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1、金属材料及工艺（第二版）,金属材料及工艺,班级：机创1301 机电1301、1302 主讲：于文强 QQ：107371706,绪 论,课程性质：专业基础课。是研究金属零件和构件加工成形工艺方法的一门综合课程，包括金属材料学基础知识、钢铁热处理、铸造技术、压力加工技术、焊接技术 制造一部质量优良的机器不但需要好的设计，更需要好的制造工艺来保证。,本课程的主要内容 金属材料的基本知识，包括金属材料的晶体结构、性能及对加工过程的影响； 各种金属加工方法的基本原理及其规律性。（铸、压、焊、热处理）； 加工方法的综合对比、选用； 金属制件的结构工艺性。,课程特点 综合性 实践性 学习目的和要求 材料的基
2、础知识和改性方法 掌握工艺方法的基本原理 具有初步的工艺路线设计能力,第1章 金属材料的种类与力学性能,材料 材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。 材料的重要性 材料是人类生产和生活所必须的物质基础。现代社会生产三大支柱材料、能源、信息的基础。,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。现代社会生产三大支柱的基础,没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。,没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。,材料的分
3、类： 按材料的用途可分为：建筑材料、电工材料、结构材料等； 按材料的结晶状态可分为：单晶体材料、多晶体材料及非晶体材料； 按材料的物理性能及物理效应可分为：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、光电材料等。,工程上按化学组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料,金属材料,以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 良好的工艺性能 用量最大、应用最广泛,返回,陶瓷材料,以共价键和离子键为主 熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类,返回,高分子材料,以分子键和共价键为主 塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括
4、塑料、橡胶及合成纤维等,返回,复合材料,包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料,是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。,玻璃纤维增强高分子复合材料,以汽车工业为例：一辆轿车，需用800多种材料.,1.1 金属材料的种类,1.2 金属材料的性能,材料的主要性能是指:,使用性能,（1）力学性能,（2）物理性能,（3）化学性能,工艺性能,加工成形的性能,1.2.1 金属材料的力学性能,力学性能：材料在不同环境因素下，在载荷作用下所表现的行为，这种行为通常表现为金属的变形和断裂，它是金属材料的主要性能之一，也是工程技术人员正确选用材料的重要
5、依据。金属材料的力学性能是通过实验测定的。,五万吨水压机,1912年，英国斯科特南极探险队 。锡焊铁桶。煤油漏光。1867年冬天，俄国彼得堡海军仓库 。锡砖。灰色粉末,外力载荷 按作用性质分 静载荷：大小不变或逐渐变化。 冲击载荷：大小、方向突然变化。 交变载荷：大小、方向随时间做周期性变化。 按作用形式 拉伸、压缩、剪切、扭折、弯曲。 变形：金属材料在外力作用下，形状和尺寸的变化。弹性变形和塑性变形,强度 强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力 塑性：材料在断裂前发生永久变形的能力。 拉伸试验和拉伸曲线 试样：按国家标准GB/T228-2002标准。,研究表明低碳钢在外加载荷作
6、用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形、塑性变形和断裂。, ：应力 ：应变 P ：比例极限 e ：弹性极限（弹性强度） s ：屈服极限（屈服强度） b ：强度极限（抗拉强度） E ：材料弹性模量 （刚度） （E =/ ）,屈服点（强度）s：材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,2.塑性 指标：一般用伸长率()或断面收缩率()来反映材料塑性的好坏。 伸长率：,断面收缩率：,3.硬度 定义：当外来物体作用于固体上时，固体抵抗局部变形特别是塑性变形、压入、划痕的能力。 意义：与耐磨性以及工艺性
7、能往往存在一定对应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量，同时硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化。 测量方法：静载压入法 根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度 (HV) 等。,布氏硬度 原理：用载荷为F的力把直径为D的钢球（或硬质合金球）压入金属表面，并保持一定时间，然后卸载，测出钢球在金属表面上所压出的圆形凹痕的直径d。由此计算出球面面积，求出单位面积所受的力，既为金属的布氏硬度值。以符号HBS（压头为淬火钢球）或HBW（压头为硬质合金）。,说明 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时
8、，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 布氏硬度试验适用于测量退火钢、正火钢及常见的铸铁和有色金属等较软材料。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。,洛氏硬度 原理：用一个锥顶角1200的金刚石圆锥或一定直径的钢球为压头，施以98.07N的初始压力，使压头与试样始终保持紧密接触，然后在规定的主载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。压头有硬质（顶角为1200的金刚石圆锥）和软质（直径为1.5875mm的钢球） 计算公式：HRC=100-h/0.002,根据压头类型和主载荷不同，分为九
9、个标尺，常用的标尺为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺 HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢、灰铸铁等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,维氏硬度：英国的维克斯Vickers公司 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，但维氏硬度试验是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头。试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以F/A的数值表示维氏硬度值。 当载荷的单位为N时 HV=0.1891F/d2(MPa),测
10、量规范：三类试验力：宏观维氏硬度试验力(49.03980.7N)、小负荷维氏试硬度验力(1.9649.03N)、显微维氏硬度试验力(11.96N)。 选用原则：根据材料硬度、硬化层、试样厚度。 表示方法：与布氏硬度相同。如：400HV30表示用30kgf试验力测定的硬度值为400。 应用：精密工业和材料科学研究，特别适用于细小、极薄的材料及表面处理制件，具有洛、布氏硬度的主要优点，但不如洛氏硬度简单。,维氏硬度,4. 冲击韧性 冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 一次冲击试验及其指标 试样：如图。 试验设备：摆锤式冲击试验机。,应用：冲击值只作为选材参考，在判别金属材料抵抗大能量
11、冲击能力方面有一定的作用，但对小能量多次冲击不够准确。另外对组织很敏感，可用来判断冶炼、热加工、热处理的工艺质量。,疲劳强度 疲劳：材料在交变应力和应变的作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程叫做疲劳。 金属疲劳破坏的特征：没有明显的宏观塑性变形，断裂突然发生；引起疲劳断裂的应力很低（常常低于屈服极限）；断口由两部分组成，疲劳裂纹的产生及扩展区（光亮区）和最后断裂区（粗糙区）。,疲劳裂纹的产生及扩展区,疲劳极限：材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。当交变应力循环对称时，疲劳极限用-1表示。 条件疲劳极限不存在疲劳极限时，
12、规定循环基数时的断裂应力,产生疲劳的原因：材料表面或内部的缺陷（如杂质、刀痕），在交变应力的反复作用下产生了微裂纹，并随着应力循环周次的增加不断扩展，使零件实际承受载荷的面积不断减少，直到不能承受外加载荷，零件即发生突然断裂。 测定：一般在弯曲疲劳试验机上。 影响疲劳极限的因素：内部质量、表面状况、残余内应力。 提高疲劳极限的途径：零件结构、材料本质、零件表面状态,1.2.2 金属材料的物理、化学性能,1 物理性能 密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等 2 化学性能 金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力。,1.2.3 工艺性能 铸造性能：包括流动性、收缩性和偏析倾向。常用金属材料中，灰铸铁和铸造青铜的铸造性能较好。 锻压性：金属材料在锻造过程中承受塑性变形的性能。直接与材料的塑性和变形抗力有关，也与材料的成分和加工条件有关。 焊接性：用焊接方法将材料焊接在一起的性能，焊接性好的金属能获得没有裂缝、气孔并具有一定的力学性能的焊缝。 切削加工性：指金属材料在切削加工时的难易程度。切削加工性好的材料对刀具磨损量小，切削用量大，加工表面比较光洁。,
