第一章金屬材料的性能課件

金屬材料及零件加工10/17/2023金屬材料及零件加工10/8/20231材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。

復(fù)合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料10/17/2023材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。復(fù)合材料工程材料金2零件的生產(chǎn)工藝過程選材選毛坯預(yù)先熱處理機(jī)械加工最終熱處理檢驗(yàn)應(yīng)根據(jù)零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環(huán)境等：其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價格等多方面考慮。10/17/2023零件的生產(chǎn)工藝過程選材選毛坯預(yù)先熱處理機(jī)械加工最終熱處理檢驗(yàn)3毛坯選擇車削傳統(tǒng)的有現(xiàn)代的有有液態(tài)成形毛坯塑性成形毛坯連接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯車削、刨削、銑削拉削、鏜削、磨削等數(shù)控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法機(jī)械加工方法10/17/2023毛坯選擇車削傳統(tǒng)的有現(xiàn)代的有有液態(tài)成形毛坯塑性成形毛坯連接成4

一個具體零件的加工往往可用多種不同的加工方法，而每種加工方法所能達(dá)到的加工精度、加工質(zhì)量、加工范圍、加工效率是不同的。

預(yù)先熱處理：

為使切削加工能順利進(jìn)行，可通過預(yù)先熱處理調(diào)整硬度，為切削加工做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理：使材料的性能達(dá)到要求。10/17/2023一個具體零件的加工往往可用多種不同的加工5參考書目[1]鄧文英、郭曉鵬，金屬工藝學(xué)（第四版）（上、下），北京：高等教育出版社，2000[2]戴枝榮，工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（1）——工程材料，北京：高等教育出版社，1998[3]張萬昌，工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2）——熱加工工藝基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，2000[4]吳桓文，工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（3）——機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，2000[5]傅水根，機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)，北京：清華大學(xué)出版社，1998[6]王俊彪，材料的先進(jìn)成形技術(shù)，北京：高等教育出版社，2002[7]翁世修、吳振華，機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，上海：上海交通大學(xué)出版社，1999[8]盧秉恒，機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999[9]吉衛(wèi)喜，機(jī)械制造技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001[10]施江瀾，材料成形技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001[11]宋昭祥，機(jī)械制造基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002[12]孔德音，機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200110/17/2023參考書目[1]鄧文英、郭曉鵬，金屬工藝學(xué)（第四版）（上、下6一、金屬材料的歷史地位1.材料發(fā)展與社會進(jìn)步有著密切關(guān)系,它是衡量人類社會文明程度的標(biāo)志之一。金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)。石器時代（公元前10萬年）→青銅器時代(公元前3000年)→鐵器時代（17世紀(jì)）2.目前，人類還處在金屬器時期。雖然無機(jī)非金屬材料、高分子材料的使用量與日俱增，但在可預(yù)見的時期內(nèi)，仍不會改變這種狀況。10/17/2023一、金屬材料的歷史地位1.材料發(fā)展與社會進(jìn)步有著密切關(guān)系,它7金屬材料二、金屬材料的分類黑色

金屬有色金屬鑄鐵鋼工程構(gòu)件用鋼機(jī)器零件用鋼

工具鋼

特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼)輕金屬(鋁,鎂,鈦)

重金屬(銅,鋅,鉛,鎳)

貴重金屬(金,銀)稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷)

放射金屬(鐳鈾釷)結(jié)構(gòu)金屬材料功能金屬材料10/17/2023金屬材料二、金屬材料的分類黑色有色鑄鐵鋼工程構(gòu)件用鋼8三、金屬材料的發(fā)展熱點(diǎn)1．繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高、低溫、抗腐蝕等性能。2．非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)合金材料、金屬納米材料。3．特殊條件下應(yīng)用的金屬材料低溫、高壓、高溫、外場以及輻照條件材料的結(jié)構(gòu)、組織和性能的研究。4．材料的設(shè)計及選用科學(xué)化按照指定的性能對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、成分的科學(xué)設(shè)計。10/17/2023三、金屬材料的發(fā)展熱點(diǎn)1．繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料109四、本課程的內(nèi)容金屬材料的性能金屬材料的熱處理碳鋼、合金鋼鑄鐵、有色金屬及合金金屬材料的加工

10/17/2023四、本課程的內(nèi)容10/8/202310第一章金屬材料材料的性能金屬材料性能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理和化學(xué)性能鑄造性可鍛造性焊接性切削加工性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能材料在加工中所表現(xiàn)的性能10/17/2023第一章金屬材料材料的性能金屬材料性能使用性能工藝性能力學(xué)11第一節(jié)力學(xué)性能指材料在外力或能量以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出的變形和破斷的特性力學(xué)性能載荷主要力學(xué)性能指標(biāo)彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度沖擊韌性、疲勞特性、耐磨性變形材料在外力作用下所發(fā)生的形狀和尺寸的變化彈性變形外力去除后可以恢復(fù)的變形塑性變形外力去除后不能夠恢復(fù)的變形10/17/2023第一節(jié)力學(xué)性能指材料在外力或能量以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出的12拉伸試驗(yàn)及曲線拉伸試驗(yàn)評價材料力學(xué)性能最簡單和最有效的方法就是測定材料的拉伸試驗(yàn)10/17/2023拉伸試驗(yàn)及曲線拉伸試驗(yàn)評價材料力學(xué)性能最簡單和最有效的方法就13低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線=P/F應(yīng)力應(yīng)變=L/Lε

σ

0A'AD彈性極限載荷極限載荷E比例極限載荷屈服強(qiáng)度σbσsσpCB10/17/2023低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線=P/F應(yīng)力應(yīng)變=141、彈性與剛度指不產(chǎn)生永久變形的能力材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力E標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，以表示材料的剛度；E越大，材料越不易發(fā)生彈性變形彈性模數(shù)E衡量彈性剛度剛度由E

=σ/ε決定零件剛度零件抵抗彈性變形的能力材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值σ/ε零件剛度是材料E和零件形狀與截面尺寸的函數(shù)。提高零件剛度的辦法是增加橫截面積或改變截面形狀10/17/20231、彈性與剛度指不產(chǎn)生永久變形的能力材料在外力作用下抵抗彈性152、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力屈服強(qiáng)度試件屈服時承受的最小應(yīng)力σs；基本上所有的機(jī)械零件都不允許塑性變形，所以強(qiáng)度計算常用屈服極限σs根據(jù)外力的作用方式，有多種強(qiáng)度指標(biāo)，如：抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等等。其中以拉伸試驗(yàn)所得的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛屈服應(yīng)力不增加，但應(yīng)變增加的現(xiàn)象注：工程上規(guī)定，把試件產(chǎn)生的塑性變形為標(biāo)距長度的0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示屈服極限是具有屈服現(xiàn)象的材料所特有的強(qiáng)度指標(biāo)，除低碳鋼、中碳鋼等少數(shù)合金鋼之外，大多數(shù)合金都沒有屈服現(xiàn)象。在工程結(jié)構(gòu)上或機(jī)器工作時是不允許材料發(fā)生塑性變形的，因此屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計和選材的重要依據(jù)之一10/17/20232、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗塑性變形和16CD段位均勻塑性變形階段，在這一階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加，產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化D點(diǎn)以后，試樣的局部截面積開始急劇縮小，形成縮頸。試樣承受拉伸力的能力逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)E點(diǎn)時，試件斷裂?？估瓘?qiáng)度定義試件斷裂前所承受的最大拉力，用σb表示抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，其值越大，說明材料抵抗斷裂的能力越強(qiáng)塑性材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力塑性的常用指標(biāo)伸長率δ＝(L1-L0)

/L0×100%L0為原長，L1為斷裂后長度；斷面收縮率ψ＝(F0-F1)/F0×100%F0為試件原始截面積，F(xiàn)1為斷口處的截面積δ和ψ愈大，材料的塑性愈好，通常ψ更接近真實(shí)應(yīng)變10/17/2023CD段位均勻塑性變形階段，在這一階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加，173、硬度定義：材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)；多用壓入法測定硬度布氏硬度(HB)洛氏硬度(HR)維氏硬度(HV)根據(jù)測定方法的不同注：各硬度值相互之間不能直接比較，只能通過硬度對照表換算硬度是一個由材料的彈性、強(qiáng)度、塑性、韌性等一系列不同力學(xué)性能組成的綜合性能指標(biāo)，它是標(biāo)志產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)硬度測試設(shè)備和方法都非常簡單，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，而且一般還可在零件上直接試驗(yàn)而不破壞零件，在零件圖紙上，已成為為一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。10/17/20233、硬度定義：材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟18布氏硬度(HB)試驗(yàn)用壓頭為一淬火鋼球過硬材料會使鋼球變形甚至破壞它的使用范圍不能超過HB450對金屬來講，只適用于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定壓痕大，不能用于太薄件或成品件10/17/2023布氏硬度(HB)試驗(yàn)用壓頭為一淬火鋼球過硬材料會使鋼球變19洛氏硬度(HR)優(yōu)點(diǎn)根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷HRA、HRB、HRCHRA適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層HRB適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等HRC適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等HR操作簡便、迅速壓痕小，可測量成品件硬度值可直接從表盤上讀出注：因壓痕小，受材料組織不均勻因素很大，所以對同一測試件，應(yīng)在不同部位測取三點(diǎn)后取平均值10/17/2023洛氏硬度(HR)優(yōu)點(diǎn)根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷HR20維氏硬度(HV)維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同不同點(diǎn)是壓頭為金剛石四方角錐體，所加負(fù)荷較小優(yōu)點(diǎn)：2、維氏硬度值比布氏、洛氏精確1、深度淺3、改變負(fù)荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度10/17/2023維氏硬度(HV)維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同不同點(diǎn)是壓214、沖擊韌性定義：材料在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力αk是在一次試驗(yàn)中，單位截面積上所消耗的沖擊功，單位J/cm2表示方法：特點(diǎn)：αk值愈大，材料韌性愈好αk值低的材料稱為脆性材料αk值隨溫度的下降而下降冷脆現(xiàn)象材料的沖擊韌性隨試驗(yàn)的溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，韌性值發(fā)生急劇降低的現(xiàn)象擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)10/17/20234、沖擊韌性定義：材料在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不225、疲勞定義：材料在交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，而且沒有塑性變形征兆的現(xiàn)象特點(diǎn)：突發(fā)性，沒有先兆疲勞極限材料在規(guī)定次數(shù)（鋼材為107次，有色金屬及合金取108次）交變應(yīng)力作用下而不引起疲勞斷裂的最大應(yīng)力用σr表示提高疲勞強(qiáng)度的方法1、選擇合適的材料；2、注意結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，提高表面粗糙度，進(jìn)行表面強(qiáng)化。大小或方向隨時間而變化的載荷10/17/20235、疲勞定義：材料在交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度23第二節(jié)材料的物理、化學(xué)性能化學(xué)性能物理性能密度熔點(diǎn)熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)電性磁性耐腐蝕性抗氧化性10/17/2023第二節(jié)材料的物理、化學(xué)性能化學(xué)性能物理性能密度耐腐蝕性1024物理性能密度熔點(diǎn)熱膨脹性材料單位體積的質(zhì)量密度小于5103Kg/m3的金屬稱為輕金屬密度大于5103Kg/m3的金屬稱為重金屬材料的熔化溫度陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點(diǎn)材料受熱后的體積膨脹，通常用線膨脹系數(shù)表示對精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個非常重要的性能指標(biāo)10/17/2023物理性能密度熔點(diǎn)熱膨脹性材料單位體積的質(zhì)量密度小于525物理性能磁性導(dǎo)熱性材料熱傳導(dǎo)的能力；用其導(dǎo)熱系數(shù)來表示制件材料的導(dǎo)熱性愈差零件在加熱或冷卻時，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差膨脹不同，便會產(chǎn)生破裂金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于非金屬材料在金屬中，以銀為最好，銅和鋁次之材料能導(dǎo)磁的性能10/17/2023物理性能磁性導(dǎo)熱性材料熱傳導(dǎo)的能力；用其導(dǎo)熱系數(shù)來表示26物理性能導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性一般用電阻率表示金屬的電阻率隨溫度升高而增加，而非金屬材料則與此相反金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，銀的導(dǎo)電性最好，銅、鋁次之10/17/2023