第一章 金属材料的性能

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1、同学们好金 属 工 艺 学 王晓东 徐长思主编武汉大学出版社绪 论 什么叫金属工艺学？ 是一门研究有关制造金属零件工艺方法 的综合性性技术基础课。 它主要研究： （1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制 造中的应用和相互联系； （2） 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； （3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。 金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程 中的地位。课程的性质、任务和要求性质：性质： 研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程 体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程任务和要求：任务和要求

2、： 了解产品的制造过程了解产品的制造过程 掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用 掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用如何学好本课程？即使天上掉馅饼， 也只有早起的人才能得到要付出劳动是否想学好本课程？ 为了应付考试？记录老师讲课重点（经常提到） 为了工作需要？认真读懂教材和参考书 为了扩大知识面？ 广泛涉及 课外书籍、勤于思考 约 定v字迹工整、按时独立完成作业v课堂内不吃东西v关闭通信等能够发出声音的工具vv不迟到第一章 金属材料性能1. 材料工业的重要程度o材料作为能制造有用物品的物质 ，与能源

3、和信息共同构成了人类 社会赖以生存与发展的基本资源 ，故材料、能源和信息并列为现 代科学和现代文明的三大支柱， 而在这三者之间，材料又是最重 要的基础。 材料是人类生活与社会 发展的主要物质基础，其 品种、数量和质量是人类 文明和社会进步程度的标 志。1. 材料工业的重要程度历史学家把人类 社会的发展按其使用的材料类 型划分为石器时代石器时代、青铜时代青铜时代 、铁器时代铁器时代，而今正处于人工人工 合成材料合成材料的新时代。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一商朝的青铜器春秋战国的铁器人工合成材料金 属 Metal复合材料 Composites陶 瓷 Ceramic高分子 Polymer

4、2. 工程材料的分类按属性分类：金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料2. 工程材料的分类按功能：结构材料 功能材料 生物材料 智能材料 信息材料按材料维度：三维块体材料 二维薄膜材料 一维纤维材料 零维纳米材料材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型 的技术也不同。3. 什么是金属材料金属材料以金属元素为主要成分、 原子通过金属键结合而成的一类固体材 料。金属材料铁合金：钢、铸铁非铁合金：铜、铝、钛、镁及其合金公元前6000年：人类发明金属冶炼1公元前4000年：古埃及人掌握炼铜技术1公元前2500年：中国人开始使用铁公元18世纪末：瓦特(JamesWatt,17361819，英国)发明了

5、蒸汽机以后，大量使用铁轨和铸铁管 ，铸铁的冶炼才走上工业化生产的道路。从此，金属材料在材料工业中就占有了统治性的主导地位。4. 金属材料的发展历史4. 金属材料的发展历史1820年：（英）法拉第开始研究合金钢1839年：巴比特研制出轴承合金1856年：（德）贝斯麦在转炉中将生铁精炼成钢1906年：泰勒和霍特研制出高速钢1912年：（美）海恩兹发明钨铬钴硬质合金1923年：克虏伯公司发明钨钴硬质合金1940年：（日）北圆一郎等发明特超硬铝1948年：（美）米尔斯研制出球墨铸铁1959年：福特公司研制出TiC金属陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金）1970年：美国和瑞典研制出粉末高速钢5. 金属

6、材料的优越性自20世纪50年代以后，高分子材料、先进陶瓷材料、复 合材料迅速发展，开始出现一些金属材料的“代用品”。那么 钢铁材料是否已经进入“夕阳”工业了哪？否。 金属材料具有其他材料不能完全取代的独 特性质和使用性能。金属材料高 模 量高 韧 性高 磁 性高 导电 性6. 金属材料的研究现状当前，金属材料的研究领域包括：1. 高纯材料优异的软磁性、良好的耐腐蚀性、高残余电阻率，用 于高真空容器、核反应堆等。2. 高强度材料可减轻重量，用于航空航天、深海潜艇、原子能 等领域。3. 超易切削钢提高刀具寿命30倍，降低成本、节约能源。4. 硬质合金与金属陶瓷高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化 ，用

7、于刀具、磨具、轧辊、轴承等领域。5. 高温合金与难熔合金超过1300有很高强度，用于飞机发 动机等。6. 金属材料的研究现状6. 金属基复合材料高比强度、高比弹性模量，用于航空航天等 领域。7. 共晶合金定向凝固材料超高温下呈现更高强度，用于制造 涡轮叶片等。8. 金属非晶及微晶材料通过快速冷凝而得到，如金属玻璃、 金属微晶材料。前者具有超耐腐蚀性、高磁导率、低热胀系数等，用于变 压器铁心；后者具有高强度、高韧性、高抗疲劳断裂性等。9. 金属间化合物原子按照金属健与部分共价键结合，高温强度 高、抗氧化性好、弹性模量高、密度低，应用于多领域。10. 纳米金属材料颗粒径100nm的金属材料，具有超

8、导性。用 于电子工业、原子能工业、航空航天工业、化学工业等。第一章 金属材料的性能 教学重点：金属材料的力学性能（表达方式 、测定方法、单位量纲、物理意义） 教学难点：拉伸曲线（F-l或-曲线）特 点；硬度实验过程 第一节 金属材料的机械性能 金 属 材 料 的 主 要 性 能使用性能指材料在使用过程中表现出来的性 能。工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能 力。金属材料的使用性能力学性能金属材料在外力（载荷）作用下 ， 所表现的抵抗变形和破坏的能力。一、强度与塑性 强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或 断裂的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变 形而不破坏的能力。 拉伸试验标准试件

9、低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线Fl：载荷伸长量拉伸曲线 ：应力应变曲线= F/Ao= L / L0分别以和为纵坐标和横坐 标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。oe弹性变形阶段；es屈服阶段；sb强化阶段；bk缩颈阶段s-屈服点 b-开始发生缩颈现象退火低碳钢力-伸长曲线 屈服极限S强化阶段弹性极限P屈服阶段强度极限B颈缩阶段弹性阶段强度指标 1.屈服点在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点， S点对应的应力称屈服点应力。用符号s表示。屈服点应力s可按下式计算： s = Fs / A0 (M

10、Pa)式中：Fs试样屈服时的载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。 2抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力 值，用符号b表示，单位为Mpa，即b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb试样承受的最大载荷，N； A0试样原始横截面积，mm2。 屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多以s作为强度设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以b为依据。塑性指标(1)伸长率 = （L1-L0）/L0 100%式中： L0试样原标距的长度（mm）L1试样拉断后的标距长度（mm） (2) 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积

11、 的相对收缩值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：A0试样的原始截面积（mm2） A1试样断面处的最小截面积（mm2） 和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金 属材料进行塑性加工的必要条件。二、硬度 固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的 能力。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性 能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切 削加工性。 硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹 高度法等。 金属材料的硬度可用专门仪器来测试， 常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。 布氏硬度布氏硬度试验原理图 式中：F试验力，N；D压头的直径,mm HBS表示用淬火钢球作为压头 测出的硬度值。HBW表示用硬质合金球作为 压头

12、测出的硬度值。单位面积所受的 力值即为硬度1.布氏硬度（1）试验原理：（2）符号 HB（3）表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX（4）应用范围： 测定结果较稳定、准确， 但不宜测薄件或成品件。 HBS用于测小于450 的材料；HBW用测小于650的材料。主要用来 测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处 理的钢材。洛氏硬度洛氏硬度试验原理图 试验时，先加初试验 力，然后加主试验力 ，压入试样表面之后 ，去除主试验力，在 保留初试验力的情况 下，根据试样残余压 痕深度增量来衡量试 样的硬度大小。 （1）试验原理：用顶角为1200的金刚石圆锥或直 径为1.588mm的淬火钢球作

13、压头，在初始试验力F1 （98N）及总试验力F作用下，将压头压入试样表 面，按规定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。（2）符号 HR （3）表示方法 在符号前写出硬度值。（4）应用范围 可直接测量成品或较薄工 件，但结果不够准确。布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的 代表性较全面，而且实验数据的重复性也 好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不 能试验太硬的材料，一般在HB450以上的 就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合 金结构钢等材料的硬度。 洛氏硬度的特点：洛氏硬度HR可以用于硬

14、度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故 在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的 情况，则所测硬度值的重复性也差。 三、冲击韧度（ak） 有些机件在工作时要受到高速作用的载荷有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车 变速齿轮、飞机的起落架等。变速齿轮、飞机的起落架等。 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该起的应力和应变大得多，因此在选择制造该 类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲

15、击能类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能 力，即冲击韧度。力，即冲击韧度。 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫 做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属 材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度 。 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生 产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量 的有效方法。 夏比冲击试验 试验原理 ak = AK/A （Jcm-2）式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（J）A试样断口处的原始截面积（mm2） 冲击韧度： 标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另 一种是夏比形缺口试样 同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的 a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k 不能相互比较。对于脆性材料试样一般不开缺口。四、疲劳强度 工程上一些机件工作时受交变应力或循环 应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强 度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂， 这样的断裂现象称之为疲劳 。 零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生