《《机械制造基础（上册）》-陈仪先 梅顺齐-电子教案 第1章 金属材料的基本知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机械制造基础（上册）》-陈仪先 梅顺齐-电子教案 第1章 金属材料的基本知识（113页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械工程材料,二零零五年十一月,绪 论,一、历史 新石器时代的仰韶文化已开始炼制和应用黄铜 商周时期，青铜冶炼、铸造技术已达到很高的水平 商代晚期，青铜业进入了鼎盛时期。最能反映这个时期青铜冶铸技术水平的，是1939年在河南安阳出土的司母戊鼎。它重达875公斤，带耳，高133厘米，横长110厘米，宽78厘米，它是我国到目前为止发掘出最大的青铜器，也是世界上最大的古青铜器，它造型瑰丽、浑厚，鼎外布满花纹。司母戊鼎的铸造，若没有规模巨大和相当高超的采矿、冶炼、制范、熔铸等技术，是不可想象的，它的铸造充分体现了我国古代劳动人民的高度智慧。距今3000多年,秦公一号墓出土的铁铲、铁杈，比世界上发现最早
2、的铁器工具要早1800年 1972年，在我国河北省藁城县台西村出土了一把商代铁刃青铜铖，其年代约在公元前十四世纪前后，在青铜铖上嵌有铁刃，该铁刃就是将陨铁经加热锻打后，和铖体嵌锻在一起的。,二、现在 在机械制造业中，金属材料是目前使用量最大、使用范围最广的材料。金属材料分为钢铁材料和有色金属材料两大类。金属材料有着优良的使用性能和加工工艺性能。随着科学技术的进步，非金属材料以其具有一些金属材料所不具备的性能特点（如耐蚀性、绝缘、消声、质轻、生产率高、成本低等）而得到迅速发展。金属材料与非金属材料有着各自的优缺点，将两种各有所长的材料组合在一起，扬长避短，这就构成了复合材料。按基体材料的不同，可
3、将复合材料分为高分子基、金属基、和陶瓷基复合材料,三、目前在新材料和新材料构件制造技术出现了以下一些新的突破点,轻合金材料,发展轻量化合金材料技术，建立铝、镁合金半固态与挤压铸造、镁合金超塑性成型与钛合金成型技术、高温铝合金粉末与铝基复材，开发高热传导率铝基碳铁复合材料、发泡铝板成型与轨道车辆轻量化技术,金属基复合材料构件制造技术,以SiC长纤维增强的Ti基复合材料（TiMMC）具有比强度高、比刚度高，使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的SCS-6 SiC/IMI834复合材料的抗拉强度高达2200MPa，刚度达220GPa，而且具有极为优异的热稳定性，在700温度暴露2000h
4、后，力学性能不降低。主要应用于未来发动机中的构件,陶瓷基复合材料构件制造技术,连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）耐温高，密度低，具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁。其中，连续纤维增韧碳化硅复合材料包括C/SiC和SiC/SiC两种。C/SiC和SiC/SiC的密度分别为1.82.1g/cm3和2.42.6g/cm3，SiC基CMC的最高工作温度为1650，C/SiC和SiC/SiC可分别在有限寿命和长寿命条件下使用。主要应用于高性能航空发动机的涡轮,碳/碳复合材料构件制造技术,碳/碳复合材料（C/C）的最显著的优点是耐高温（18002000）和低密度（约1.9g/cm3
5、）。美、法、俄等研制的C/C复合材料部件有：燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘、涡轮外环等。美国将整体涡轮盘在1760进行了地面超转试验。C/C构件的关键制造技术包括碳纤维预制体的设计与制备、C/C的致密化技术和C/C防氧化涂层的设计与制造,第一章 金属材料的基本知识,工程材料可分为： 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料,金属材料在现代生产及人们的日常生活中占有极其重要的地位。金属材料的品种繁多、性能各异，并能通过适当的工艺改变其性能。金属材料的性能由材料的成分、组织及加工工艺来确定。掌握各种材料的性能对材料的选择、加工、应用，以及新材料的开发都有着非常重要的作用。,
6、1.1 金属材料的性能,1.1.1 金属材料的力学性能 1.1.2 金属材料的其它性能简介,1.1.1 金属材料的力学性能,1弹性和刚度 2强度 3塑性 4硬度 5冲击韧性 a k 6断裂韧性KI 7疲劳强度,. 弹性和刚度,金属材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性。这种随外力消除而消除的变形，称为弹性变形,材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/称为弹性模量，单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值的大小主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。,需要注意的是，材料的刚度不
7、等于机件的刚度，机件的刚度除与材料的刚度有关外，还与机件的结构有关 提高零件刚度的方法有 增加横截面面积 改变截面形状 选用弹性模量较大的材料,2. 强度,在外力作用下，材料抵抗塑性变形和破断的能力称为强度。常用的强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度,1) 屈服强度（s、0.2）,当曲线达到B点时，曲线出现应变增加而应力不变的现象称为屈服。屈服时的应力称为屈服强度，记为s，单位MPa 对没有明显的屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以0.2表示,2) 抗拉强度b,材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用b表示，单位MPa
8、。在图1.1-1中的D点所对应的应力值即为b 屈服强度与抗拉强度的比值s/b称为屈强比 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即 断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。,3. 塑性,材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力，称为塑性 工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标,1) 延伸率,试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号表示，即 式中：L0试样原始标距长度； L1试样拉断后的标距长度。,2) 断面收缩率,试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号表示，即 式中： A0试样原始的横截面积； A1试样拉断处的
9、横截面积,材料的和值越大，塑性越好 用表示塑性更接近材料的真实应变,4. 硬度,硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力 硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力 通常材料的强度越高，硬度也越高 工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等,1) 布氏硬度HBS（W）,布氏硬度的测量方法如图1.1-2所示。用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=P / F 布氏硬度的单位为kgf/mm2,当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度
10、小于450的材料，以HBS表示 当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450650的材料，以HBW表示 在测定材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽荷P和载荷保持时间等 布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell）于1900年提出来的,2) 洛氏硬度HR,洛氏硬度的测量方法如图1.1-3所示 将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值 根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种,洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用 其缺点是：由于压痕小，测
11、量误差稍大，因此常在工件不同部位测量数次取平均值 洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell）于1919年提出来的,3) 维氏硬度HV,维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（49.031176.80N） 它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦,图1.1-为维氏硬度测试示意图 在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均
12、长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值,其计算公式如下： 维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。,5. 冲击韧性 a k,冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性a k指标来度量,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击能力,为了讨论材料
13、的冲击韧性a k值，常采用一次冲击弯曲试验法 由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试样进行试验 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,试验时，将试样放在试验机两支座上，如图1.1-7所示。将一定重量G的摆锤升至一定高度H1，如图1.1-8所示，使它获得位能为GH1；再将摆锤释放，使其刀口冲向图1.1-7箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为H2，相应位能为GH2，冲断试样前后
14、的能量差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功Ak，即Ak = GH1GH2，单位为J。,试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直接读出 冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧性值ak ，即a k =Ak/ F，单位为J/cm2。有些国家（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功 Ak作为冲击韧性指标,材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，材料的脆性愈大 通常把a k 值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a k 值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转
15、变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂,6. 断裂韧性KI,有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于s的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展,材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产 生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用应力强度因子KI来描述，其单位为MPa m1/2，脚标表示型裂纹强度因子,KI值的大小决定于裂纹尺寸（2a）和
16、外加应力场，它们之间的关系由下式表示： KY 式中：Y为与裂纹形状、加载方式和试样几 何尺寸有关的无量纲系数 为外加应力场，单位为MPa； a为裂纹长度的一半，单位为mm,由上式可见，随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示。它反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现 KIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关,7. 疲劳强度,1) 疲劳的概念,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、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段,2) 疲劳强度,当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度
