10-1第一章-工程材料基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、機(jī)器生產(chǎn)過程本課程研究內(nèi)容：金屬材料加工成毛坯或零件，進(jìn)而制造機(jī)器第一章 工程材料基礎(chǔ)知識(shí)：原材料選取擇與改性（熱處理）；第二章：鑄造成形第三章：鍛壓成形第四章：焊接成形第五章：非金屬材料及成形第六章：快速成形熱處理原材料毛坯機(jī)器零件熱處理鑄造鍛壓焊接裝配切削加工本課程研究內(nèi)容：金屬材料加工成毛坯或零件，進(jìn)而制造機(jī)器第一章第一章 工程材料基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解工程材料的分類；了解常用材料（鋼鐵）的生產(chǎn)過程及規(guī)格；熟悉材料使用中應(yīng)具備的性能；了解材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。第一章 工程材料基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)：第一章 工程材料基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)：工程材料的分類第二節(jié)：鋼鐵生產(chǎn)簡介第三節(jié)：金屬材料的性能第四

2、節(jié)：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第五節(jié)：二元合金第六節(jié)：鐵碳合金第七節(jié)：碳鋼第八節(jié)：鑄鐵第九節(jié)：鋼的熱處理第十節(jié)：合金鋼第十一節(jié)：有色金屬材料第一章 工程材料基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)：工程材料的分類一、工程材料： 是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能、被用來制造零件和工具的材料。二、工程材料種類： 工程材料繁多，常見分類方法有： 按用途分、領(lǐng)域、成分等。第一節(jié)：工程材料的分類一、工程材料：第一節(jié)：工程材料的分類按用途分類：結(jié)構(gòu)材料（如機(jī)械零件、工程構(gòu)件）；工具材料（如量具、刃具、模具）；功能材料（如磁性材料、超導(dǎo)材料等）按領(lǐng)域分類： 機(jī)械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料

3、 等。第一節(jié)：工程材料的分類按用途分類：第一節(jié)：工程材料的分類按成分分類：金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料。 金屬是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的材料，其中鋼鐵的用量最大。一般金屬具的優(yōu)良的工藝性能和力學(xué)性能； 非金屬材料中，合成高分子材料、特別是塑料的使用廣泛；而陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣的特點(diǎn)，主要用于化工設(shè)備、電器絕緣件、機(jī)械加工刀具、發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱元件等； 復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性能不同的物質(zhì)組成的材料，復(fù)合材料一般綜合了各組分材料的優(yōu)良性能，在生活用品、機(jī)器制造等各個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。第一節(jié)：工程材料的分類按成分分類：金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料。 第一節(jié)：工程材常用的按成

4、分分類常用的按成分分類第二節(jié) 鋼鐵生產(chǎn)簡介 第二節(jié) 鋼鐵生產(chǎn)簡介 第二節(jié) 鋼鐵生產(chǎn)簡介鋼鐵:是以Fe和C為主要組成元素，同時(shí)還含有Si、Mn、P、S等雜質(zhì)元素的合金。包含生鐵與鋼。 鋼:碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（wc 2.11%），雜質(zhì)元素的含量也較高的鐵碳合金，生鐵硬度高、性脆，很少直接使用。 鋼材：鋼錠或鋼坯經(jīng)壓力加工成各種形狀規(guī)格的原材料。鋼材生產(chǎn)流程: 鐵礦石煉鐵（生鐵） 煉鋼（鋼） 鋼材成型（鋼材） 第二節(jié) 鋼鐵生產(chǎn)簡介鋼鐵:是以Fe和C為主要組成元素，同時(shí)一、煉鐵 煉鐵原料：鐵礦石是主要的煉鐵原料，有磁鐵礦“Fe3O4”、赤鐵礦“Fe2O3”、褐鐵礦2Fe2O33H2O”、菱鐵礦“FeCO

5、3”。鐵礦石中除鐵的化合物外，還含有硅、錳、磷、硫等的化合物，這些統(tǒng)稱為脈石.焦炭;溶劑等.煉鐵方法： 高爐煉鐵 過程煉鐵實(shí)質(zhì)：是將鐵從礦石中還原的過程 鐵礦石焦炭燒結(jié)工廠焦炭工廠 高爐鐵水一、煉鐵 鐵礦石焦炭燒結(jié)工廠焦炭工廠 高爐鐵水二、煉鋼煉鋼實(shí)質(zhì)：是通過氧化降低生鐵中的碳與雜質(zhì)元素的含量，使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成分和性能。煉鋼原料：煉鋼的原料有生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）、合金料等 。煉鋼過程：主要包括氧化、造渣、脫氧等 。煉鋼方法：目前主要有氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼等。 二、煉鋼煉鋼實(shí)質(zhì)：是通過氧化降低生鐵中的碳與雜質(zhì)元素的含量 電爐煉鋼：有感應(yīng)爐煉鋼、電弧爐

6、煉鋼等方法，常用的是電弧爐煉鋼。電弧爐煉鋼：1、它以轉(zhuǎn)爐鋼和廢鋼作原料、以鐵礦石和純氧作氧化劑，以電極與金屬爐料間的電弧熱提供冶煉熱源。2、電弧爐冶煉溫度高（可達(dá)2000），能冶煉含有高熔點(diǎn)合金元素的合金鋼。 電弧爐煉鋼過程 電爐煉鋼：有感應(yīng)爐煉鋼、電弧爐煉鋼等方法，常用的是電三、鋼材生產(chǎn) 鋼材種類：有鋼板、型鋼、鋼管、鋼絲等 生產(chǎn)方法：主要有軋制（分冷軋與熱軋）、 拉拔、擠壓、鍛造等方法 各種鋼材鋼板、型鋼、鋼絲、鋼管。 鋼板：鋼錠或鋼坯軋制成鋼板。鋼板可鍍鋅、鍍錫、鍍鉛、塑料復(fù)合等表面處理 中厚板：厚度為35mm，一般采用熱軋 薄板：厚度小于3mm，坯料為熱軋中厚板，采用冷軋 鋼帶：成卷供

7、應(yīng)，采用冷軋 型鋼：采用型材軋機(jī)軋制而成。有圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、八角鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼、T字鋼等。普通型鋼主要用于建筑、橋梁、車輛等，優(yōu)質(zhì)型鋼主要用于機(jī)械零件、工具等 。三、鋼材生產(chǎn) 鋼材種類：有鋼板、型鋼、鋼管、鋼絲等 鋼絲：采用直徑為69mm的熱軋線材（盤條）拉拔而成。退火的低碳鋼絲可用于捆扎物體、也可編織成各種用品；高碳鋼絲可制成各 種彈簧，或用多根鋼絲捻成合股的鋼絲繩和鋼索，用于吊索、電線、電纜、固定物體等。 鋼管：焊管與分無縫管。 有縫管：用鋼板或鋼帶卷壓成形，然后焊接而成?？p鋼管應(yīng)用廣泛，主要用于自來水管、煤氣管等 。 鋼絲：采用直徑為69mm的熱軋線材（盤條）拉拔而成無

8、縫管：管采用斜軋穿孔機(jī)將實(shí)心鋼坯穿孔后，再經(jīng)冷拔或熱軋而制成。無縫鋼管主要用于石油、化工等行業(yè) 。無縫管：管采用斜軋穿孔機(jī)將實(shí)心鋼坯穿孔后，再經(jīng)冷拔或熱軋而制第三節(jié) 金屬材料的性能 第三節(jié) 金屬材料的性能 材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能。 是材料在被加工過程中適應(yīng)各種冷熱加工的性能。 切削加工性能材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄力學(xué)性能定義 : 是指金屬材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。力學(xué)性能定義 : 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞強(qiáng)度主要指標(biāo)：塑性韌性 力 學(xué)

9、 性 能強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞強(qiáng)度主要指標(biāo)：塑性韌性強(qiáng)度塑性拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0d0L0拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變彈性( elasticity ):金屬材料受外力作 用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除

10、而消失的變形。 彈性極限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積( mm2)彈性( elasticity ):金屬材料受外力作彈性變形(拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。種類: 抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng) 度 、 抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。 (2)屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn) S Fs s = ( M pa

11、 ) S0試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗種類: 抗拉(3)抗拉強(qiáng)度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積( mm2)(3)抗拉強(qiáng)度( tensile strength ):塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積S0之比。 S0

12、 - S 1 = 100% S0 塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下(1)斷面(2)斷后伸長率(延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量L 1與原始標(biāo)距L 0之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料(2)斷后伸長率(延伸率) specific elongat長試樣：10 簡寫為短試樣：5 同一種材料的5 10長試樣：10 簡寫為短試樣：5 同一種材料的硬度( hardness )1.定義： 是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。硬度( hardness )1.定義：2.硬度試驗(yàn)方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）

13、回跳法2.硬度試驗(yàn)方法： 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV壓入法 (一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì) (一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬觀看布氏硬度觀看布氏硬度1.壓頭：淬火鋼球 HBS硬質(zhì)合金鋼球 HBW1.壓頭：淬火鋼球 HBS2.試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。2.試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)10-1第一章-工程材料基礎(chǔ)知識(shí)課件 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22 F 布氏硬度值450的

14、材料 選用淬火鋼球壓頭例如：200HBS 350HBS3、布氏硬度測(cè)量方法應(yīng)用布氏硬度值450的材料 選用淬火鋼球壓頭例如：2布氏硬度值450650的材料 選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：550HBW 600HBW布氏硬度值450650的材料 選用硬質(zhì)合金球壓頭4.標(biāo)注： 符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。4.標(biāo)注： 符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符5. 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅?/p>

15、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用：常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。5. 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅瑪?shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness 觀看洛氏硬度觀看洛氏硬度1.壓頭：120金剛石圓錐體鋼球鋼球 HRAHRCHRB1.壓頭：120金剛石圓錐體鋼球HRAHRB2.試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓

16、痕深度增量來計(jì)算出硬度值。2.試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或3、洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070HRC3、洛氏硬度值的表示：7085HRAHRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如： 50HRC40HRC HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如：4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡單，方便快捷，壓痕小；測(cè)量范圍大，是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度 試驗(yàn)方法?？捎糜诔善窓z驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測(cè)量組織不均勻

17、材料。應(yīng)用：是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度 試驗(yàn)方法。應(yīng)用：(三)維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )維氏硬度計(jì)(三)維氏硬度 HV ( diamond penet1.壓頭： 錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體1.壓頭： 錐面夾角為136的金剛石2.試驗(yàn)原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。2.試驗(yàn)原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長度，以此計(jì)算出硬度值。2.試驗(yàn)原理： 以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載

18、后用壓痕兩對(duì)角線的平均長度來計(jì)算。H V=F/Saad用壓痕兩對(duì)角線的平均長度來計(jì)算。H V=F/Saad3.標(biāo)注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件試驗(yàn)力和保持時(shí)間（1015S不標(biāo)）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持1015S測(cè)定的維氏硬度值為580。3.標(biāo)注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件試4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬

19、材料都可測(cè)量;測(cè)量精韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。1.定義：韌性(toughness ): 材料在沖擊載沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn):沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn):試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為: A k = m g H m g h (J)g試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為: 沖擊韌度ak 就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S0 沖擊韌度ak 斷裂韌度1、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。反應(yīng)材料有裂

20、紋存在時(shí)，極易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。材料抗脆性斷裂的能力用斷裂韌度K1C表示。斷裂韌度1、低應(yīng)力脆斷當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。2、斷裂韌度K1CK1c可通過試驗(yàn)來測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MNm-3/2） 常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MNm-3/2） 1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力

21、，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（ fatigue ）1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂2、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。2、疲勞極限-1: 表示金屬材鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值采取表面強(qiáng)化鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取物理性能物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來說，有著重要的意義；而且也會(huì)對(duì)材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。（一）密度（二）熱學(xué)性能 熔點(diǎn)； 熱容； 熱膨脹；熱傳導(dǎo)（三）電學(xué)性能 電阻率； 電阻溫度系數(shù)； 介電性（四）磁學(xué)性能 磁導(dǎo)率； 飽和磁化強(qiáng)度Ms和磁矯頑力c物理性能物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來說，有著重要的意義；化學(xué)性能