连接器金属材料介绍.ppt
連接器常用金屬材料介紹,Charles Cheng,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/mm2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:,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,L0,L1,F,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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S0。得出試樣截面積上的應力=F/S0同時把伸長量L除以試樣原始標距L0得到試樣的應變=L/L0。-曲線與F-L曲線形狀一樣只是坐標不同。,F,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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/m2(109N/m2)。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/m2(2000022041Kg/mm2)灰鑄鐵為78 157GN/m2(795916020Kg/mm2),銅合金為72128GN/m2(7347 13061Kg/mm2)鋁合金為70GN/m2(7143Kg/mm2)。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Fs(N)除以試樣原始截面積S0（mm2)所得的商用s表示單位為N/mm2,即 s=Fs/S0(N/mm2)。,1N/m2=1.020408x10-7Kg/mm2,F,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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/m2=1.020408x10-7Kg/mm2,F,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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Fb（N)除以試樣的原始截面積S0（mm2)所得的商稱為抗拉強度用b表示單位為N/mm2,即b=Fb/S0(N/mm2)塑性材料（如低碳鋼）由圖可知當拉力達到Fb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Fb 就是斷裂負荷。因此抗拉強度是表征材料對斷裂的抗力。,1N/m2=1.020408x10-7Kg/mm2,二金屬材料的力學性能,F,Fe,E,Fs,Fk,Fb,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/m2=1.020408x10-7Kg/mm2,二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=(L1-L0)/L0 x100%式中的L0為試樣原始標距(mm);L1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=(S0-S1)/S0 x100%式中的S0為試樣的原始橫截面積(mm2);S1為拉斷后試樣頸縮處的最小橫截面積(mm2)。斷后伸長率與試樣原始標距L0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L0愈長則愈小。常用圓形截面試樣的原始標距L0為直徑d0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 2%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Aku值。而Aku=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),Aku的單位為J或Kgf.m(1Kgf.m=9.8J)。沖擊吸收功Aku除以試樣沖斷前缺口處的橫截面積S(cm2)所得的商稱為沖擊韌度用aku表示單位為J/cm2(或Kgf.m/cm2)。Akuaku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,akv 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,107,-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107次有色金屬為108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/mm2。例如40Cr鋼經受107次應力循環而不斷裂時的最大應力為570N/mm2,記為-1(107)=570N/mm2。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(D2-d2)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=KD2K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=30D2=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=10D2=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120HBS10/1000/30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229HBS10/3000。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/mm2)=(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/d2,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/m2而在晶面指數上E=135GN/m2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3040。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/m2。,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1020。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/mm2,而Q235-A鋼(鐵碳合金）的b約為460N/mm2。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（106108cm-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10111012cm-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形不均勻造成微觀內應力(又稱第二類內應力)。3.由于位錯等晶體缺陷的增加引起其附近晶格畸變而產生晶格畸變內應力(可稱第三類內應力)。通常金屬變形時外力對金屬所作功的絕大部分(90%以上)在變形過程中轉化為熱而散失只有少量能量(10%以下)轉化為內應力殘留在金屬中使金屬的內能增加。其中晶格畸變應力占絕大部分這是使金屬強化的重要原因。雖然宏觀內應力和微觀內應力占的比例不大但卻能引起金屬制品的變形并使金屬的耐蝕性降低。,四金屬的塑性變形,殘余內應力 所以金屬在塑性加工之后一般都要進行退火處理以降低或消除金屬制品中的殘余內應力。例如對于碳素鋼冷卷彈簧在卷制之后進行一次280320的去應力退火以降低卷制時產生的殘余內應力提高疲勞強度和尺寸穩定性。對于黃銅沖壓件為了降低殘余應力避免產生應力腐蝕而開裂也采用270300 的去應力退火。金屬的熱加工 從金屬學的觀點來看熱加工和冷加工的區別是以金屬的再結晶溫度為界限的。在金屬的再結晶溫度以上進行的塑性變形稱為熱加工反之在金屬的再結晶溫度以下進行的塑性變形稱為冷加工。,四金屬的塑性變形,金屬的熱加工 冷加工和熱加工并不是以是否加熱來區分的。例如鎢的再結晶溫度約1200 將鎢加熱至1000 時的加工變形仍為冷加工而錫的再結晶溫度為-7 其在室溫(20)時的加工變形則屬于熱加工。金屬冷加工后組織是加工硬化的組織而熱加工時一方面進行塑性變形產生加工硬化另一方面它又是在再結晶溫度以上的加工所產生的加工硬化現象可以隨時被再結晶過程消除。因此熱加工的金屬組織是再結晶的組織無加工硬化現象。,四金屬的塑性變形,五金屬材料選用原則,連接器材料選用的基本原則,性能指標是否符合要求包括物理性能機械性能電性能和化學性能經濟成本是否合適包括材料本身成本和加工成型的成本,五金屬材料選用原則,電接觸材料選用原則,貴金屬材料能否選用為電觸點材料或電接觸材料,視其是否具備下列條件:接觸電阻低而又穩定;不易磨損,接觸面不易變形;不發生熔焊,且耐環境性能好,价格適宜。各種貴金屬材料都各有所長,僅由一種單一材料要滿足上述條件是很困難的,所以往往選用貴金屬合金材料,充分發揮各種金屬材料的長處,來滿足不同的使用要求。特別在弱電情況下使用時,首先考慮的是接觸穩定,開閉可靠,所以廣泛選用化學上穩定、耐環境性能好的金、鉑或鈀族合金。,五金屬材料選用原則,電接觸材料選用原則,按電流大小來選用不同的金屬:3050mA以下用金及金合金系;50mA20A用銀合金系、鉑族合金系和銀氧化物系;20 A以上用銀氧化物系。隨著電流增大,在動觸點開關插座中,由電弧造成的影響加劇,就需選用抗熔焊性、耐損耗性優良的材料。,五金屬材料選用原則,電接觸材料選用原則,電觸點和電接觸用貴金屬,主要有:釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pb)和銀(Ag);鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)和金(Au)。按使用目的可分以下几類:1)銀及銀合金類:用于高導電性,弱電流(低能回路)的場合。2)耐變色合金類:鉑及鈀系合金,用于耐腐蝕抗氧化,以及弱電流的場合。3)耐電弧合金類:Ag-W、Ag-GdO等燒結材料,用于耐電弧、高導電的,低負荷的場合。4)滑動接觸合金類:Ag-Cu及鈀、金系多元素金屬合金,用于耐磨性、低接觸電阻的滑動接觸場合。,五金屬材料選用原則,電接觸材料選用原則,作為接觸電傳導材料,首先要求電阻率必須小,其次重要的是要求表面抗變色能力高,所以,廣泛使用抗變色能力高的貴金屬材料。,五金屬材料選用原則,電接觸材料的貴金屬物理性能:電接觸材料的貴金屬的物理性能如表4-01所示。由于在元素周期表內按原子序分為兩組,它們的物理性能表現出極為相似的情況,如圖4-01和圖4-02所示。,五金屬材料選用原則,電接觸材料的貴金屬物理性能:,銀(Ag):優點:電導率最高,其值為106%IACS,排第一位(以國際標准軟銅的電導率為100%,其它材料的電導率與它比較,以%IACS為單位)。缺點:易于硫化而形成黑色的硫化膜(Ag2S),解決辦法是加入不硫化的貴金屬50%(原子)形成合金,質地軟。金(Au):優點:化學穩定性極好,廣泛用于連接器中的電接觸鍍層。缺點:价格昂貴,僅在要求高可靠的情況下使用。鉑(Pt):優點:耐變色性能良好,居第二位。缺點:
