金工)第1.2.3章金属材料性能晶格状态图.ppt

金属工艺学,,《金属工艺学》是一门研究金属性质、铸造、锻压、焊接和切削加工的综合性的专业基础课通过对金属工艺学内容学习，了解和掌握金属材料及机械零件加工工艺的基础知识，为学习后续有关课程，并为以后从事涉及机械设计与制造方面的工作打下良好的基础工科院校学生学习本课程的目的和意义:,金属工艺学的主要内容,机械工程材料基础,热加工工艺基础,机械加工工艺基础,,金属材料与热处理,,,铸造、锻压与焊接,,切削加工、表面加工,工业技术学课程基本要求,1、了解机械产品的生产过程和机械制造厂的生产结构 2、了解常用金属材料的性能、用途和牌号 3、了解各种主要加工方法的工艺特点及其基本原理 4、了解机械制造厂各种主要设备和工具的工作原理和应用范围机械的种类,机器：由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用的功的装置 机械：利用力学原理组成的各种装置、杠杆、滑轮、机器以及枪炮等都是机械 机械按其功能可分为三类： 1、产生机械能的机械它可将其它种类的能转变为机械能，称为原动机，例如蒸汽机、柴油机、电动机等 2、转变机械能的机械和前者相反，它可将机械能转变为其它种类的能，称为变换机，例如发电机、空气压缩机等 3、利用机械能的机械。

它用来改变原材料或工件的性质、状态、形态和位置等，称为工作机，例如各种机床、锻锤、农业机械、采掘机、汽车等机械产品制造的过程,产品设计,,工艺设计,,选 材,熔 炼,铸 造,下 料,钣金加工,下 料,机械加工,焊 接,锻 压,热 处 理,机械加工,或表面处理 最终热处理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,装配检验,包装出厂,,,机械零件常规制造工艺流程,,设计 真正的设计是一门艺术 设计是一种构思设计一般是根据用户的需要，由技术部门来完成的一项先行工作对机械产品的设计要求，必须是技术要先进，机械化（尽量不用手工操作）和自动化（数控、自动线、流水线）程度要高；性能要好（无噪音、平稳）；工作可靠和安全；以及成本低,设计过程一般有三个阶段：,a、确定极限参数；例如设计一部车床，首先就要确定最大车削长度，和最大回转直径两个重要参数 b、受力分析和计算；确定参数后，就要进行草图设计，根据草图进行受力部分的分析和计算，以便选取不同的材料，保证受力零件在工作过程中安全可靠 c、绘制机械总图、各个部件装配图和零件工作图，编制技术说明书课程性质、任务和学习要求,课程性质 专业基础课(为学习管理等专业课打基础) 学习任务和要求 1）掌握常用金属材料的主要性能； 2）掌握零件的加工工艺知识； 3）了解零件加工工艺所涉及的基本设备。

材料导论,金属材料的作用 材料与人类的出现和进化有着密切的联系，因而它们的名字已经作为人类文明的标志例如，石器时代、青铜时代和铁器时代 公元前16世纪以前的殷商时代，已大量使用青铜，并已具有高超的冶铸技术和精湛的艺术造诣；公元前4世纪以前的春秋战国时期出现了铁器，铸铁的生产比欧洲约早一千多年 我国的钢产量在1996年突破了一亿吨，达到世界第一★世界四大材料： 钢铁、木材、塑料、水泥 (如生产一根“轴”),★材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料—指钢铁、有色金属等材料,非金属材料—无机高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶）， 复合材料---玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料★现在新材料----纳米材料、智能材料,材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱,★ 材料按物质结构不同分： 金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料 ★ 材料按用途不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 ★ 材料按功能不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等,材料发展概括,,▲ 《天工开物》—明朝科学家：宋应星 箸,▲ 石器时代,,陶器时代,,铜器时代：,司母戊鼎（公元前11—16世纪）1130×780×1100,战国编钟（前475—221年）65个 总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝,泥巴（日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具）,,铁器时代 沧州大狮（公元953年 ）重50T ,长5.3m,宽3m,,人工复合材 料,塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,《本草纲目》,《农政全书》,—李时珍,—徐光启,★ 智能材料,通宽5.35米，身长6.30米，身高6.6米，体宽3.0米，重约40吨，素有“狮子王”的美誉,沧州铁狮子,,工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。

金属材料是现代制造机械的最主要材料主要是由于它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能： 1、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等 2、较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等第一章）,,,,,,,金属材料以合金为主，很少使用纯金属 合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料 最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金第1章 金属材料的主要性能,教学重点：金属材料的力学性能 教学难点：б-ε曲线特点,第1节 金属材料的力学性能,力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据 金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等一、强度与塑性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L0,LK,,d0,,拉断前试样,拉断后试样,试样按GB6397—86制取，分长试样L0=10d0,短试样 L0=5d0,说明：,,,,,,b,k,s,e,,,,,,,拉伸力 F,O,伸长量 △L,Fs,Fb,Fe,低碳钢的力—伸长曲线,,,F,F,,,拉伸过程经历四个阶段：,1. 弹性变形（OS） Oe段：直线阶段，完全弹性变形 eS段：极微量塑性变形,2．屈服（s点）,弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。

塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形3．均匀塑性变形阶段：（sb） 4．缩颈（bk）-局部集中塑性变形,应力:σ=F/A0 （MPa） 应变:ε=△L/L0,,抗拉强度σb： 金属材料被拉断前所能承受的最大应力 σb=F b/A 0,强度:是指金属抵抗永久变形和断裂的能力 屈服强度σs： 材料开始明显塑性变形的抗力 ，即产生屈服现象时的应力 σs=F s/A 0,,,弹性极限σe： 材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力 σe=F e/A 0,1、强度（strength）,说明： —单位面积上的内力称应力读[sigm],L—长度 Length 单位：mm,A—截面积 Area 单位：mm2,F—外力 Force 单位：N,s—屈服点的值（选择锻压设备外力的依据） 单位 ：MPa（兆帕）mega pascal,,◆屈服点,概念：力不增加仍能继续伸长时的应力用符号：s 表示,◆抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力用b表示,,补充：bb 表示抗弯强度,注：s 、 b 是设计与选材的重要依据→ b校核零件安全的依据,另：e 表示弹性极限在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。

中、高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服现象，国家标准以产生0.2%塑性变形的应力来表示屈服强度，即： σ0.2=F0.2/A0,,屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义 机械零件多σs以作为强度设计的依据对于脆性材料在强度计算时，则以σb为依据2、塑性 plasticity,概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力判据：断后伸长率 、断后断面收缩率,◆断后伸长率 Percentage elongation after fracture,概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比用符号  表示，读作 [代儿特],,其中：Lk—断后试样长度 Lo—试样原始长度,◆断后断面收缩率,概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比用符号 表示， 读作[扑洒哎],说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小、 Ψ越大，材料的塑性越好通常认为5%脆性材料Ψ,塑性较早的解释：,塑性:是指金属产生塑性变形而不被破坏的能力 (1) 伸长率δ δ= （L1-L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm） L1—试样拉断后的标距长度（mm）,,(2) 断面收缩率φ 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。

φ= （A0-A1）/A0 ×100% 式中：A0—试样的原始截面积（mm2） A1—试样断面处的最小截面积（mm2） δ和φ愈大，则塑性愈好良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件二、硬度（hardness）,硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性 硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等1.布氏硬度,布氏硬度试验原理图,,式中：F—试验力，N； D—压头的直径,mm,HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值 HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金布氏硬度试验方法优缺点：,优点：测量值较准确，数据重复性强，特别与 σb之间存在一定的关系 经验公式：低碳钢σb ≈0.36HB 高碳钢σb ≈0.34HB 调质合金钢σb ≈0.325HB 缺点：由于淬火钢球本身存在变形问题，不能测量硬度HB＞450的材料，不能测太薄试样，以及压痕较大，容易损坏成品表面根据压头形式和载荷不同有三种标度（HRA, HRB,HRC） ，能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC应用最广，可用于测硬度很高的材料。

HRC=100-(h2-h1)/0.002,当硬度在200~600HB, HRC≈1/10HB,硬度一般不标单位，如200HB, 55HRC,2．洛氏硬度(HR) （以压痕深度表示）,洛氏硬度试验方法优缺点：,优点：操作迅速、简便，可以直接得出硬度值，压痕小，不损坏工件表面，可以测量极硬或软薄的材料 缺点：硬度值不够准确，由于试验印痕小，当金属材料组织不均匀时，有可能打在硬的组织上，也有可能打在软的组织上，这样得不出正确的数据来HR≈10HB,3.布氏硬度与洛氏硬度的特点比较,布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用 由于压痕较大，成品检验也有困难 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度洛氏硬度的特点： 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差三.冲击韧度（ak）,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。

常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断） 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法冲击试验机 1.试验原理,,,式中：Ak—折断试样所消耗的冲击功（J） A—试样断口处的原始截面积（cm2）,对于脆性材料试样一般不开缺口,冲击韧度αK =AK/A,四.疲劳强度,当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定 在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力σ和断裂时。