金属材料与热处理65697PPT课件

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1、 绪论 世界四大材料 钢铁 木材 塑料 水泥 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 材料分类 材料发展概括 石器时代 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

2、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 陶器时代 沧州铁狮铸造于公元953年 铁狮子通高5 78米 身长6 5米 体宽3 17米 重约40吨 本课程的性质和目的 2 目的 a获得有关金属热处理 金属材料的基本知识 c具有选择零件材料的能力 确定加工工艺路线的能力 d为后续课程和从事技术工作打下基础 1 性质 本课学习方法是 预习 笔记 复习 讨论问题本教材的重点 常见的材料牌号及应用 钢的热处理 基础课 第一章金属的性能 金属材料的

3、性能 使用性能 力学 物理 化学 力学性能 受外力作用下所表现出的性能 不能说 机械性能 判据如 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 第一节金属的力学性能 工艺性能 铸造 锻压 焊接 切削加工 一 基本概念1 弹性 指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸 当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性 研究力学性能意义 是选择和使用金属材料的重要依据 2 内力 金属受到外力时为保其不变形 在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力 3 应力 单位面积上的内力 4 应变 指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化 通常以百分比 表示5 载荷 金属材料在加工及使用过程中所受的外力 按作用性质分 静载

4、荷 指大小不变或变化过程缓慢的载荷 冲击载荷 在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷 循环载荷 指大小 方向随时间发生周期性变化的载荷 按作用形式不同分 6 变形 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化 称为变形 分为弹性变形与塑性变形外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形 一 强度概念 强度是指金属抵抗永久变形 塑性变形 和断裂的能力 通过拉伸试验测得大小 强度的大小通常用应力来表示 F S 应力Pa1Pa 1N m21MPa 106Pa按载荷的作用方式不同 强度可分为 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 和抗扭强度 注意 一般多以抗拉强度作为判别金属

5、强度高低的指标 拉伸实验 金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定 GB T228 2002 1 拉伸试样 2 力 伸长曲线 以低碳钢试样为例 3 脆性材料的拉伸曲线 1 拉伸试样 GB6397 86 长试样 L0 10d0 短试样 L0 5d0 万能材料试验机a WE系列液压式b WDW系列电子式 2 力 伸长曲线 弹性变形阶段 屈服阶段 颈缩现象 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线 强化阶段 a 试样 b 伸长 c 产生缩颈 d 断裂 拉伸试样的颈缩现象 3 脆性材料的拉伸曲线 与低碳钢试样相对比 脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象 应力 P F0应变 l l0 l0 三 强度 金属

6、材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 工程上常用的金属材料的强度指标 屈服点 s 或规定残余伸长应力 r 抗拉强度 b 屈服点 s 指材料产生屈服时的应力 规定残余伸长率为0 2 时的应力 原标准 GB228 76 屈服强度 很重要 大多数零件不允许有塑性变形 规定残余伸长应力 对有明显屈服现象的材料 对无明显屈服现象的材料 抗拉强度 材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值 若零件在使用时不允许产生过量塑性变形 应以材料的 s或 0 2进行设计计算 若零件在使用时只要求不发生破坏 则以材料的 b来设计计算 因此 s和 b是机械零件设计计算的主要依据 很重要 表示零件破坏前能抗的最大应力值

7、强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力 一般钢材的屈服强度在200 1000MPa之间 强度越高 表明材料在工作时越可以承受较高的载荷 当载荷一定时 选用高强度的材料 可以减小构件或零件的尺寸 从而减小其自重 因此 提高材料的强度是材料科学中的重要课题 称之为材料的强化 二 塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力 常用的塑性判据 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率 由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率 数值不同 因此应注明试样尺寸比例 如 10 试样L0 10d0 5 试样L0 5d0 2 断面收缩率 和 是用来判断材料在断裂前所能产生的最大

8、塑性变形量大小 一般认为 5 的材料为塑性材料 如低碳钢 5 的为脆性材料 如灰铸铁 塑性对材料的意义 1 是金属材料进行压力加工的必要条件 2 提高安全性 因为零件在工作时万一超载 也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂 强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标 在金属材料的工程应用中 要提高强度 就要牺牲一部分塑性 反之 要改善塑性 就必须牺牲一部分强度 正所谓 鱼和熊掌二者不能兼得 但通过细化金属材料的显微组织 可以同时提高材料的强度和塑性 超塑性 通常情况下金属的伸长率不超过90 而有些金属及其合金在某些特定的条件下 最大伸长率可高达1000 2000 个别的可达6000 这种现象称为超塑

9、性 由于超塑性状态具有异常高的塑性 极小的流动应力 极大的活性及扩散能力 在压力加工 热处理 焊接 铸造 甚至切削加工等很多领域被中应用 三 硬度 硬度 硬度试验方法 压入法 它是材料性能的一个综合的物理量 表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 材料抵抗表面局部塑性变形的能力 一 布氏硬度 1 测定原理 布氏硬度试验原理图 2 计算公式 HBS 淬火钢球作压头 适用于 450HBSHBW 硬质合金作压头 适用于 650HBW 试验时 根据被测的材料不同

10、球直径 试验力及试验力保持时间按表1 1选择 表1 1布氏硬度试验规范 3 表示方法 XXXHBS W XX XXX XX 500HBW5 750 例 表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10 15s测得的布氏硬度值为500 120HBS10 1000 30 表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 习惯上布氏硬度值不标出试验规范 如170HBS 4 适用范围常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度 不能测淬火钢件的硬度 优点 测值重复性强 测量结果准确 缺点 压痕大 不适合成品检验 二 洛氏硬度 测定原理 试验时 根据被测

11、的材料不同 压头的类型 试验力及按表1 2选择 对应的洛氏硬度标尺为HRA HRB HRC三种 表1 2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围 2 符号 3 表示方法 硬度值 HR 52HRC70HRA 例 洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料 在钢件热处理质量检查中应用最多 4 适用范围 优点 测量迅速简便 压痕小 可在成品零件上检测 三 维氏硬度 1 测定原理 用一定的试验力F 将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面 保持一定时间后卸去试验力 然后测出压痕对角线长度d1 d2 mm 并求出压痕对角线的平均值d 2 计算公式 3 表示方法 硬度值 HV 试验力 保持时间如 640HV30

12、 20 4 适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度 四 冲击韧性 强度 硬度 塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现 材料在工作时还经常受到动载荷的作用 冲击载荷就是常见的一种 在设计和制造受冲击载荷的零件和工具 如锻锤 冲床 铆钉枪等 时 必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外 还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短 加载速率高 应力集中 由于加载速率提高 金属形变速率也随之增加 冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性 示例 玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂 说明其冲击

13、韧性很低 1 冲击试验 冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法 如不能制备标准试佯 可采用宽度7 5mm或5mm等小尺寸试祥 试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同 缺口应开在试样的窄面上 其中5mm 10mm 55mm试样常用于薄板材料的检验 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同 但其缺口轴线应当垂直焊缝表面 原理 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定 试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上 将摆锤升至高度H1 使其具有势能mgH1 然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断 并向另一方向升高至H2 这时摆锤的势能为mgH2 所以 摆锤用于冲断

14、试样的能量AK mg H1 H2 即为冲击功 焦耳 J 2 材料冲击韧性的表示方法 国标GB T229 1994冲击功吸收功 表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功 也就是材料在断裂前所吸收的能量 根据试样缺口的不同 冲击吸收功用AKV和AKU表示 单位为焦耳 数值可从试验机的刻度盘上读出 2 材料冲击韧性的表示方法 国标GB T229 2007冲击吸收能量 表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量 K mg H1 H2 2 材料冲击韧性的表示方法 按照国标GB T229 2007 U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV 并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径 如KU2

15、 其单位是焦耳 J 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出 冲击吸收能量的值越大 材料的韧性越大 越可以承受较大的冲击载荷 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大 材料的韧性越大 越可以承受较大的冲击载荷 一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料 冲击吸收能量高的材料称为韧性材料 小资料 GB T229 2007与GB T229 1994相比 在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化 为方便读者学习 将关于金属材料冲击韧性的新 旧标准名称和符号对照列于下表中 缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造 锻造 焊接及热处理等热加工工艺的质量 用来评定材料的冷脆倾向 测

16、定韧脆转变温度 设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度 3 冲击试验的应用 3 冲击试验的应用 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力 因此对某些特殊服役条件下的零件 如弹壳 装甲板 石油射孔枪等 有一定的参考价值 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标 不能直接用于零件和构件的设计计算 但它是一个重要参考 所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能 ReL Rr0 2 Rm A Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标 低温脆性 低温脆性 随温度降低 材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 冷脆 材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象 对压力容器 桥梁 汽车 船舶的影响较大 体心立方金属具有韧脆转变温度 而大多数面心立方金属没有 冲击韧性与温度有密切的关系 温度降低 冲击韧性随之降低 当低于某一温度时材料的韧性急剧下降 材料将由韧性状态转变为脆性状态 这一温度称为转变温度 Tt 转变温度 Tt 越低 表明材料的低温韧性越好 对于在寒冷地区使用的材料要十分重要 金属材料的成分对韧脆转变温度