金屬工藝學(xué)第五版cp11幻燈片課件

金屬工藝學(xué)

緒論什么叫金屬工藝學(xué)？

是一門(mén)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(guò)程和結(jié)構(gòu)工藝性；（3）常用金屬材料性能對(duì)加工工藝的影響等。金屬工藝學(xué)中涉及到的知識(shí)點(diǎn)在機(jī)械制造工程中的地位。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(dòng)第一篇金屬材料導(dǎo)論1.材料工業(yè)的重要程度歷史學(xué)家把人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展按其使用的材料類(lèi)型劃分為石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代，而今正處于人工合成材料的新時(shí)代。我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國(guó)家之一商朝的青銅器春秋戰(zhàn)國(guó)的鐵器人工合成材料金屬M(fèi)etal復(fù)合材料Composites陶瓷Ceramic高分子Polymer2.工程材料的分類(lèi)按屬性分類(lèi)：金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料2.工程材料的分類(lèi)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(lèi)別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術(shù)也不同。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(guò)金屬鍵結(jié)合而成的一類(lèi)固體材料。金屬材料鐵合金：鋼、鑄鐵非鐵合金：銅、鋁、鈦、鎂及其合金公元前6000年：人類(lèi)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(guó)人開(kāi)始使用鐵公元18世紀(jì)末：瓦特(JamesWatt,1736～1819，英國(guó))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4.金屬材料的發(fā)展歷史1820年：（英）法拉第開(kāi)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(guó)和瑞典研制出粉末高速鋼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(kāi)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(yáng)”工業(yè)了哪？？否。金屬材料具有其他材料不能完全取代的獨(dú)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(guò)1300℃有很高強(qiáng)度，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等。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(guò)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(jià)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。第一章金屬材料的主要性能教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能（表達(dá)方式、測(cè)定方法、單位量綱、物理意義）

教學(xué)難點(diǎn)：拉伸曲線(xiàn)（F-Δl或б-ε曲線(xiàn)）特點(diǎn)；硬度實(shí)驗(yàn)過(guò)程第一節(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(shí)所反映出來(lái)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)。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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件低碳鋼拉伸曲線(xiàn)鑄鐵拉伸曲線(xiàn)F——Δl：載荷伸長(zhǎng)量拉伸曲線(xiàn)σ——ε：應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)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(xiàn)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的形狀與拉伸曲線(xiàn)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(diǎn)b-開(kāi)始發(fā)生縮頸現(xiàn)象退火低碳鋼力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)

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頸縮階段彈性階段強(qiáng)度指標(biāo)1.屈服點(diǎn)在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，外力不增加(保持恒定)，但試樣仍然能繼續(xù)伸長(zhǎng)(變形)，這種現(xiàn)象稱(chēng)屈服。S點(diǎn)稱(chēng)屈服點(diǎn)，S點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)屈服點(diǎn)應(yīng)力。用符號(hào)σs表示。屈服點(diǎn)應(yīng)力σs可按下式計(jì)算：

σs=Fs/A0(MPa)式中：Fs—試樣屈服時(shí)的載荷，N；

A0—試樣原始橫截面積，mm2。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(hào)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。

屈服點(diǎn)應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義。機(jī)械零件多以σs作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于脆性材料，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以σb為依據(jù)。塑性指標(biāo)(1)伸長(zhǎng)率δ

δ=（L1-L0）/L0×100%式中：

L0—試樣原標(biāo)距的長(zhǎng)度（mm）L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）(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(duì)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。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(cè)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(zhuān)門(mén)儀器來(lái)測(cè)試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)原理圖

式中：F—試驗(yàn)力，N；D—壓頭的直徑,mm

HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測(cè)出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值。單位面積所受的力值即為硬度洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)原理圖

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

布氏硬度與洛氏硬度的特點(diǎn)比較

布氏硬度的特點(diǎn)：

布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問(wèn)題，不能試驗(yàn)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(yàn)也有困難。

通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。

洛氏硬度的特點(diǎn)：

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(cè)硬度值的重復(fù)性也差。

三、沖擊韌度（ak）

有些機(jī)件在工作時(shí)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(chē)變速齒輪、飛機(jī)的起落架等。瞬時(shí)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(lèi)機(jī)件的材料時(shí)，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。TITANICTITANIC的沉沒(méi)與船體材料脆性斷裂失效有關(guān)!!!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(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。試驗(yàn)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(duì)組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。夏比沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)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：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(duì)于脆性材料試樣一般不開(kāi)缺口。

四、疲勞強(qiáng)度工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)一定循環(huán)周次后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)之為疲勞。零件的疲勞斷裂過(guò)程可分為裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展和瞬間斷裂三個(gè)階段。疲勞的概念:

金屬材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度。

材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對(duì)