金属工艺学金属材料工艺基础.ppt

金属工艺学学习模式绪论n课程性质：专业基础课。属于工艺学的范畴，是研究金属零件和构件加工工艺方法，即从材料选择、毛坯制造、零件切削加工、装配的综合性学科。金属工艺学是实践性很强的技术基础课，有利于对学生进行技能训练，有利于培养学生具有更高的实际能力和开拓精神。技能训练不仅是指操作工具和设备，或者进行实验，还有工程实践和工程意识训练。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。n本课程的主要内容常用金属材料的基本知识，包括结构、性能及对加工过程的影响、材料改性（热处理）；各种金属加工方法的基本原理及其规律性。（铸、压、焊、切削加工）；加工方法的综合对比、选用；金属制件的结构工艺性。n课程特点（1）综合性（2）实践性n学习目的和要求（1）掌握工艺方法的基本原理（2）具有初步的工艺路线设计能力第一篇 金属材料的基本知识n工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按化学组成与结合键分：金属材料；非金属材料：包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料。n金属材料包括黑色金属和有色金属；良好的使用性能、工艺性能用。量最大、应用最广泛第一章 金属材料的主要性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力学性能（2）物理性能（3）化学性能 2.工艺性能 加工成形的性能第一节 金属材料的力学性能n力学性能：材料在不同环境因素下，在力的作用下所表现的失效行为，这种行为通常表现为金属的变形和断裂，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依据。金属材料的力学性能是通过实验测定的。五万吨水压五万吨水压机机n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（动载荷）：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。静载荷静载荷 动载荷动载荷 交变载交变载荷荷强度、塑性和硬度冲击韧度疲劳强度材料在不同性质的载荷作用下，其抵抗失效的能力用不同的力学性能指标！1强度和塑性n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n塑性材料在断裂前发生永久变形的能力。n试验方法拉伸试验和拉伸曲线试样：按国家标准GB/T228-2010标准。n试样 普通低碳钢拉伸试验应力：应力：=F F/A A0 0 （MPa）应变：应变：=L L/L L0 0普通低碳钢拉伸试验强度屈服强度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：对无明显屈服现象的金属材料，工程上规定以试样产生0.2%塑性变形时的应力，作为该材料的屈服强度。式中：式中：s试样产生屈服时的应力，MPa；Fs试样屈服时所承受的最大载荷，N；A0试样原始截面积，mm2。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。式中：式中：b：试样在拉断前所能承受的应力，MPa；Fb：试样在拉断前所承受的最大载荷，N；A0：试样原始截面积，mm2。在评定金属材料及设计机械零件时，屈服点和抗拉强度有重要意义。机械零件多以s作为强度设计的依据。对于脆性材料则以b为依据。塑性指标：在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标为伸长率和断面收缩率。伸长率：式中：式中：L0试样原始标距的长度，mm；L1试样拉断后的标距长度，mm。注意：同一材料，短试样伸长率的值比长试样大！断面收缩率：试样拉断后，颈缩处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，以 表示。式中：式中：A0试样的原始横截面积，mm2；A1试样拉断后，断口处横截面积，mm2 。和数数值值愈愈大大，表表示示材材料料的的塑塑性性愈愈好好。良良好好的的塑塑性性不不仅仅是是金金属属材材料料进进行行塑塑性性加加工工和和焊焊接接的的必必要要条条件件，而而且且增增加加零零件件的的安全性。安全性。动画1-1-312硬度n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。n意义：与耐磨性以及工艺性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。n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n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）。F n标注压头为钢球时，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，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。之前的数字表示硬度值,布氏硬度的单位为MPa，一般不标出；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。n试验规范的选择：根据金属材料的种类、工件硬度范围选择压头种类和直径、载荷、保持时间。n布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。n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。传统的布氏硬度计以淬火钢球为压头，以HBS表示，这种硬度计在我国已生产和使用达半个世纪之久。它可通过改变压头钢球的直径和载荷的大小测试不同材料、不同厚度的试样。2002年以后，这种硬度计停止使用。n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(MPa)3.4HB 对于铸铁：b(MPa)1HB或 b(MPa)0.6(HB-40)在金属材料中，各种硬度与强度间有一定的换算关系，故在零件图的技术条件中，通常只标出硬度要求。洛氏硬度n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1.5875及3.175mm的钢球）n计算公式：HRC=100-h/0.002 原理见动画1-2-41n表示和标注洛氏硬度用符号HR表示，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，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。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度：英国的维克斯Vickers公司l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。l当载荷的单位为N时lHV=0.1891F/d2(MPa)n测量规范：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)。n选用原则：根据材料硬度、硬化层、试样厚度。n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。n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3韧性n韧度：金属材料断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。常用指标为冲击韧度。n冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。冲击韧度：式中：k冲击韧度（冲击值）J/cm2;K冲断试样所吸收的能量（在刻度盘上直接读出），J；A试样缺口处的横截面积，cm2。n应用：冲击韧度只作为选材参考，在判别金属材料抵抗大能量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。Titanic近代船用钢板近代船用钢板4疲劳强度n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。n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）。如图所示。疲劳破坏原理见动画1-3-11n 疲劳曲线n 疲劳强度：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。n条件疲劳极限不存在疲劳极限时，规定循环基数时的断裂应力钢材以107为基数，即循环次数达到107仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲劳断裂。对于非铁合金和某些高强度钢，则常取为108 为基数。n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。n提高材料疲劳强度：改善其形状结构，减少应力集中；采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、进行喷丸处理和表面热处理等。同时，应控制材料的内部质量，避免气孔、夹渣等缺陷。第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能 2.1 物理性能n密度n熔点n热膨胀性n导热性n导电性等 由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。飞机零件常选用密度较小的铝、镁、钛合金来制造设计电动机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性、磁性。高速钢导热性较差，锻造加热的时候应该采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹材料的导热性对切削刀具的温度升高也有重要影响。导热性很差的材料，切削温度极易过高。锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备不同。2.2 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。n耐酸性n耐碱性n抗氧化性 化工设备、医疗和食品用具常采用不锈钢来制造内燃机的排气阀、汽轮机和电站设备的些零件常选用耐热钢来制造。2.3 工艺性能工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。n铸造性n可锻性n焊接性n切削加工性按工艺方法的不同n铸造性能流动性收缩性偏析倾向 常用金属材料中，灰铸铁和铸造青铜的铸造性能较好。n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。冲压件锻件n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。n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。