金属材料导论精选文档.ppt

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1、金属材料导论本讲稿第一页，共二十三页 机械制造中所用的金属材料以合金为主，很少使用纯金属，原因是合金比纯金属具有更好的力学性能和工艺性能，且价格低廉。合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼或烧结制成的具有金属特性的材料。最常用的合金是以铁为基础的铁碳合金，如碳素钢、合金钢、灰铸铁等；还有以铜或铝为基础的黄铜、青铜、硅铝明等。本讲稿第二页，共二十三页 用来制造机械设备的金属及合金，应具有优良的力学性能和工艺性能、较好的化学稳定性和所需的物理性能。因此，在设计零件时，必须首先熟悉金属及合金的各种主要性能，方能依据零件的技术要求合理地选用所需的金属材料。本篇主要介绍金属材料的基础知识

2、，为学习本课程中铸造、压力加工和焊接等加工工艺奠定必要的基础。本讲稿第三页，共二十三页 第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能本讲稿第四页，共二十三页 第一节 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能。力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。金属材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。本讲稿第五页，共二十三页一、强度与塑性一、强度与塑性金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成图11所示的标准试样(参见GB6397-86金属拉伸试样)，

3、图中do为试样直径，lo为测定塑性用的标距长度。试验时，在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F和伸长量l，并绘出拉伸曲线。本讲稿第六页，共二十三页拉伸实验拉伸实验本讲稿第七页，共二十三页由图可见:在开始的Oe阶段，载荷F与伸长量l为线性关系，并且，去除载荷，试样将恢复到原始长度。在此阶段试样的变形称为弹性变形。载荷超过F。之后，试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形。当载荷增大到Fe之后，拉伸图上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现象称为“屈服”，s点称

4、为屈服点。本讲稿第八页，共二十三页 当载荷超过Fb以后，试样上某部分开始变细，出现了缩颈”，由于其截面缩小，使继续变形所需载荷下降。载荷到达载荷到达Fk时，试样在缩颈处断裂。时，试样在缩颈处断裂。1强度强度 强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种判据，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。(1)屈服点 它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力。它可按下式计算：Fs试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；Ao试样原始截面积，mm2。本讲稿第九页，共二十三页(2)抗拉强度 指金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以b表示。它可按下式计算：Fb试样在拉断前所承受的最大载荷，N；Ao试样原始

5、截面积，mm2。2塑性塑性 塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率来表示：=L1-loloX100%lo试样原始标距长度，mm；L1试样拉断后的标距长度，mm。本讲稿第十页，共二十三页 必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较如lo=10do时，用 10或 表示；lo=5do时，用 5表示。金属材料的塑性也可用断面收缩率表示：=A0-A1A0X100%Ao试样的原始截面积，mm2；A1试样拉断后，断口处截面积，mm2。和值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一超载

6、，由于产生塑性变形，能够避免突然断裂。本讲稿第十一页，共二十三页二、硬二、硬 度度 金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度硬度。硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度，才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高时，则给切削加工带来困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应用十分广泛。金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有时还采用维氏硬度法。本讲稿第十二页，共二十三页1布氏硬度(HB)布氏硬度的测试原理如图13所示。以直径为D的淬火钢球或硬

7、质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压人被测材料的表面(图13a)；停留若干秒后，卸去载荷(图13b)。然后，采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。布氏硬度计的压头直径有声 10mm、5mm、2.5mm三种，而载荷有30 000 N、7 500 N、1 870N等数种，供不同材料和不同厚度试样测试时选用。其中常用的压头直径10 mm，载荷为30 000N。本讲稿第十三页，共二十三页布氏硬度布氏硬度(HB)试验试验本讲稿第十四页，共二十三页 布氏硬度法因压痕面积较大、其硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点是测量费时

8、，且因压痕较大，不适于成品检验。由于测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。必须看到，新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的适用范围扩大。为了区别不同压头测出的硬度值，将钢球压头测出的硬度值标以符号HBS，而将硬质合金球压头测出的硬度值标以HBW。本讲稿第十五页，共二十三页2洛氏硬度(HR)洛氏硬度的测试原理是以顶角为120金刚石圆锥体(或 1.588mm淬火钢球)为压头，在规定的载荷下，垂直地压人被测金属表面，卸载后依据压人深度九，由刻度盘上的指针直接指示出HR值(图14)。

9、为使洛氏硬度计能够测试从软到硬各种材料的硬度，其压头及载荷可以变更，而刻度盘上也有三个不同的硬度标尺。表11列出了各个硬度标尺的压头、总载荷及其适用材料。其中，HRC在生产中应用最广。标尺 压 头 总载荷/N 适用测试教材 有效植HRA 120金刚石圆锥体 600 硬质合金、表面淬火钢 7085HRB 1.588mm淬火钢球 1000 退火钢、非铁合金 25 100HRC 120金刚石圆锥体 1500 一般淬火件 20 67 表表1-1 洛氏硬度的测试范围洛氏硬度的测试范围本讲稿第十六页，共二十三页洛氏硬度洛氏硬度(HR)试验试验本讲稿第十七页，共二十三页三、韧三、韧 性性 金属材料断裂前吸收

10、的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时，一般是将带缺口的标准冲击试样(参见GBT22994)放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示其冲击韧度，即ak=AkA（J/cm2）ak冲击韧度(冲击值)；Ak冲断试样所消耗的冲击功，J；A试样缺口处的截面积，cm2。本讲稿第十八页，共二十三页 四、疲劳强度 机械上的许多零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷(称为疲劳载荷)的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称作疲劳断。金属材料所承受

11、的疲劳应力()与其断裂前的应力循环次数(N)，具有图15所示的疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度，亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号-1表示。本讲稿第十九页，共二十三页 产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。为了提高零件的疲劳强度，除应改善其结构形状、减少应力集中外

12、，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。同时，应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。本讲稿第二十页，共二十三页第二节第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能金属材料的物理、化学及工艺性能一、物理性能一、物理性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。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。例如，飞机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金来制造；设计电机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性等。金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材

13、料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。本讲稿第二十一页，共二十三页二、化学性能 金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件，由于比在空气中或室温时的腐蚀更为强烈，故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金。如化工设备、医疗用具等常采用不锈钢来制造，而内燃机排气阀和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。本讲稿第二十二页，共二十三页三、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。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。例如，灰铸铁的铸造性能优良，是其广泛用来制造铸件的重要原因，但它的可锻性极差，不能进行锻造，其焊接性也较差。又如，低碳钢的焊接性优良，而高碳钢则很差，因此焊接结构广泛采用低碳钢。本讲稿第二十三页，共二十三页