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1、宁波精益微型轴有限公司 产品技术研发部 陈建元,金属工艺学 （机械制造基础）,材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。,复合材料,工程材料,金属材料,陶瓷材料,高分子材料,零件的生产工艺过程,选材,选毛坯,预先热处理,机械加工,最终热处理,检验,应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境等：,其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。,毛坯选择,车削,传统的有,现代的有,有液态成形毛坯,塑性成形毛坯,连接成形毛坯,粉末冶金成形,型材等毛坯,车削、刨 削、铣削 拉削、镗削、磨削等,数控加工、电火
2、花加工、激光加工等特种加工方法,机械加工方法,一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。,预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。,最终热处理： 使材料的性能达到要求。,第一篇 金属材料导论,主要内容,1.5 铁碳合金,1.1 金属材料的主要性能,1.2 金属及合金的晶体结构,1.3 合金的结构,1.4 二元合金状态图,1.1 材料的强度与塑性,1.拉伸试验及拉伸曲线,2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,1.1 金属材料的主要性能,一、静载单向静拉伸应力应变曲线,1.
3、拉伸试样：,长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0,低碳钢拉伸曲线,脆性材料拉伸曲线,2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：,纵坐标为应力 单位 MPa(MN/mm )， 横坐标为应变 其中：=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力 （L1-L0）/L0 3.曲线分为四阶段： 1）阶段I（ope）弹性变形阶段 p: Fp ，e: Fe （不产生永久变形的最大抗力） op段：L P 直线阶段 pe段：极微量塑性变形（0.001-0.005%) 2）阶段II（ess）段屈服变形 S: 屈服点 Fs 3）阶段III（sb）段均匀塑性变形阶段 b: Fb 材料所能承受的最大载荷,4）阶段IV
4、(bK) 段局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段 二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 1刚度和弹性 刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。 弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。 比例极限：p=Fp/Ao 应力应变保持线性关系的极限应力值,弹性极限：e=Fe/Ao 不产永久变形 的最大抗力。 2.强度：材料在外力作用下抵抗 变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形 时的应力值。即在拉伸试验过程中，载 荷不增加，试样仍能继续
5、伸长时的应力。 条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最 大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂 的极限应力值）。,3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 延伸率 延伸率与试样尺寸有关；5、10 (L0=5d,10d) 断面收缩率 =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 时，无颈缩，为脆性材料表征； 时，有颈缩，为塑性材料表征。,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,1.2 材料的硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。,1布氏硬度,压头为钢球时，布氏硬度用符号H
6、BS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。 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。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(M
7、Pa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或0.6(HB-40),2洛氏硬度,定义： HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种 HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。 HRC 较硬，淬硬钢制品；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。,3.维氏硬度,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,1.3 冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作
8、用而不破坏的能力。 指标为冲击韧性值ak 。,a k =冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S (J/cm ) ak值低的材料叫做脆性材料， 断裂时无明显变形，金属光泽， 呈结晶状 。 ak值高，明显塑变，断口 呈灰色纤维状，无光泽， 韧性材料。 材料的冲击韧性随温度下降 而下降。在某一温度范围内 冲击韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变。发生韧脆转变 的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应高于韧脆 转变温度。,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作 周期性变化，交变应力作用下，往往在 远小于强度极限，甚至小于屈服极限的 应力下发生断裂。,1.4 疲劳强度 （80%的断裂由疲劳造成）,周次
9、,疲劳强度-1 ：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。 条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,疲劳断口,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,1.5 材料的断裂韧性 1问题的提出 低应力脆断断裂力学 断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数. 2应力场强度因子K 前面所述的力学性能，都是假定材料内部
10、是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数“应力场强度因子”。,I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹 Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关 的系数几何形状因子。,Y=,I,3断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大， 或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到 某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳
11、扩展，即发生脆断。 这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。,当KI KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KI KIC时，裂纹处于临界状态 K I KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。,KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。,4应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC ，制定零件工作是否安全K KIC，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应
12、力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。,5. Titanic沉没原因,I,思 考 题,1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？,2 疲劳破坏有什么危害？在什么情况下发生疲劳破坏，产生原因是什么？如何提高零件的疲劳强度？,2. 金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。,1. 三种常见的金属的晶格类型： 体心立方 面心立方 密排六方,一、晶体与非晶体,1. 晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形
13、体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 2. 区别 (a)是否具有周期性、对称性 (b)是否长程有序 (c)是否有确定的熔点 (d)是否各向异性,二、金属的晶体结构 1.金属的晶体结构 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。 1）理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。 原子在其平衡位置静止不动 2）理想晶体的晶体学抽象 空间规则排列的原子刚球模型晶格（刚球抽象为 晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小 组成单元）,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间
14、的阵列称空间点阵。 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.,3）晶胞的描述,晶体学参数：a,b,c, 晶格常数：a,b,c,4)晶系：根据晶胞参数不同， 将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：a1=a2=a3 c, =90, =120,5）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原 子间距的一半。 6)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 7)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的 原子数目。 8)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,2.三种典型的金属晶体晶胞,(1）体心立方晶胞,晶格常数：a(a=b=c),原子
15、半径：,原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等,（2）面心立方晶胞,晶格常数：a,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、 Al、Cu、Pb等,(3)密排六方晶胞,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、Be、Cd等,三实际金属的晶体结构 理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向 异性,1晶体缺陷 实际晶体中存在着偏离（破
16、坏）晶格周期性和规则性的部分 (1)点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位 晶格结点处无原子 置换原子 晶格结点处为其它原子占据 间隙原子 原子占据晶格间隙,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,(2)线缺陷(位错) 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,位错密度
