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1、第一篇金属材料基本知识 本篇重点 1 金属材料的力学性能2 铁碳合金基本组织及状态图3 钢的热处理本篇难点 1 各力学性能指标的物理意义和测定方法2 铁碳合金状态图的分析3 钢的热处理 材料 可以用来制作产品的物质 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 世界四大材料 钢铁 木材 塑料 水泥 常用工程材料按其化学成分 结合键的特点分 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
2、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 纳米材料 一般把分子粒径小于等于1 100nm 即10 9 10 7m 的材料称为纳米材料 广义地说 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围 1 100nm 或由他们作为基本单元构成的材料 智能材料 一种新型材料 由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成 这种材料可以自我发现故障 自我修复 并根据实际情况作出优化反应 发挥控制功能 材料发展概括 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
3、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 智能材料 出土于河南安阳侯家庄武官村 此鼎形制雄伟 重达875公斤 高达133厘米 口长110厘米 口宽78厘米 是迄今为止出土的最大最重的青铜器 司母戊大鼎 1978年夏天出土于湖北随县 今湖北随州市 擂鼓墩战国早期曾国君王曾侯乙墓 这是一种打击乐器 供古代宗庙祭祀和宴请宾客时使用 全套编钟包括钮钟19件 甬钟45件 外加楚惠王赠送的一件钟 共65件 总重量二千五百多公斤 编钟以大小和音高为序编成8组 悬
4、挂在铜木结构的三层钟架上 钟上均铸有篆书铭文 共二千八百余字 其内容全面地反映了战国时期我国乐律学达到的高度水平 这是我国迄今为止发现的数量最多 保存最完好的一套编钟 编钟音乐性能保存完好 音色优美 音域宽广 从最低音到最高音 共有五个八度 能演奏古今中外的乐曲 这套编钟的发现 对研究战国历史 音乐和冶铸技术等 都有着极高的价值 它的总用铜量达5吨之多 设计精巧 铸造瑰丽 出土时尚完整地悬挂在钟架上 音域宽广 音色优美 古今乐曲均能演奏 八鼓谐余韵绕梁令人惊叹叫绝 它是中国古代文化艺术的瑰宝 被誉为 世界第八奇迹 1983年湖北省博物馆等单位复制成功了28件编钟 演奏了 春江花月夜 等乐曲 抑
5、扬顿挫和谐动听 湖北省歌舞团演出了历史歌舞 编钟乐舞 使观众听到了两千多年前的美妙声音 编钟的钟架称为钜 j 由245个构件组成 设计精巧 比例适宜 结构牢固 可以拆卸 虽然承受了二千多公斤重的全套编钟 历时二千多年 出土时仍矗立如故 是研究先秦音乐史与青铜铸造工艺的珍品 永乐大钟高6 75m 直径3 3m 重量46 5t的铜钟 是明朝永乐年间 约1420年 铸造的 在世界大钟之林中铸造年代最久远 钟身内外铸满了佛经 经文清晰 排列巧妙 总字数达230184个 是世界上铸字最多的大钟 撞击一下 钟声悠扬悦耳 可传40 50km 永乐大钟局部 上面载明大钟铸造的时间 沧州铁狮铸造于公元953年
6、铁狮子通高5 78米 身长6 5米 体宽3 17米 重约40吨 沧州铁狮子 当地又称作 镇海吼 它位于沧县旧州城内 坐落在原开元寺前 关于铁狮子的确实来历 有许多说法 古今不一 据 沧县志 记载 相传周世宗北征契丹罚罪人所铸 以镇州城 可是 后来的考据家分辩说 周世宗素不信佛 罚罪之说不足信 流传广泛又比较合乎情理的 是当地一个有名的传说 古时沧州一带滨临沧海 海水经常泛滥 海啸为害 民不聊生 当地人为清除这无情的水患 自动集资捐钱 请当时山东有名的铸造师李云铸此狮以镇遏海啸水患 并取名 镇海吼 狮身外面铸有捐钱者的姓名 一般认为此说比较可信 1996年我国钢产量超过一亿吨 变成世界第一产钢大
7、国 这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票 材料历史发展图片 陶器时代 第一章金属材料的主要性能 本章重点 金属材料的力学性能 主要内容 金属材料的力学性能 包括材料的强度 硬度 塑性 冲击韧性 疲劳强度等 本章难点 各性能指标的物理意义和测定方法 金属材料应用最为广泛 1 地球上的储量丰富 2 具备制造机器的物理和化学性能 3 易于加工 金属材料的性能 使用性能 力学 物理 化学 工艺性能 铸造 锻压 焊接 切削加工 力学性能 受外力作用下所表现出的性能 判据如 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 金属材料的性能对零件的使用和加工有重要作用 第一节材料的力学性能 力学性能 材料在外力作用下所
8、表现出的特性 一 外力作用下材料的变形与失效 作用在机件上的外力 载荷 F F MPa 外力 内力 应力 静载荷 载荷不随时间变化或者变化极其平稳缓慢 并且使各部件的加速度为0 起重机以等速度吊起重物 动载荷 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化 起重机加速度吊起重物 F S 1 弹性变形 材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 1 两种基本变形 2 塑性变形 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 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 Fe 弹性变形 Fs s点为屈服点
9、Fb b 缩颈 FK k 断裂 在低碳钢拉伸曲线中 把F l坐标换成 应力 应变 就可以直接在图上读出力学性能指标 并且不需要做成标准试样 强度材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度 s 和抗拉强度 b 等 应用 强度是机械零件 或工程构件 在设计 加工 使用过程中的主要性能指标 特别是选材和设计的主要依据 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 不同的金属材料拉伸曲线 低碳钢
10、铸铁 典型塑性材料的拉伸曲线 典型脆性材料 注意 1 室温2 静载荷3 材料类型 1 强度 当材料单位面积上所受的应力 e s时 材料将产生明显的塑性变形 条件屈服强度 0 2 F0 2 A0 MPa 材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 1 屈服强度 S 指材料在外力作用下 产生屈服现象时的应力 S Fs A0 MPa 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 k b F e s 100 0 2 b b Fb A0 MPa 2 抗拉强度 b 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 抗拉强度 是脆性材料选材的
11、依据 高碳钢 60 65强度高 用于制造钢丝绳 弹簧 发条等 2 塑性 常用 和 作为衡量塑性的指标 伸长率 材料在外力作用下 产生永久变形而不引起破坏的能力 断面收缩率 F F L 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 低碳钢 10 15 20 塑性好 用于拉拔 冲压 锻造和焊接 对于塑性差的材料 用 0 2来代替 s 1 使材料具有良好的成形性 2 受到外力变形时 有强化作用 GB T228 2002 金属材料室温拉伸试验方法 规定 断后伸长率A表示 断面收缩率Z表示 屈服强度Re表示 抗拉强度Rm表示 此规定代替GB228 87 从2002年7月执行 3 硬度材料抵抗更硬的物体压入
12、其内的能力 决定金属材料的耐磨性 刀具 模具 耐磨表面等 最常用的硬度指标有 布氏硬度 HB 和洛氏硬度 HRA C 布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同 布氏硬度原理 图1 3 布氏硬度试验是指用一定直径的球体 钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入试样表面 经规定保持时间后卸除试验力 用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验 使用钢球压头时布氏硬度值用符号HBS表示 使用硬质合金压头时用符号HBW表示 在实际测试时 不必用公式计算 一般用读数显微镜测出压痕直径d 然后根据d大小查表 即可求出所测的硬度值 应用 测量比较软的材料 测量范围HBS 450 HBW 650的金属材料
13、优缺点 压痕大 测量准确 但不能测量成品件 广泛用于测定铸铁 有色金属 退火钢等小于450HBS的金属材料 金属布氏硬度试验方法标准1 概述GB T231 1 2002 金属布氏硬度试验第1部分 试验方法 修改采用国际标准ISO6506 1 1999 金属材料布氏硬度试验第1部分 试验方法 是对GB T231 1984 金属布氏硬度试验方法 的修订 并于2002年12月31日发布 2003年6月1日实施 从实施之日起代替GB T231 1984 2 取消用钢球压头进行布氏硬度试验按旧标准规定 布氏硬度试验可以采用钢球压头或硬质合金球压头两种 压头为钢球时 用符号 HBS 或 HB 表示 压头为
14、硬质合金球时 用符号 HBW 表示 钢球压头的布氏硬度试验适用于450HBS以下的材料 硬质合金球压头的布氏硬度试验适用于650HBW以下的材料 由于淬火钢球相对硬质合金球压头容易产生变形 当布氏硬度值超过350时 用钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同 因此 为了统一起见 新标准只规定了硬质合金球压头一种 因此 本标准实施后 硬度计应全部采用硬质合金球压头 技术文件应一律标注符号 HBW 补充说明 1 原理 洛氏硬度 应用范围 20 70 1500N 120 金刚石圆锥体 HRC 20 100 1000N 1 588mm钢球 HRB 60 85 600N 120 金刚石圆锥体 HRA 常用
15、洛氏硬度标度的试验范围 硬质合金 表面淬火钢等 软钢 退火钢 铜合金等 淬火钢 调质钢等 4 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力 常用的指标有冲击韧度 Ak 试验原理 试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功 Ak 等于摆锤冲击试样前后的势能差 冲击韧度 ak 冲击吸收功除以试样缺口处截面积 试验过程如图所示 计算公式Ak GH1 GH2 G H1 H2 在冲击载荷下工作的零件 很少是受大能量一次冲击而破坏的 往往是受小能量多次重复冲击而破坏的 材料的断裂前塑性变形的能力 与脆性相反 材料在断裂前有较大形变 断裂时断面常呈现外延形变 此形变不能立即恢复 其应力 形变关系成非线性 消
16、耗的断裂能很大的材料 通常以冲击强度的大小 晶状断面率来衡量 韧性越好 则发生脆性断裂的可能性越小 5 疲劳强度金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力 常用的指标有疲劳强度 1 零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂 此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度 甚至比屈服强度还小 非常危险 有许多机械零件 如轴 齿轮 连杆和弹簧等 在工作过程中受到大小 方向随时间呈周期性变化的载荷作用 这种载荷称为交变载荷 材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力 循环基数 钢 受交变载荷作用的零件 在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时 会发生突然的断裂 而且是脆性断裂 据统计 约80 的机件失效为疲劳破坏 有色金属 疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限 实际上 金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验 一般试验时规定 钢在经受10 7次 非铁 有色 金属材料经受10 8次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度 当施加的交变应力是对称循环应力时 所得的疲劳强度用 1表示 许多机械零件 如轴 齿轮 轴承 叶片 弹簧等 在工作过程中各点的应
