金屬工藝學(xué)_第一篇 第一章金屬材料主要性能

1、同學(xué)們好同學(xué)們好金金 屬屬 工工 藝藝 學(xué)學(xué) 上冊上冊（第四版）（第四版）鄧文英主編鄧文英主編高等教育出版社高等教育出版社緒緒 論論 什么叫金屬工藝學(xué)？什么叫金屬工藝學(xué)？ 是一門研究有關(guān)制造金屬零件工藝方法是一門研究有關(guān)制造金屬零件工藝方法的綜合的綜合技術(shù)基礎(chǔ)課。技術(shù)基礎(chǔ)課。 它主要研究：它主要研究：（1）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；（2） 金屬機(jī)件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；金屬機(jī)件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；（3）常用金屬材料性能對加工工藝的影響等。）常用金屬材料性能對加工工藝的影響等。 金屬工藝學(xué)中

2、涉及到的知識點在機(jī)械制造工程金屬工藝學(xué)中涉及到的知識點在機(jī)械制造工程中的地位。中的地位。課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求參考文獻(xiàn)如何學(xué)好本課程？如何學(xué)好本課程？即使天上掉餡餅，即使天上掉餡餅，也只有早起的人才能得到也只有早起的人才能得到要付出勞動是否想學(xué)好本課程？是否想學(xué)好本課程？ 為了應(yīng)付考試為了應(yīng)付考試？ 記錄老師講課重點（經(jīng)常提到）記錄老師講課重點（經(jīng)常提到） 為了工作需要？為了工作需要？ 認(rèn)真讀懂教材和參考書認(rèn)真讀懂教材和參考書 為了擴(kuò)大知識面？為了擴(kuò)大知識面？ 廣泛涉及課外書籍、勤于思考廣泛涉及課外書籍、勤于思考 約約 定定v字跡工整、按時獨(dú)立完成作業(yè)字跡工整、按時獨(dú)立完

3、成作業(yè)v課堂內(nèi)不吃東西課堂內(nèi)不吃東西v關(guān)閉通信等能夠發(fā)出聲音的工具關(guān)閉通信等能夠發(fā)出聲音的工具v.v不曠課不曠課第一篇第一篇 金屬材料導(dǎo)論金屬材料導(dǎo)論1. 材料工業(yè)的重要程度o材料材料作為能制造有用物品的物質(zhì)，與能源能源和信息信息共同構(gòu)成了人類社會賴以生存與發(fā)展的基本資源，故材料、能源和信息材料、能源和信息并列為現(xiàn)代現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代文明的三大支柱科學(xué)和現(xiàn)代文明的三大支柱，而在這三者之間，材料又是最重要的基礎(chǔ)。 材料是人類生活與社會發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)，其品種、數(shù)量和質(zhì)量是人類文明和社會進(jìn)步程度的標(biāo)志。1. 材料工業(yè)的重要程度歷史學(xué)家把人類社會的發(fā)展按其使用的材料類型劃分為、，而今正處于的新

4、時代。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一商朝的青銅器春秋戰(zhàn)國的鐵器人工合成材料金金 屬屬M(fèi)etal復(fù)合材料復(fù)合材料Composites陶陶 瓷瓷Ceramic高分子高分子Polymer2. 工程材料的分類工程材料的分類按屬性分類：按屬性分類：金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料2. 工程材料的分類工程材料的分類按功能：按功能：結(jié)構(gòu)材料功能材料生物材料智能材料信息材料按材料維度：按材料維度：三維塊體材料二維薄膜材料一維纖維材料零維納米材料材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術(shù)也不同。的技術(shù)也不同。3. 什么是金屬材料什么是金屬材料金屬材料金屬材

5、料以金屬元素為主要成分、以金屬元素為主要成分、原子通過金屬鍵結(jié)合而成的一原子通過金屬鍵結(jié)合而成的一類固體材料。類固體材料。金屬材料金屬材料鐵合金：鋼、鑄鐵非鐵合金：銅、鋁、鈦、鎂及其合金公元前6000年：人類發(fā)明金屬冶煉1公元前4000年：古埃及人掌握煉銅技術(shù)1公元前2500年：中國人開始使用鐵公元18世紀(jì)末：瓦特(JamesWatt,17361819，英國) 發(fā)明了蒸汽機(jī)以后，大量使用鐵軌 和鑄鐵管 ，鑄鐵的冶煉才走上工業(yè) 化生產(chǎn)的道路。從此，金屬材料在材料工業(yè)中就占有了統(tǒng)治性的主導(dǎo)地位。4. 金屬材料的發(fā)展歷史金屬材料的發(fā)展歷史4. 金屬材料的發(fā)展歷史金屬材料的發(fā)展歷史1820年：（英）法

6、拉第開始研究合金鋼1839年：巴比特研制出軸承合金1856年：（德）貝斯麥在轉(zhuǎn)爐中將生鐵精煉成鋼1906年：泰勒和霍特研制出高速鋼1912年：（美）海恩茲發(fā)明鎢鉻鈷硬質(zhì)合金1923年：克虜伯公司發(fā)明鎢鈷硬質(zhì)合金1940年：（日）北圓一郎等發(fā)明特超硬鋁1948年：（美）米爾斯研制出球墨鑄鐵1959年：福特公司研制出TiC金屬陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金）1970年：美國和瑞典研制出粉末高速鋼5. 金屬材料的優(yōu)越性金屬材料的優(yōu)越性 自20世紀(jì)50年代以后，高分子材料、先進(jìn)陶瓷材料、復(fù)合材料迅速發(fā)展，開始出現(xiàn)一些金屬材料的“代用品”。那么鋼鐵材料是否已經(jīng)進(jìn)入“夕陽”工業(yè)了哪？ 否。 金屬材料

7、具有其他材料不能完全取代的獨(dú)特性質(zhì)和使用性能。金屬材料金屬材料高高 模模 量量高高 韌韌 性性高高 磁磁 性性高高 導(dǎo)電導(dǎo)電 性性6. 金屬材料的研究現(xiàn)狀金屬材料的研究現(xiàn)狀當(dāng)前，金屬材料的研究領(lǐng)域包括： 高純材料優(yōu)異的軟磁性、良好的耐腐蝕性、高殘余電阻率，用于高真空容器、核反應(yīng)堆等。 高強(qiáng)度材料可減輕重量，用于航空航天、深海潛艇、原子能等領(lǐng)域。 超易切削鋼提高刀具壽命30倍，降低成本、節(jié)約能源。 硬質(zhì)合金與金屬陶瓷高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化，用于刀具、磨具、軋輥、軸承等領(lǐng)域。1. 高溫合金與難熔合金超過1300有很高強(qiáng)度，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)等。6. 金屬材料的研究現(xiàn)狀金屬材料的研究現(xiàn)狀6.

8、金屬基復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比彈性模量，用于航空航天等領(lǐng)域。7. 共晶合金定向凝固材料超高溫下呈現(xiàn)更高強(qiáng)度，用于制造渦輪葉片等。8. 金屬非晶及微晶材料通過快速冷凝而得到，如金屬玻璃、金屬微晶材料。前者具有超耐腐蝕性、高磁導(dǎo)率、低熱脹系數(shù)等，用于變壓器鐵心；后者具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗疲勞斷裂性等。9. 金屬間化合物原子按照金屬健與部分共價鍵結(jié)合，高溫強(qiáng)度高、抗氧化性好、彈性模量高、密度低，應(yīng)用于多領(lǐng)域。10. 納米金屬材料顆粒徑100nm的金屬材料，具有超導(dǎo)性。用于電子工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等。第一章第一章 金屬材料的主要性能金屬材料的主要性能 教學(xué)重點：金屬材料的力學(xué)性能教

9、學(xué)重點：金屬材料的力學(xué)性能（表達(dá)方式、（表達(dá)方式、測定方法、單位量綱、物理意義）測定方法、單位量綱、物理意義） 教學(xué)難點：拉伸曲線（教學(xué)難點：拉伸曲線（F-l或-曲線）特曲線）特點；硬度實驗過程點；硬度實驗過程 第一節(jié)第一節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能是指金屬材料在受外力作用時所力學(xué)性能是指金屬材料在受外力作用時所反映出來的固有性能。反映出來的固有性能。 金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。 力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。重要依

10、據(jù)。 一、強(qiáng)度與塑性一、強(qiáng)度與塑性 強(qiáng)度強(qiáng)度:材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或斷裂的能力。斷裂的能力。 塑性塑性: :材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形而不破壞的能力。形而不破壞的能力。 拉伸試驗拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)試件低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線Fl：載荷伸長量拉伸曲線 ：應(yīng)力應(yīng)變曲線= F/Ao= L / L0 分別以和為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與拉伸曲線完全相似，只是坐標(biāo)與數(shù)值不同。oe彈性變形階段；彈性變形階段；es屈服階段；屈服階段；sb強(qiáng)化階段；強(qiáng)化階段；bk縮頸階段縮頸

11、階段s-屈服點屈服點 b-開始發(fā)生縮頸現(xiàn)象開始發(fā)生縮頸現(xiàn)象退火低碳鋼力退火低碳鋼力- -伸長曲線伸長曲線 屈服極限屈服極限 S強(qiáng)化階段彈性極限彈性極限 P屈服階段屈服階段強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限 B頸縮階段彈性階段彈性階段強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)1.屈服點屈服點 在拉伸試驗過程中，外力不增加在拉伸試驗過程中，外力不增加(保持恒定保持恒定)，但試樣仍，但試樣仍然能繼續(xù)伸長然能繼續(xù)伸長(變形變形)，這種現(xiàn)象稱屈服。，這種現(xiàn)象稱屈服。S點稱屈服點，點稱屈服點， S點對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服點應(yīng)力。用符號點對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服點應(yīng)力。用符號s表示。屈服點應(yīng)力表示。屈服點應(yīng)力s可按下式計算：可按下式計算： s = Fs / A A

12、0 0 (MPa)式中：式中：Fs試樣屈服時的載荷，試樣屈服時的載荷，N； A A0 0試樣原始橫截面積，試樣原始橫截面積，mm2。 2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力值值，用符號，用符號b表示，單位為表示，單位為Mpa，即即 b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb試樣承受的最大載荷，N； A0試樣原始橫截面積，mm2。 屈服點應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度在設(shè)屈服點應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計機(jī)械和選擇、評定金屬材料時有重要意計機(jī)械和選擇、評定金屬材料時有重要意義義 。 機(jī)械零件多以機(jī)械零件多以s作為強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)。作為強(qiáng)度設(shè)

13、計的依據(jù)。 對于脆性材料，在強(qiáng)度計算時，則以對于脆性材料，在強(qiáng)度計算時，則以b為為依據(jù)。依據(jù)。塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)(1)伸長率伸長率 = （L1-L0）/L0 100%式中：式中： L0試樣原標(biāo)距的長度（試樣原標(biāo)距的長度（mm） L1試樣拉斷后的標(biāo)距長度（試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm） (2) 斷面收縮率斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對收縮值。的相對收縮值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中：A0試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mm2） A1試樣斷面處的最小截面積（試樣斷面處的最小截面積（mm2） 和和愈大，則塑性愈好。

14、良好的塑性是金愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。二、硬度二、硬度 固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。能力。 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。切削加工性。 硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。高度法等。 金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有常用的有布氏硬度布氏硬度機(jī)、機(jī)、洛氏硬度洛氏硬度機(jī)等。機(jī)等。 布氏

15、硬度布氏硬度布氏硬度試驗原理圖布氏硬度試驗原理圖 222)(2102. 0)(mmNdDDDFHBWHBS式中：F試驗力，N； D壓頭的直徑,mm HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測出的硬度值。單位面積所受的力值即為硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度試驗原理圖 試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。 布氏硬度與布氏硬度與洛氏硬度洛氏硬度的特點比較的特點比較 布氏硬度的特點：布氏硬度的特點： 布氏硬度因壓痕面積較大，布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的值的代表性較全

16、面，而且實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性代表性較全面，而且實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般在不能試驗太硬的材料，一般在HB450以以上的就不能使用。上的就不能使用。 由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。 通常用于測定通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。等材料的硬度。 洛氏硬度的特點：洛氏硬度的特點： 洛氏硬度洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查

17、中應(yīng)用最多。在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。 但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。 三、沖擊韌度（三、沖擊韌度（ak） TITANICTITANIC的沉沒與船體材料脆性斷裂失效有關(guān)的沉沒與船體材料脆性斷裂失效有關(guān)! 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度屬材料的沖擊韌度( (大能量、一次沖斷）

18、大能量、一次沖斷）。 試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。度。 沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。量的有效方法。 夏比沖擊試驗夏比沖擊試驗 試驗原理試驗原理 ak = AK/A （Jcm-2） 式中：式中：Ak折斷試樣所消耗的沖擊功（折斷試樣所消耗的沖擊功（J） A試樣斷口處的原始截面積（試樣斷口處的原始截面積（mm2） 沖擊韌度

19、： 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是夏比形缺口試樣，另一種是夏比形缺口試樣 同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其形試樣的a k值明顯大于形試樣的a k，所以這兩種試樣的值a k不能相互比較。對于脆性材料試樣一般不開缺口。 四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度 工程上一些機(jī)件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞 。 零件的疲勞斷裂過程可分為裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展和瞬間斷裂三個階段 。疲勞疲勞的概念的概念: 金屬材料在金屬材料在無數(shù)次重復(fù)無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫做用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，

20、叫做疲疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度。 材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎曲材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎曲疲勞試驗機(jī)上測定。疲勞試驗機(jī)上測定。 疲勞強(qiáng)度的概念 在循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循環(huán)應(yīng)力和斷裂時相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可以用曲線來描述，即之間的關(guān)系曲線，稱疲勞曲線-N 曲線 疲勞曲線 當(dāng)零件所受的應(yīng)力按正弦曲線對稱循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度以符號-1表示，即當(dāng)應(yīng)力低于-1值，既使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂 。無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)：無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)： 對于鋼材為對于鋼材為107， 有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼常取有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼常取108。 -N 曲線 第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的物理、化學(xué)及金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能工藝性能 一、金屬的物理性能一、金屬的物理性能 1 密度密度 2 熔點熔點 3 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 4 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 5 熱膨脹性熱膨脹性 6 磁性磁性 二、金屬的化學(xué)性能二、金屬的化學(xué)性能 它是金屬材料在它是金屬材料在室溫或高溫室溫或高溫時抵抗各種化時抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的學(xué)