《金屬材料的性能》PPT課件.ppt

1、同學(xué)們好,金 屬 工 藝 學(xué) 王曉東 徐長思主編武漢大學(xué)出版社,緒 論,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的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。 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； （3）常用金屬材料性能對加工工藝的影響等。 金屬工藝學(xué)中涉及到的知識點(diǎn)在機(jī)械制造工程中的地位。,課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求,性質(zhì)： 研究常用工程材料及其成形方法的綜合性課程 體現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)密切結(jié)合的技術(shù)基礎(chǔ)課程,任務(wù)和要求： 了解產(chǎn)品的制造過程 掌握常用工程材料的種類與性能，能初步選用 掌握材料成形的基本原理和工藝特點(diǎn)，

2、能初步運(yùn)用,如何學(xué)好本課程？,即使天上掉餡餅，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？,為了應(yīng)付考試？ 記錄老師講課重點(diǎn)（經(jīng)常提到） 為了工作需要？ 認(rèn)真讀懂教材和參考書 為了擴(kuò)大知識面？ 廣泛涉及課外書籍、勤于思考,約 定,字跡工整、按時獨(dú)立完成作業(yè),課堂內(nèi)不吃東西,關(guān)閉通信等能夠發(fā)出聲音的工具,.,做不到的是,不遲到,第一章 金屬材料性能,1. 材料工業(yè)的重要程度,材料作為能制造有用物品的物質(zhì)，與能源和信息共同構(gòu)成了人類社會賴以生存與發(fā)展的基本資源，故材料、能源和信息并列為現(xiàn)代科學(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)

3、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石器時代、青銅時代、鐵器時代，而今正處于人工合成材料的新時代。,我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一,2. 工程材料的分類,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,材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術(shù)也不同。,3. 什么是金屬材料,金屬材料以金屬元素為主要成分、原子通過金屬鍵結(jié)合而成的一類固體材料。,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

4、 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,4. 金屬材料的發(fā)展歷史,1820年：（英）法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

5、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,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。 金屬材料具有其他材料不能完全取代的獨(dú)特性質(zhì)和使用性能。,6. 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

6、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。 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,6. 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

7、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 金屬材料的性能,教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能（表達(dá)方式、測定方法、單位量綱、物理意義） 教學(xué)難點(diǎn)：拉伸曲線（F-l或-曲線）特點(diǎn)；硬度實(shí)驗(yàn)過程,第一節(jié) 金屬材料的機(jī)械性能,金 屬 材 料 的 主 要 性 能,使用性能指材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性 能。 工藝性能指材料對各種加工工藝適應(yīng)的能力。 金屬材料的使用性能 力學(xué)性能金屬材料在外力（載荷）作用下， 所表現(xiàn)的抵抗變形和破壞的能力。,一、強(qiáng)度與塑性,強(qiáng)度:材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或斷裂的能力。 塑性:材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形而

8、不破壞的能力。 拉伸試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)試件,低碳鋼拉伸曲線,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。,屈服極限S,強(qiáng)化階段,彈性極限P,屈服階段,強(qiáng)度極限B,頸縮階段,彈性階段,強(qiáng)度指標(biāo),1.屈服點(diǎn) 在拉伸試驗(yàn)過程中，外力不增加(保持恒定)，但試樣仍然能繼續(xù)伸長(變形)，這種現(xiàn)象稱屈服。S點(diǎn)稱屈服點(diǎn)， S點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服點(diǎn)應(yīng)力。用符號s表示。屈服點(diǎn)應(yīng)力s可按下式計算： s = Fs / A0 (MPa) 式中：Fs試樣屈服時的載荷，N； A0試樣原

9、始橫截面積，mm2。,2抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力值，用符號b表示，單位為Mpa，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(diǎn)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義 。 機(jī)械零件多以s作為強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)。 對于脆性材料，在強(qiáng)度計算時，則以b為依據(jù)。,塑性指標(biāo),(1)伸長率 = （L1-L0）/L0 100% 式中： L0試樣原標(biāo)距的長度（mm） L1試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）,(2) 斷面收縮率 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。 = （A0-A1）/A0

10、 100% 式中：A0試樣的原始截面積（mm2） A1試樣斷面處的最小截面積（mm2） 和愈大，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。,二、硬度,固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。 金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。,布氏硬度,布氏硬度試驗(yàn)原理圖,式中：F試驗(yàn)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,1.布

11、氏硬度 （1）試驗(yàn)原理： （2）符號 HB （3）表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX （4）應(yīng)用范圍： 測定結(jié)果較穩(wěn)定、準(zhǔn)確， 但不宜測薄件或成品件。 HBS用于測小于450 的材料；HBW用測小于650的材料。主要用來 測灰鑄鐵、有色金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處 理的鋼材。,洛氏硬度,洛氏硬度試驗(yàn)原理圖,試驗(yàn)時，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力，壓入試樣表面之后，去除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)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。,（1）試驗(yàn)原理：用頂角為1200的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗(yàn)力F1（98N）及總試驗(yàn)力F作用下

12、，將壓頭壓入試樣表面，按規(guī)定保持時間后卸除主試驗(yàn)力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度。 （2）符號 HR （3）表示方法 在符號前寫出硬度值。 （4）應(yīng)用范圍 可直接測量成品或較薄工件，但結(jié)果不夠準(zhǔn)確。,布氏硬度與洛氏硬度的特點(diǎn)比較,布氏硬度的特點(diǎn)： 布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實(shí)驗(yàn)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，不能試驗(yàn)太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。 由于壓痕較大，成品檢驗(yàn)也有困難。 通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。,洛氏硬度的特點(diǎn)： 洛氏硬度HR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，故在鋼件熱處

13、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。,三、沖擊韌度（ak）,有些機(jī)件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機(jī)的起落架等。 瞬時沖擊引起的應(yīng)力和應(yīng)變要比靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變大得多，因此在選擇制造該類機(jī)件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。,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。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。 試驗(yàn)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)度。 沖擊值對組織

14、缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。,夏比沖擊試驗(yàn) 試驗(yàn)原理,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,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 。,疲勞的概念:,金屬材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不致引

15、起斷裂的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度。 材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎曲疲勞試驗(yàn)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)： 對于鋼材為107， 有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼常取108。,-N 曲線,第二節(jié) 金屬材料的物理性能和化學(xué)性能,一、金屬的物理性能 1 密度 2 熔點(diǎn) 3 導(dǎo)熱性 4 導(dǎo)電性 5 熱膨脹性 6 磁性,二、金屬的化學(xué)性能 它是金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力， 1. 耐腐蝕性(如耐酸性、耐堿性等) 2抗氧化性 3化學(xué)穩(wěn)定性,第三節(jié) 金屬材料工藝性能,工藝性能是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等 1、鑄造性能 金屬在鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能