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1、模块一常用工程材料及选用,任务1-1认识金属材料的性能 任务1-2了解金属材料的知识 任务1-3探析钢的热处理工艺 任务1-4识别常用的工程材料 任务1-5掌握典型零件的选材 任务1-6拓展知识:钢铁冶炼及质量检验 任务1-7案例教学:归纳工程材料的应用,任务1-1认识金属材料的性能,认识金属材料及性能要求 工程材料通常可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等;工艺性能是指铸造性、锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性等。 在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才能根据零件的技术要求，合理地
2、选用所需的金属材料。,下一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,金属材料的使用性能 金属材料的力学性能 力学性能是指金属在外力作用下所显示的，与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。用于表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各种损伤作用能力的大小，也是金属制件设计时选材和进行强度计算的主要依据。 强度 强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂的能力。工程上常用屈服点、抗拉强度作为强度判据。测定金属强度判据的常用方法是拉伸试验。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,试验前，将
3、被测金属材料制成标准拉伸试样(GB/T 6397 1986)。比较常用的试样截面为圆形，称为圆形拉伸试样，如图1-2所示。 试验时，将拉伸试样夹在拉伸试验机上，缓慢增大拉伸力。随拉伸力不断增加，试样伸长量也不断增加，直至试样被拉断。在整个拉伸过程中，试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形(伸长)量描绘在坐标图上，即得到拉伸力和伸长量的关系曲线，称为力伸长曲线(或拉伸曲线)，如图1-3所示。 金属材料拉伸时的强度用应力来度量。受外力作用后，导致物体内部之间的相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，用符号表示。强度的主要判据有弹性极限、屈服点(或屈服强度)和抗拉强度。,下一页,上一页,返回,
4、任务1-1认识金属材料的性能,弹性极限 弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，用符号e表示，单位为Mpa Fe试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力(N); A0试样原始横截面积(mm2) 屈服点 屈服点是指试样在试验中力保持恒定仍能继续伸长(变形)时的应力,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,Fs产生屈服时的拉伸力(N); A0试样原始横截面积(mm2 )。 零件工作时，一般不允许产生塑性变形。因此，屈服点是设计和选材时的主要参数。 抗拉强度 抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力 Fb试样拉断时的最大拉伸力(N) b表征了材料对最大均匀塑性变形或断裂的抵
5、抗能力。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,塑性 塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，其主要判据为断后伸长率和断面收缩率。它们也是通过拉伸试验测得的。 断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后标距伸长与原始标距的百分比 l1试样拉断后的长度(mm) ; l0试样的原始标距长度(mm),下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 A1 试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm2) A0 试样最初最小横堆面积(mm2) 硬度 硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
6、硬度是衡量材料软硬程度的判据。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,硬度试验的方法较多，最常用的是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。这里主要介绍布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法的有关知识。 布氏硬度试验原理如图1-4所示，用直径为D的硬质合金(或淬火钢)球作压头，以相应试验力F压入试件表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，得到一直径为d的压痕。用试验力除以压痕表面积，所得值即为布氏硬度值，用符号HBW(或HBS)表示。 由于各种材料软硬程度不同，工件薄厚、大小不同，因此在布氏硬度试验时，应选用不同的试验力、不同直径的压头和试验力保持时间。通常采用的压头为10mm的硬
7、质合金球，试验力保持时间为:钢铁材料1015s;非铁金属30s,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,洛氏硬度试验是采用顶角为120 的金刚石圆锥或直径为1. 588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，应按规定的保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验方法。如图1-5所示 洛氏硬度用符号HR表示，即 为使同一硬度计能测试不同硬度范围的试件，可采用不同的压头和试验力。根据压头和试验力不同，洛氏硬度有不同的标尺，常用的有HRA、HRB和HRC三种，其中HRC应用最广。洛氏硬度的表示方法为:在符号前面写硬度值，如
8、62HRC, 80HRA等。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-1,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,洛氏硬度与布氏硬度(220HBS时)有以下近似关系: 1 HRC 10 HBS 冲击韧度 冲击韧度是在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力。常用试样破坏时所消耗的功来表示。 冲击韧度的测定方法(图1-6)是:将待测材料制成标准缺口试样图(图1-6(a)。把试样放入试验机支座C处，使一定重量G的摆锤自高度h1自由落下，冲断试样后摆锤升到高度h2，则冲断试样所消耗的冲击功Wk=G (h1 h2)。这可在冲击试验机的刻度盘上指示出来。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料
9、的性能,冲击韧度的大小用k表示 疲劳强度 疲劳强度是在规律性变化应力的长期作用下，材料抵抗破坏的能力。显然，材料的疲劳强度的大小与应力的变化次数有关。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,金属材料的物理和化学性能 物理性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点，热膨胀性、导热性和导电性等。 化学性能 化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。工艺性能实质上是力学、物理、化学性能的综合表现。金属材料
10、常用铸造、压力加工、焊接和切削加工等方法制造成零件。各种加工方法对材料提出了不同的要求。 铸造性能 铸造性能指浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性能。流动性、收缩率、偏析倾向是表示铸造性能好坏的指标。 锻造性能 锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。金属材料的可锻性是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。,下一页,上一页,返回,任务1-1认识金属材料的性能,焊接性能 焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。金属材料的可焊性是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。 加工性能 切削加工性能指对工件材料进行切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料
11、本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何形状等有关。,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,了解金属材料的化学成分与组织结构 金属材料的性能不仅决定于它们的化学成分，而且还决定于它们的内部组织结构。例如，含碳量不同的钢，强度、硬度、塑性各异。即使化学成分相同，组织结构不同时其性能也会有很大的差别。,下一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,金属及合金的结晶 金属的晶体结构 固体物质中原子排列有两种情况:一是原子呈周期性有规则的排列，这种物质称为晶体。二是原子呈不规则的排列，这种物质称为非晶体。固态金属及合金一般都是晶体，而且大都属于多晶体，它是由许多方位各不相同的单晶体块组成的，如
12、图1-7所示。每个单晶体的外形为不规则的颗粒状，通常把它称为“晶粒”。晶粒之间的分界面叫晶界。单晶体具有各向异性的特征，多晶体的性能是各不同方位单晶块的统计平均性能，因而显示出各向同性。,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,金属的结晶过程 液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态变为按一定的几何形状作有序排列。金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程，称为结晶。 金属的冷却曲线与过渡 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。每种金属都有一定的理论结晶温度，常用T0表示。金属的结晶过程可用冷却曲线(图1-8)表示。 过冷是金属结晶的必要条件，但结晶时的过冷度不是一
13、个恒定值，它与过冷速度有关，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大，一般工业金属的过冷度都不超过10 30 ,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,结晶过程 大量的实验证明，金属结晶是由三个密切联系的基本过程实现的，即孕育:在金属液体内形成与固体结构相同的小晶胚;生核:在过冷金属液体中一定尺寸的晶胚成为结晶的核心一晶核(有规则排列的原子集团);长大:每一晶核吸收其周围的原子呈有规则排列而逐步长大为一小晶体，直至全部晶体扩大到相互接触，液体金属完全消失，结晶即告完成，最后形成许多大小不一、外形不规则的晶体。图1-9为结晶示意图。但要注意，结晶的三个基本过程是同时进行的，主要是晶核不断生
14、成和不断长大的过程。,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,影响晶粒大小的因素 凡是能促进晶核生成和抑制晶粒长大的因素，都能细化晶粒。过冷度和难熔杂质是影响晶粒大小的两个主要因素。提高冷却速度，增大过冷度，可使晶粒变细。难熔杂质对细化晶粒的作用i一分明显。因此，在生产实践中，常用向液态金属加入难熔固态物质的方法，增加晶核数目，细化晶粒。难熔的固态物质称为“孕育剂”，这种处理方法称为“孕育处理”或“变质处理”。 晶粒大小与力学性能的关系 晶粒大小对金属材料的力学性能有很大影响。晶粒细小，则强度、硬度较高，塑性、韧性较好。晶粒粗大，则力学性能明显下降。,下一页,上一页,返回,任务1-
15、2了解金属材料的知识,金属的同素异构转变 为便于分析比较各种晶体内部原子的排列规则，通常将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架称为晶格。 多数金属结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属(如铁、锰等)在固态下晶格结构会随温度的变化而发生改变。金属在固态下发生晶格变化的过程，称为金属的同素异构转变。 金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程，亦应遵守前述结晶的一般规律。,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,合金的结构 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。组元通常是元素，也可以是稳定的化合物。由两
16、个组元组成的合金，称为二元合金;由三个组元组成的合金，称为三元合金，等等。 合金的结构比纯金属复杂。在固态时合金的结构一般可分为以下三类: 固溶体 合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类型相同的合金，称为固溶体。,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,金属化合物 金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性的化合物。其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可用分子式表示。 金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。 机械混合物 组成合金的各组元，在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物。其各相仍保持原来的晶格结构和性能。所以，机械混合物的性能取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况。,下一页,上一页,返回,任务1-2了解金属材料的知识,铁碳合金 铁碳合金的墓本组织 在铁碳合金中，铁和碳的结合方式为:在液态时，铁和碳可以无限互溶;在固态时，碳可溶解在铁中形成固溶体，或与铁形成化合物(Fe3C,
