導電性。金屬不僅依靠正離子振動,而且還依靠自由電子運動來傳遞熱量,因此呈現良好的導熱性。在外力作用下金屬中的原子面之間可以作相對移動,即發生塑性變形,而正離子與自由電子間的結合不被破壞,使金屬顯示良好的塑性。,三,金屬及合金的結構,金屬的晶體結構,固態物質可分為晶體和非晶體兩大類。在晶體物質中,組成物質的質點（原子或分子,),在空間作有規則的排列,而在非晶體物質中,組成物質的質點是無規則地堆積起來的。金屬原子是規則排列的,并以金屬鍵結合,因此,金屬都是晶體。,三,金屬及合金的結構,金屬的晶體結構,常見金屬的晶格,面心立方晶格,在立方體的每個角和每個面上各有一個原子。具有這類晶格的金屬有,-,鐵,銅,鋁等。,圖,11,面心立方晶格,三,金屬及合金的結構,金屬的晶體結構,常見金屬的晶格,體心立方晶格,在立方體的每個角和體心上各有一個原子。具有這類晶格的金屬有,-,鐵,-,鐵,-,鈦,鉻等。,圖,12,體心立方晶格,三,金屬及合金的結構,金屬的晶體結構,常見金屬的晶格,密排六方晶格,除六方體的每個角和上,下面心上各有一個原子外,在六方體的中心還有三個原子。具有這類晶格的金屬有,鎂,鋅,-,鈦等。,一些金屬,如鐵,鈦,具有兩種或兩種以上的晶格類型,即具有同素異構性。,圖,13,密排六方晶格,三,金屬及合金的結構,例如,-,鐵在,晶面指數上,E=290GN/m,2,而在,晶面指數上,E=135GN/m,2,其力學性能呈現明顯的各向異性。晶體的各向異性還在物理,化學性能上表現出來。一些晶體物質,如云母,單晶硅等常沿一定的晶面破裂,也是這個道理。晶體的各向異性具有很大的實際意義。例如,用單晶硅制造晶體管,就是利用晶體的各向異性來指導加工工藝。,金屬的晶體結構,晶體的各向異性,空間中原子排列相同,空間位向一致的一組平行原子面,稱為晶面。,由于晶體中各晶面,晶向上的原子密度不同,從而使晶體在不同方向上顯示出不同的性能,這種現象稱為各向異性。,111,110,100,圖,14,三,金屬及合金的結構,金屬的實際晶體結構與晶體缺陷,單晶體與多晶體,單晶體,中的原子呈規則排列,晶格位向僅基本一致,具有各向異性,。除非專門制作,一般在工業生產中得不到單晶體金屬。,工業上用的金屬一般為多晶體,如圖,15,。它是由許多小晶體,(,稱為晶粒,),組成。每個晶粒內部原子呈規則排列,晶格位向基本一致。而相鄰晶粒的晶格位向相差很大,一般為,30,40,。晶粒之間的界面稱為晶界。晶界處的原子排列是不規則的。,多晶體金屬的性能為各個晶粒性能的平均值,呈現各向同性,。例如,工業純鐵,(-,鐵,),為多晶體,各向上的,E,值均為,210GN/m,2,。,晶粒內部的晶格位向也是不完全一致的。其中不同小區的晶格位向相差大約,10,20,。,這些小區稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。,三,金屬及合金的結構,金屬的實際晶體結構與晶體缺陷,晶體缺陷,金屬中的原子都是規則排列的,這是指理想狀態的金屬晶體結構。實際上,金屬晶體中總有極少數原子排列不規則和不完整,即存在著晶體缺陷。按晶體缺陷的几何形態特征,可將其分成,點缺陷,線缺陷和面缺陷。,點缺陷,-,空位,間隙原子,有的晶格結點上沒有原子存在,這就是晶格空位,(,簡稱空位,),。,還有的原子不在晶格結點上,而是擠入晶格間隙中,這種原子稱為間隙原子。空位和間隙原子附近的原子呈現不排列規則,使晶格扭曲,即晶格發生即便畸變。,三,金屬及合金的結構,金屬的實際晶體結構與晶體缺陷,晶體缺陷,線缺陷,-,位錯,(,或稱位錯線,),位錯是指晶體中一列或多列原子發生有規則錯排。位錯的形式有刃型和螺型兩種。,三,金屬及合金的結構,金屬的實際晶體結構與晶體缺陷,晶體缺陷,面缺陷,-,晶界,亞晶界,晶體和亞晶界上的原子排列,是從一種位向過渡到另一種位向。在這個過渡層中的原子排列是不規則的,晶格發生畸變。,晶體缺陷的數量雖然不大,但對金屬性能的影響和內部結構的變化具有重要意義。應該指出,金屬晶體存在缺陷,不等于金屬存在缺點。實際生產中,可通過一定的工藝措施來控制晶體缺陷的數量和存在的狀態,從而調整金屬的工藝性能和使用性能。,三,金屬及合金的結構,合金的結構,由兩種或兩種以上的元素,(,以金屬元素為主,),組成的具有金屬特性的物質叫合金。在工程上合金的應用范圍比純金屬廣泛得多。常用的鋼,鑄鐵,黃銅,磷銅等都是合金。合金的使用性能和工藝性能均比純金屬好,尤其是力學性能優越。例如,純鐵的,b,約為,200N/mm,2,而,Q235-A,鋼,(,鐵碳合金）的,b,約為,460N/mm,2,。,組成合金最基本的,能夠獨立存在的物質稱為組元。一般來說組元就是組成合金的元素。另外穩定化合物也可視作組元。合金按數目,可分為二元合金,三元合金等。例如,黃銅就是由銅和鋅元素組成的合金,屬于二元合金。由相同的几個元素配制的一系列不同成分的合金,這一系列合金就構成一個合金系或簡稱系。例如,各種成份的碳鋼和灰鑄鐵均屬于鐵碳合金系。,三,金屬及合金的結構,金屬的塑性變形,大多數金屬及合金都具有良好的塑性。通過鍛造,軋制,拉拔,擠壓和沖壓等塑性成形的壓力加工,不但可以獲得人們所需要的各種形狀和尺寸的坯料或零件,而且也可以改變金屬的內部組織結構和性能。經過壓力加工的坯料和零件的組織,性能與材料所進行的塑性變形及隨后加熱所發生的回復與再結晶有密切關系。,工業上實際使用的金屬材料,可以是金屬,也可以是合金,它們都是多晶體。多晶體金屬的塑性變形與多晶體中每個晶粒的變形有關。,塑性變形對金屬組織與性能的影響,金屬經過塑性變形,(,冷加工,),其組織和性能會發生一系列重大變化。這些變化大致表現在金屬組織和結構的變化,加工硬化及殘余內應力等三個方面。,四,金屬的塑性變形,金屬組織和結構的變化,晶粒變形,金屬在外力作用下發生塑性變形時,隨著外形的改變,金屬內部晶粒的形狀也發生相應的變化。通常是等軸晶粒沿變形方向被拉長或壓扁。變形程度愈大則金屬晶粒的形狀變化也愈大。,當變形程度很大時,晶粒變成細條狀,晶界變得不清楚,同時,金屬中夾雜物也沿變形方向被拉長。這種被拉長的呈纖維狀的晶粒組織,稱為纖維組織。,亞結構,(,亞晶粒,),細化,位錯密度增加及難動,金屬發生塑性變形時,除了晶粒外形發生改變外,晶粒內部存在的亞結構,(,亞晶粒,),也會細化,形成形變亞結構,如圖。,亞晶粒,亞晶界,四,金屬的塑性變形,塑性變形對金屬組織與性能的影響,變形前,金屬中的位錯是低密度的（,10,6,10,8,cm,-2,),分布均勻且易動。但在大量塑性變形后,由于位錯增殖,使位錯密度增加,(,達,10,11,10,12,cm,-2,),同時由于位錯運動及其相互作用導致位錯堆積,纏結。這種現象進一步發展促使晶粒,“,碎化,”,稱為許多位向略有差異的亞晶粒。在亞晶粒的邊界,(,亞晶界,),上聚集著大量位錯,而亞晶粒的內部位錯很低。在亞晶界堆積的位錯,以及它們的相互作用,會阻止位錯進一步的運動,從而使位錯從易動變為難動。變形程度愈大,變形金屬中的亞晶粒細化愈嚴重,位錯密度增加愈多。,四,金屬的塑性變形,塑性變形對金屬組織與性能的影響,加工硬化,塑性變形對金屬性能的最大影響是加工硬化。加工硬化亦稱形變強化或冷作硬化。下圖表示塑性變形后金屬力學性能與變形程度的關系。由圖可看出,金屬材料經過塑性變形,之后,強度,硬度明顯提高,而塑性韌性很快下降。并且變形程度越大,性能變化越大。這種,隨著變形程度增大,金屬的強度,硬度顯著提高,塑性韌性明顯下降的現象,稱為加工硬化。,冷軋變形,%,冷軋變形,%,純銅,低碳鋼,b,b,%,%,b,MN/m,2,b,MN/m,2,四,金屬的塑性變形,塑性變形對金屬組織與性能的影響,加工硬化產生的原因,根本原因是亞結構細化和位錯密度增大且難動。,加工硬化的意義,:,1.,是一種強化金屬材料的手段。對于不能用熱處理方法強化的金屬材料,如純金屬,某些鋁合金及銅合金,鉻鎳不鏽鋼和高錳鋼等顯得更重要。,2.,加工硬化有利于金屬進行均勻變形。,加工硬化不利的一面,在金屬材料的加工過程中,為了使加工硬化的金屬材料能進一步變形,必須進行中間熱處理,(,中間退火,),來消除加工硬化現象,從而增加成本及降低生產效率。,四,金屬的塑性變形,塑性變形對金屬組織與性能的影響,塑性變形還會使金屬的某些物理性能,化學性能發生變化,例如,使金屬的電阻增大,耐蝕性降低等。,塑性變形還會使變形金屬的性能呈明顯的方向性。,金屬在外力作用下,晶粒外形發生變化,當變形程度達到一定數值后,會形成纖維組織,其縱向性能,(,沿纖維方向性能,),要大于橫向性能,(,垂直于纖維方向性能,),即呈現各向異性現象。,殘余內應力,當作用于金屬材料的外力去除后,仍殘留在金屬內部,且平衡于金屬內部的應力,稱為殘余內應力。,殘余內應力是由于金屬材料在外力作用下,各部分變形不均勻造成的。按照其作用范圍可分為以下三類,四,金屬的塑性變形,殘余內應力,1.,金屬的表面層和心部變形不均勻,或金屬的這一部分和另一部分變形不均勻,會造成平衡于它們的宏觀內應力,(,又稱為第一類內應力,),。,2.,相鄰晶粒變形不均勻或晶粒內部不同部位變