【PPT课件】机械工程材料

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1、机械工程材料,案例导入,汽车是一种生活中常用的机械产品,用多种材料生产制造出来。以下通过汽车中典型的零件来简单认识一下工程中常用的材料。,某汽车主要零件应用材料,案例导入,问题:(1)常用工程材料有哪些? (2)如何根据零件工作要求选用材料?,某汽车主要零件应用材料,机械工程材料,学习目标,熟悉常用金属材料和非金属材料种类、性能、用途与选用,学习重点、难点,机械工程材料,金属材料 综合性能好,用量最大、应用范围最广 高分子材料 质轻、 耐腐蚀,常用于化工、机械、航 空航天等 陶瓷材料 复合材料 轻、高的比强度、比刚度,结合两种材料的性能优点, 用于航空航天等领域,(1)按化学组成,(2)按用途

2、分,结构材料,利用材料的力学、物理、化学性质,广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等工业部门。,功能材料,利用材料的热、光、电、磁等性能,用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等高新技术领域。,高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘,用于电器、化工、航空航天等,机械工程材料是指机械中常用的材料。,机械工程材料,金属材料是目前应用最广泛的材料,常用的金属材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、非铁金属及合金、金属粉末冶金材料。,常用金属材料应用案例,3.1 金属材料的力学性能,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能(强度、塑性韧性等)物理性能(光、热、电、磁等)化学性能(氧化、腐蚀等),加工性能(切削、锻造等)铸造

3、性能(适合铸造与否)焊接性能(容易焊接与否)热处理性能(可热处理强化),3.1 金属材料的力学性能,3.1.1 金属材料力学性能,比例极限弹性极限屈服点抗拉强度,一、强度和塑性,(1)强度:材料抵抗变形和断裂的能力,3.1 金属材料的力学性能,(2)塑性 塑性是指金属材料在给定载荷外力的作用下,产生永久变形而不被破坏的能力。 伸长率 试件拉断后,工作段的残余伸长量l=l0-l1与标距长度l0的比值,代表试件拉断后塑性变形程度, 称为材料的伸长率,用表示。即 收缩率 试件断口处横截面面积 的相对变化率称为截面收缩率, 用表示,即, 10% 属塑性材料,3.1 金属材料的力学性能,二.硬度 硬度是

4、指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力,表征材料软硬程度的力学性能。划痕法硬度值(莫氏硬度) 弹性回跳法硬度值(肖氏硬度)压入法硬度值(工业中应用广泛) 布氏硬度(HBS)淬火钢球 洛氏硬度(HRC)(锥角为120的金刚石圆锥体) 维氏硬度(HV)(锥面角为136 的金刚石四棱锥体为压头),硬度测试原理,硬度计,3.1 金属材料的力学性能,硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套:布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。,布氏硬度测试原理,洛氏硬度测试原理,维氏硬度测试原理,3.1 金属材料的力学性能,(1)布氏硬度HB,适用范围:,450HBS;,650HB

5、W;,3.1 金属材料的力学性能,(2)洛氏硬度HR,操作简便、压痕小、测量范围大应用最广泛,3.1 金属材料的力学性能,(3)维氏硬度 HV,测量薄板类 ;,HVHBS ;,适用范围:,3.1 金属材料的力学性能,硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套:布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。,3.1 金属材料的力学性能,三.韧性,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,3.1 金属材料的力学性能,三.韧性,冲击韧性:材料抵抗冲击载荷的能力。是材料强度和塑性的综合表现。指标: 冲击吸收功Ak 冲击韧度ak(ak Ak/Fk )应用:评价材料韧性的好坏,与

6、屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。,试样断口截面积,3.1 金属材料的力学性能,3.1.2 金属材料工艺性能 1.焊接性能 金属的焊接性能又叫可焊性,一般是指两块相同的金属材料或两块不同的金属材料,在局部加热到熔融状态下,能够牢固地焊合在一起的性能。焊接性能好的金属,在焊缝部位不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷,同时焊接接头具有一定的机械性能。,常用焊接形式,3.1 金属材料的力学性能,3.1.2 金属材料工艺性能 2.切削性能 切削加工性能是指金属材料在用切削刀具进行加工时,所表现出来的难易程度。它主要用切削速度、加工表面光洁度和刀具耐用度来衡量。通常灰铸铁有良好的切削加工性,钢的硬度在HBW

7、l60-200范围内时,具有良好的切削加工性。,常用切削加工方式,3.1 金属材料的力学性能,3.1.2 金属材料工艺性能 3.压力加工性能 压力加工性能就是指金属材料在压力加工过程中成型的难易程度,例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低(表现为塑性变形抗力的大小),允许热压力加工的温度范围大小,热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。,常用压力成型工艺,3.1 金属材料的力学性能,3.1.2 金属材料工艺性能 4.铸造性能 铸造性能就是指反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度,表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点,铸件显微组织的均

8、匀性、致密性,以及冷缩率等。,典型铸造件,3.2 影响金属材料性能的因素,晶体 物体内部的原子 ( 或分子 ) 在三维空间中 , 按一定规律作有规则排列的固体。所有的金属都是晶体。,性质: 有固定的熔点; 各向异性等。,1.金属的晶体结构,3.2 影响金属材料性能的因素,晶体 物体内部的原子 ( 或分子 ) 在三维空间中 , 按一定规律作有规则排列的固体。所有的金属都是晶体。,性质: 有固定的熔点; 各向异性等。,1.金属的晶体结构,3.2 影响金属材料性能的因素,晶格与晶胞,晶格: 用以描述晶体中原子排列规律的点阵格架。,晶胞: 反映晶格组成的最小几何单元。分析晶体结构常从晶胞入手。,3.2

9、 影响金属材料性能的因素,三种常见的晶体结构,a.体心立方晶格,*晶胞中含:,如:铬 ( Cr ) ;钼 ( Mo ) ; 钨 ( W ) ; 钒 ( V ) ; 9120C以下的铁 ( -Fe ) 等 。,原子数 n= 2个,原子半径,致密度(V原子V晶胞)K= 68%,3.2 影响金属材料性能的因素,b.面心立方晶格,*晶胞中含:,如:铝 ( Al ) ;铜 ( Cu ) ; 镍 ( Ni ) ; 金 ( Au ) ; 1394-9120C的铁 ( -Fe ) 等 。,原子数 n= 4个,原子半径,致密度(V原子V晶胞)K= 74%,3.2 影响金属材料性能的因素,c.密排六方晶格,*晶胞

10、中含:,如:镁 ( Mg ) ;锌 ( Zn ) ; 铍 ( Be ) ; 钛 (-Ti ) 等 。,原子数 n= 6个,原子半径 R=a/2,致密度(V原子V晶胞)K= 74%,晶体结构与性能,晶格中原子排列方式的不同,将引起性能的变化。实验表明:,同为立方晶格时,由于面心晶格的滑移方向多于体心晶格,所以面心立方晶格的金属(Cu,A1)塑性最好。,具有立方晶格的金属(Cu、Al)其塑性优于密排六方晶格的金属(Zn,Mg)。,3.2 影响金属材料性能的因素,晶体缺陷,有点缺陷、线缺陷和面缺陷,晶体中原子排列不完整的区域称为晶体缺陷。,点缺陷,3.2 影响金属材料性能的因素,线缺陷:例如位错。,

11、刃型位错,3.2 影响金属材料性能的因素,面缺陷:例如晶界、亚晶界。,A,B,C,D,实际金属由于生产工艺等多种原因,总是存在缺陷。,3.2 影响金属材料性能的因素,晶体缺陷对变形抗力的影响,缺陷密度高时,晶格畸变严重,滑移变形时位错移动困难,晶体的变形抗力大强度高。,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶格发生畸变,3.2 影响金属材料性能的因素,2.合金的相结构,合金 :由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。,纯金属的强度、硬度较低。工程中常用合金来制作力学性能要求高的机械零件和工模具等。,合金有固溶体和金属化合物两种相结构。,相 :合金中,具有同一化学成分且结构 相同的均匀组

12、成部分。,如(Cu+Zn)黄铜、(Fe+C)碳钢,3.2 影响金属材料性能的因素,溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的相结构。,a.固溶体,固溶体可分为:置换固溶体、间隙固溶体,固溶体的力学性能,原子的溶入导致晶格畸变,滑移变形困难,材料的抗力增加,强度与硬度提高。固溶强化。,3.2 影响金属材料性能的因素,b.金属化合物,渗碳体( Fe3C )晶格,组元相互作用所形成的具有金属特性的化合物结构。,如:铁与碳形成的化合物渗碳体(Fe3C),特点:结构复杂,熔点高、硬而脆。,对性能的影响:提高合金的硬度、耐磨性,降低塑性和韧性。,金属化合物一般不用作合金的基体,通常作为材料强化的第二相。,3.2 影响

13、金属材料性能的因素,合金中各类结构的组合情况称为合金的组织。包括各组成物的数量、大小、形态、分布及相互间结合状态等。,3.合金的组织,a.结晶晶粒,金属结晶时,由同一晶核长大而成的小晶体称为晶粒。,结晶:合金中原子作有规则排列的过程。,3.2 影响金属材料性能的因素,晶粒大小对性能的影响,晶粒愈细强度愈高 晶界多,晶格畸变大,塑性变形抗力也大。晶粒愈细塑韧性愈好 细晶粒的金属,变形均匀,不易开裂破坏。,细晶强化:通过细化晶粒而使材料强度提高的方法。,3.2 影响金属材料性能的因素,合金的二种组织 单一固溶体 机械混合物 固溶体A(基体) + 固溶体B 固溶体 (基体) + 化合物,b.机械混合

14、物,合金中由两相或两相以上组成的多相组织,称为机械混合物。,第二相,第二相,机械混合物组织的性能特点,性能决定于组成相的性能。其中与第二相在基体上的分布特征有密切的关系。,脆性第二相以连续网状分布在晶界上 受力变形时在第二相处将产生严重的应力集中和过早断裂。随着第二相数量的增加,合金的强度和塑性都下降,3.2 影响金属材料性能的因素,另外,弥散分布不影响基体相的连续性,对合金的塑性、韧性影响较小。,第二相以细粒状弥散分布在基体晶粒内部 一方面相界面增多使周围晶格发生畸变,造成滑移抗力增加;更重要的是第二相质点本身成为位错移动的障碍物。,3.2 影响金属材料性能的因素,必须指出,第二相的分布状况

15、是可以改变的,通过恰当的热处理和热变形加工可以改善第二相的分布状况,从而达到改善性能的目的。例如,对于钢铁,通过适当的锻造和热处理消除网状渗碳体,通过调质热处理方式可以使渗碳体以弥散质点的方式分布,从而获得高强度和高韧性。,第二相呈层片状分布在基体相内部随着层片间距的减小,合金的强度增加而塑性有所下降。层片状的第二相对塑性的不利影响比质点状的第二相要大些。,3.2 影响金属材料性能的因素,铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金,是钢和铸铁的统称。由于钢铁材料具有优良的力学性能和工艺性能,在机械工程中成为应用最广泛的金属材料。,3.3 铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织及其性能 1铁素体 铁素体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体,用符号F表示。 铁素体溶解碳的能力很小,727时,达到最大溶碳量0.0218%,其强度、硬度低,塑性、韧性好。 2奥氏体 奥氏体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体,用符号A表示。奥氏体是存在于727以上的高温相。性能与其溶碳量及晶粒大小有关,奥氏体的硬度不高,而塑性、韧性较好。因塑性好便于成形加工,所以生产中钢材大多数要加热至高温奥氏体状态才进行锻压加工。,

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