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1、 工程材料及其成形技术基础 绪论 1本课程的性质本课程是研究材料及其成形方法的技术基础课 它是机械类及近机类各专业必修的一门课程 2学习目的 1 获得常用工程材料及各类成形方法和加工工艺知识 能合理地选材 正确地制定材料的加工程序 2 初步了解与本科程有关的新技术 新材料和新工艺 为学习其它相关课程及以后从事机械设计和加工制造方面的工作奠定必要的理论基础 绪论 5主要知识框架 6参考书 1 材料成形技术基础 何红媛主编 东南大学出版社 2 材料成型工艺基础 沈其文主编 华中理工大学出版社 3 工程材料及应用 周凤云主编 华中科技大学出版社 4 材料成型技术基础 胡亚民主编 重庆大学出版社 5
2、热加工工艺基础 任福东主编 机械工业出版社 工程材料 用于机械 电子 建筑 化工和航空航天等领域的材料统称为工程材料 机械工程材料 用来制造各种机电产品的材料统称为机械工程材料 概述 概述 材料的发展过程 石斧 青铜鼎 神舟飞船 沧州铁狮子 石器时代 铜器时代 铁器时代 复合材料 概述 工程材料的发展过程 40 50年代 材料的发展主要围绕着机械制造业 因此 主要发展以一般力学性能为主的金属材料 50 60年代 压力容器向高强度方向发展更快 发展了高强度低合金钢 60年代以后 由于航空 空间机械和动力机的发展对材料提出了更苛刻的要求 如高温 高压 高的比强度和比模量 20世纪后期 新材料特别是
3、非金属人工合成材料如陶瓷材料 高分子材料及复合材料快速发展 高功能化 超高性能化复合轻量化 智能化 第一章零件对材料的性能要求 化学成分分类 金属材料 有机高分子材料 复合材料 陶瓷材料 黑色金属 有色金属 轻有色金属 重有色金属 稀有金属 铸铁 碳钢 合金钢 塑料 合成橡胶 合成纤维 有机胶粘剂及涂料 硅酸盐材料 新型陶瓷 非金属基复合材料 金属基复合材料 机械工程材料 功能分类 功能材料 用于制造实现其他功能的零件的材料 结构材料 用于制造实现运动和传递动力的零件 机械工程材料 金属材料 具有良好的导电性 导热性 在具有较高的强度的同时 具有良好的塑性成形性 铸造性 切削加工和电加工性等加
4、工性能 通过热处理及表面改性可以大幅度 成倍 改变其性能 1 2工程材料的特征 有机高分子材料 密度小 强度低 比强度高 高于钢铁 较高的弹性 良好的电绝缘性能 优良的减摩 耐磨和自润滑性能 优良的耐腐蚀性能 超过不锈钢 优良的透光性和隔热 隔音性 加工性好 成本低 但是易老化 注 老化作用 高分子材料在加工 贮存和使用过程中 由于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐变坏 以致丧失使用价值的现象 轮胎发生的龟裂 玻璃纤维 起毛 陶瓷材料 是无机非金属材料 是有一种或多种金属或非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物 优点 熔点高 硬度高 化学稳定性高 弹性模量大 具有耐高温 耐腐蚀 耐磨损
5、绝缘 热膨胀系数小 缺点 但是抗压不抗拉 脆性大 不易加工成形 复合材料 能充分发挥其组成材料的各自长处 同时在一定程度上克服它们的弱点 1 3金属材料的主要性能 机械零件在使用过程中 要受到力学负荷诸如拉伸 压缩 弯曲 扭转 剪切以及热负荷诸如高温蠕变 热应力产生的热疲劳和环境介质的作用诸如腐蚀 摩擦损失 并且还要传递力和能 因此 作为构成机械零件的金属材料 应具备良好的力学性能 物理性能 和化学性能以防止零件早期失效 同时还要有良好的工艺性能 1 3 1金属的力学性能 金属的力学性能 材料在外力作用下表现出来的特性 如弹性 塑性 强度 硬度和韧性等 表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称
6、为金属力学性能的判据 1弹性 即物体在外力作用下改变其形状和尺寸 当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性 弹性的判据可通过拉伸试验来测定 图1 1拉伸曲线及拉伸试样 拉伸试验 即静拉伸力对试样轴向拉伸 测量力和相应的伸长 一般拉至断裂以测定其力学性能的试验 图1 2低碳钢拉伸曲线 弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力 拉伸曲线p点对应的应力 p为弹性极限 p Fp So式中 p 弹性极限 MPa Fp 试样产生完全弹性变形时的最大外力 N So 试样原始横截面积 mm2 2刚度 即材料抵抗弹性变形的能力 刚度的大小以弹性模量来衡量 弹性模量在拉伸曲线上表现为oe段的斜率
7、 即 E 式中E 弹性模量 MPa 应力 MPa 应变 3强度 即金属抵抗永久变形和断裂的能力 1 屈服点屈服点 即试样在拉伸过程中力不断增加 保持恒定 仍能继续伸长 变形 时的应力 在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点 s Fs S0式中 s 屈服点 MPa Fs 试样开始产生屈服现象时的 N S0 试样原始横截面积 mm2 2 抗拉强度 即试样拉断前承受的最大标称拉应力 如图1 2所示 拉伸曲线上b点对应的应力为抗拉强度 b Fb S0式中 b 抗拉强度 MPa Fb 试样断裂前所能承受的最大拉 N S0 试样原始横截面积 mm2 4塑性即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 常用的塑性判据是
8、伸长率和断面收缩率 1 伸长率即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比 L1 L0 L0 100 式中 伸长率 L1 试样拉断后标距 mm L0 试样原始标距 mm 2 断面收缩率 即试样拉断后 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比 S0 S1 S0 100 式中 断面收缩率 S1 试样的原始截面积 mm2 S0 试样拉断后缩颈处的最小横截面积 mm2 5硬度即材料抵抗局部变形的能力 硬度是材料抵抗塑性变形 压痕的能力 是衡量金属软硬的判据 也是表征力学性能的一项综合指标 1 布氏硬度试验动画演示 2 洛氏硬度试验 动画演示 即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
9、 经规定保持时间后卸除试验力 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 6韧性即金属在断裂前吸收变形能量的能力 常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性 h1 h2 A式中 冲击韧度 J cm2 试样的冲击吸收功 J 缺口底部横截面积 mm2 摆锤重量 Kg h1 摆锤举起高度 m h2 击断试样后升起高度 m 图 3夏比冲击试验 金属材料的物理 化学性能包括密度 熔点 导电性 导热性 磁性 热膨胀性 耐热性和耐蚀性 光学性能等 机械零件的用途不同 对材料的物理 化学性能要求也不同 1 3 2金属材料的物理 化学性能 金属的工艺性能 即金属材料对加工工艺的适应性 按加工方法不同 可分为铸造
10、性能 塑性成形性 焊接性 切削加工性 热处理工艺性等 金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详细介绍 金属的工艺性能 1 3 3金属材料的工艺性能 1 常用的力学性能判据各用什么符号表示 它们的物理含义各是什么 2 测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标 热轧钢坯青铜铸件淬硬钢齿轮薄铝板灰铸铁 思考题 3 金属材料 高分子材料 复合材料 陶瓷材料 固体材料 第二章材料的内部结构 组织与性能 本章主要讲解金属材料的内部结构 组织与性能 2 1固体材料的分类 2 2金属的晶体结构与结晶 按原子排列的特征 可将固体金属物质分为晶体和非晶体两大类 晶体 物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的
11、如金刚石 石墨等 固态金属一般属于晶体 非晶体 非晶体内部的原子则是无规则排列的 如玻璃 松香和沥青等 晶体的特点 具有固定熔点 各向异性 单晶 特征 非晶体的特点 无固定熔点 其是在一个温度范围内熔化 各方向上原子聚集密度大致相同 所以表现各向同性 晶体与非晶体在一定条件下互相转化 2 2 1金属的晶体结构 晶格 为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点 并将各点用假想的线连接起来 就得到一个空间骨架 简称晶格 如图1 4 b 所示 晶胞 即晶格中最小的几何单元 图 4晶体结构示意图 晶体结构 晶格 晶胞 常见的金属晶体结构有体心立方晶格 面心立方晶格
12、和密排六方晶格等三种类型 体心立方晶格体心立方的晶格是一个立方体 其中心和八个角上各有一个原子 如图1 5所示 属于这类晶格的金属有 Fe Cr W V等 它们都具有较好的塑性和较大的强度 图 5体心立方球体模型及其晶格 2 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体 其六个面中心和八个角上各有一个原子 如图1 5所示 属于这类晶格的金属有 Fe Cu Al Ni等 它们都具有较好的塑性 图1 6面心立方球体模型及其晶胞 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体 其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子 且在六方柱体的中间还有三个原子 如图1 7所示 属于这类晶格的金属有 g n d
13、 e等 这类金属塑性较差 图1 7密排六方球体模型及其晶胞 实际金属结构并不像晶体那样规律和完整 存在晶体缺陷 空位 间隙原子和置换原子 点缺陷 导致金属的强度 电阻等增加 塑性下降 是固溶强化的主要原因 错位 线缺陷 高密度的线缺陷是导致加工硬化的主要原因之一 无数的位错滑动导致晶体产生宏观塑性变形 晶界 面缺陷 晶界处的能量较高 稳定性差 熔点低 易受腐蚀 在常温下晶界对位错的移动有阻碍作用 晶粒越细 晶粒细化 晶界对塑性变形的抗力越大 同时晶粒的变形越均匀 致使强度 硬度越高 塑性 韧性越好 在高温下的稳定性差 晶粒越细 高温性能就越差 实际金属结构 2 2 2金属的结晶过程 金属的结晶
14、即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程 纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线 即冷却曲线来表示 如图1 8所示 图1 8纯金属的冷却曲线 T0 理论结晶温度Tn 实际结晶温度 T 过冷度 T 温度 T0 Tn 时间 2 过冷 即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固 而是必须冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象 过冷度 理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度 即 T T0 Tn式中 T 过冷度 T0 金属的理论结晶温度 Tn 金属的实际结晶温度 每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的 金属的过冷度不是恒定值 它与冷却速度有关 冷却速度越快
15、过冷度也越大 3 金属的结晶过程动画演示 金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段 并持续到液相全部转变成固相为止 金属的结晶过程动画演示了金属从形核 晶体长大直至结晶完毕整个过程 1 形核 又称成核 是过冷金属液中生成晶核的过程 是结晶的初始阶段 形核包括均质形核和非均质形核两种方式 1 均质形核 又称自发形核 是熔融金属内仅因过冷而产生晶核的过程 在一定过冷度下 金属液中的一些原子自发聚集在一起 按晶体的固有规律排列起来形成晶核 2 非均质形核 又称非自发形核 是以熔融金属内原有的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程 形核 2 晶核长大 即金属结晶时 晶粒长大成为晶体的过程 结晶过程
16、中 已经形成的晶核不断长大 同时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大 直至液态金属全部消失 长大的晶体互相接触为止 晶粒 多晶体材料内 晶体学位向 即原子排列的位向 基本相同的小晶体称为晶粒 晶界 相邻晶粒之间的界面称为晶界 4 晶粒度及其控制 晶粒度 指多晶体内晶粒的大小 可用晶粒号 晶粒平均直径 单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征 1 晶粒度对金属力学性能的影响通常 金属的晶粒越细 力学性能越好 晶粒细 晶界就多 晶粒间犬牙交错 相互楔合 从而加强了金属内部的结合力 2 细化晶粒的方法生产中常采用加入形核剂 增大过冷度 动力学法等来细化晶粒 以改善金属材料性能 1 加入形核剂加入金属液中能作为晶核 或虽未能成为晶核但能与液态金属中某些元素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂 2 增大过冷度形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大 但形核率的增长比长大速率的增加要快 过冷度 T越大 单位体积中晶核的数目越多 故能使晶粒细化 冷却速度越大 过冷度也就越大 故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化 动力学法通过机械振动 电磁搅拌等方式使金属中产生对流 从而使生长中的晶核折断
