金屬工藝學(xué)第一篇第一章金屬材料的主要性能

金屬工藝學(xué)第一篇第一章金屬材料的主要性能第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬工藝學(xué)

上冊（第四版）

鄧文英主編

高等教育出版社第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論什么叫金屬工藝學(xué)？

是一門研究有關(guān)制造金屬零件工藝方法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。它主要研究：（1）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；（2）金屬機(jī)件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；（3）常用金屬材料性能對加工工藝的影響等。金屬工藝學(xué)中涉及到的知識點在機(jī)械制造工程中的地位。第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求性質(zhì)：研究常用工程材料及其成形方法的綜合性課程體現(xiàn)理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)密切結(jié)合的技術(shù)基礎(chǔ)課程任務(wù)和要求：了解產(chǎn)品的制造過程掌握常用工程材料的種類與性能，能初步選用掌握材料成形的基本原理和工藝特點，能初步運(yùn)用第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1．鞠魯粵主編，工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2004.62．呂廣庶、張遠(yuǎn)明主編，工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2001.93．嚴(yán)紹華主編，材料成形技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，2001.84．施江瀾主編，材料成形技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)械工程出版社，2001.8參考文獻(xiàn)第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月如何學(xué)好本課程？即使天上掉餡餅，

也只有早起的人才能得到要付出勞動第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月是否想學(xué)好本課程？為了應(yīng)付考試？記錄老師講課重點（經(jīng)常提到）

為了工作需要？認(rèn)真讀懂教材和參考書為了擴(kuò)大知識面？

廣泛涉及課外書籍、勤于思考

第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月約定字跡工整、按時獨立完成作業(yè)課堂內(nèi)不吃東西關(guān)閉通信等能夠發(fā)出聲音的工具......做不到的是不曠課第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一篇金屬材料導(dǎo)論第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料工業(yè)的重要程度材料作為能制造有用物品的物質(zhì)，與能源和信息共同構(gòu)成了人類社會賴以生存與發(fā)展的基本資源，故材料、能源和信息并列為現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代文明的三大支柱，而在這三者之間，材料又是最重要的基礎(chǔ)。材料是人類生活與社會發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，其品種、數(shù)量和質(zhì)量是人類文明和社會進(jìn)步程度的標(biāo)志。第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料工業(yè)的重要程度歷史學(xué)家把人類社會的發(fā)展按其使用的材料類型劃分為石器時代、青銅時代、鐵器時代，而今正處于人工合成材料的新時代。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一商朝的青銅器春秋戰(zhàn)國的鐵器人工合成材料第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬Metal復(fù)合材料Composites陶瓷Ceramic高分子Polymer2.工程材料的分類按屬性分類：金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.工程材料的分類按功能：結(jié)構(gòu)材料功能材料生物材料智能材料信息材料按材料維度：三維塊體材料二維薄膜材料一維纖維材料零維納米材料材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術(shù)也不同。第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月3.什么是金屬材料金屬材料——以金屬元素為主要成分、原子通過金屬鍵結(jié)合而成的一類固體材料。金屬材料鐵合金：鋼、鑄鐵非鐵合金：銅、鋁、鈦、鎂及其合金第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月公元前6000年：人類發(fā)明金屬冶煉[1]公元前4000年：古埃及人掌握煉銅技術(shù)[1]公元前2500年：中國人開始使用鐵公元18世紀(jì)末：瓦特(JamesWatt,1736～1819，英國)發(fā)明了蒸汽機(jī)以后，大量使用鐵軌和鑄鐵管，鑄鐵的冶煉才走上工業(yè)化生產(chǎn)的道路。從此，金屬材料在材料工業(yè)中就占有了統(tǒng)治性的主導(dǎo)地位。4.金屬材料的發(fā)展歷史第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4.金屬材料的發(fā)展歷史1820年：（英）法拉第開始研究合金鋼1839年：巴比特研制出軸承合金1856年：（德）貝斯麥在轉(zhuǎn)爐中將生鐵精煉成鋼1906年：泰勒和霍特研制出高速鋼1912年：（美）海恩茲發(fā)明鎢鉻鈷硬質(zhì)合金1923年：克虜伯公司發(fā)明鎢鈷硬質(zhì)合金1940年：（日）北圓一郎等發(fā)明特超硬鋁1948年：（美）米爾斯研制出球墨鑄鐵1959年：福特公司研制出TiC金屬陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金）1970年：美國和瑞典研制出粉末高速鋼第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5.金屬材料的優(yōu)越性

自20世紀(jì)50年代以后，高分子材料、先進(jìn)陶瓷材料、復(fù)合材料迅速發(fā)展，開始出現(xiàn)一些金屬材料的“代用品”。那么鋼鐵材料是否已經(jīng)進(jìn)入“夕陽”工業(yè)了哪？？否。金屬材料具有其他材料不能完全取代的獨特性質(zhì)和使用性能。金屬材料高模量高韌性高磁性高導(dǎo)電性第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月6.金屬材料的研究現(xiàn)狀當(dāng)前，金屬材料的研究領(lǐng)域包括：高純材料—優(yōu)異的軟磁性、良好的耐腐蝕性、高殘余電阻率，用于高真空容器、核反應(yīng)堆等。高強(qiáng)度材料—可減輕重量，用于航空航天、深海潛艇、原子能等領(lǐng)域。超易切削鋼—提高刀具壽命30倍，降低成本、節(jié)約能源。硬質(zhì)合金與金屬陶瓷—高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化，用于刀具、磨具、軋輥、軸承等領(lǐng)域。高溫合金與難熔合金—超過1300℃有很高強(qiáng)度，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)等。第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月6.金屬材料的研究現(xiàn)狀6.金屬基復(fù)合材料—高比強(qiáng)度、高比彈性模量，用于航空航天等領(lǐng)域。7.共晶合金定向凝固材料—超高溫下呈現(xiàn)更高強(qiáng)度，用于制造渦輪葉片等。8.金屬非晶及微晶材料—通過快速冷凝而得到，如金屬玻璃、金屬微晶材料。前者具有超耐腐蝕性、高磁導(dǎo)率、低熱脹系數(shù)等，用于變壓器鐵心；后者具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗疲勞斷裂性等。9.金屬間化合物—原子按照金屬健與部分共價鍵結(jié)合，高溫強(qiáng)度高、抗氧化性好、彈性模量高、密度低，應(yīng)用于多領(lǐng)域。10.納米金屬材料—顆粒徑＜100nm的金屬材料，具有超導(dǎo)性。用于電子工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等。第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章金屬材料的主要性能教學(xué)重點：金屬材料的力學(xué)性能（表達(dá)方式、測定方法、單位量綱、物理意義）

教學(xué)難點：拉伸曲線（F-Δl或б-ε曲線）特點；硬度實驗過程第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能是指金屬材料在受外力作用時所反映出來的固有性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月一、強(qiáng)度與塑性

強(qiáng)度:材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或斷裂的能力。塑性:材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形而不破壞的能力。

拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)試件第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線F——Δl：載荷伸長量拉伸曲線σ——ε：應(yīng)力應(yīng)變曲線第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月σ=F/Aoε=△L/L0分別以σ和ε為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與拉伸曲線完全相似，只是坐標(biāo)與數(shù)值不同。oe——彈性變形階段；es——屈服階段；sb——強(qiáng)化階段；bk——縮頸階段s-屈服點b-開始發(fā)生縮頸現(xiàn)象退火低碳鋼力-伸長曲線

第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月屈服極限S強(qiáng)化階段彈性極限P屈服階段強(qiáng)度極限B頸縮階段彈性階段第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)度指標(biāo)1.屈服點

在拉伸試驗過程中，外力不增加(保持恒定)，但試樣仍然能繼續(xù)伸長(變形)，這種現(xiàn)象稱屈服。S點稱屈服點，S點對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服點應(yīng)力。用符號σs表示。屈服點應(yīng)力σs可按下式計算：

σs=Fs/A0(MPa)式中：Fs—試樣屈服時的載荷，N；

A0—試樣原始橫截面積，mm2。第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2．抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力值，用符號σb表示，單位為Mpa，即σb=Fb

/A0(Mpa)式中：Fb—試樣承受的最大載荷，N；

A0—試樣原始橫截面積，mm2。

第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月屈服點應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計機(jī)械和選擇、評定金屬材料時有重要意義。機(jī)械零件多以σs作為強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)。對于脆性材料，在強(qiáng)度計算時，則以σb為依據(jù)。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性指標(biāo)(1)伸長率δ

δ=（L1-L0）/L0×100%式中：

L0—試樣原標(biāo)距的長度（mm）L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)斷面收縮率φ

斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對收縮值。

φ=（A0-A1）/A0×100%

式中：A0—試樣的原始截面積（mm2）A1—試樣斷面處的最小截面積（mm2）δ和φ愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、硬度固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月布氏硬度布氏硬度試驗原理圖

式中：F—試驗力，N；D—壓頭的直徑,mm

HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測出的硬度值。單位面積所受的力值即為硬度第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月洛氏硬度洛氏硬度試驗原理圖

試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。

第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月布氏硬度與洛氏硬度的特點比較

布氏硬度的特點：

布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。

由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。

通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。

第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月洛氏硬度的特點：

洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。

但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。

第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、沖擊韌度（ak）

有些機(jī)件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機(jī)的起落架等。瞬時沖擊引起的應(yīng)力和應(yīng)變要比靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變大得多，因此在選擇制造該類機(jī)件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月TITANICTITANIC的沉沒與船體材料脆性斷裂失效有關(guān)!!!第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月夏比沖擊試驗

試驗原理

ak=AK/A（J·cm-2）

式中：Ak—折斷試樣所消耗的沖擊功（J）

A—試樣斷口處的原始截面積（mm2）

沖擊韌度：第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是夏比Ｕ形缺口試樣，另一種是夏比Ｖ形缺口試樣同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其Ｕ形試樣的ak值明顯大于Ｖ形試樣的ak，所以這兩種試樣的值ak不能相互比較。對于脆性材料試樣一般不開缺口。