金属工艺学_第一篇_金属材料的基础知识上.ppt
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1、其主要内容包括:金属材料的主要性能金属材料的主要性能 铁碳合金铁碳合金 钢的热处理钢的热处理 工业用钢工业用钢2 2材料与性能要求材料与性能要求四大工程材料:钢铁、铝及铝合金、四大工程材料:钢铁、铝及铝合金、塑料、水泥塑料、水泥 力学性能力学性能 强度、塑性、强度、塑性、硬度、硬度、冲击韧性冲击韧性(度度)、疲劳强度、疲劳强度物化性能物化性能密度、耐腐蚀性等密度、耐腐蚀性等工艺性能工艺性能加工成形的难易程度加工成形的难易程度 3 3 第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能一、强度和塑性一、强度和塑性一、强度和
2、塑性一、强度和塑性拉伸试验拉伸试验(GB6397-1986)4 4拉伸试样拉伸试样5 5 低碳钢拉伸试验图分析低碳钢拉伸试验图分析 塑性变形塑性变形阶段阶段 (屈服屈服)颈缩阶段颈缩阶段 断裂阶段断裂阶段 变形阶段的分析:变形阶段的分析:弹性变形阶段弹性变形阶段6 6 N/mm2;MPa 应变应变应变应变:试样单位长度上的伸长量试样单位长度上的伸长量试样单位长度上的伸长量试样单位长度上的伸长量 应力与应变概念应力与应变概念 应力应力应力应力:试样单位横截面上的拉力试样单位横截面上的拉力试样单位横截面上的拉力试样单位横截面上的拉力7 7 r0.2名义屈服强度名义屈服强度 (名义屈服点)(名义屈服
3、点)低碳钢拉伸试验图低碳钢拉伸试验图1.强度指标,强度指标,单位:单位:MPa(N/mm2)b 抗拉强度抗拉强度 s 屈服强度屈服强度(屈服点)屈服点)强度强度:材料在外力作用下,抵材料在外力作用下,抵抗抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的能力的能力。(F)8 8 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度 在工程上常用在工程上常用屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度来表示金属材料的强度来表示金属材料的强度指标。其计算公式为:指标。其计算公式为:屈服强度(屈服点)屈服强度(屈服点)拉伸试样产生拉伸试样产生屈服现象屈服现象时的应力时的应力 s=Fs/A0 (MPa)抗拉强度抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的
4、拉伸试样在拉断前所承受的最大应力最大应力 b=Fb/A0 (M Pa)Fs试样产生试样产生屈服现象屈服现象时所承受的最大载荷时所承受的最大载荷,N Fb-试样在试样在拉断前拉断前所能承受所能承受 的最大载荷的最大载荷,N A0试样原始截面积试样原始截面积,mm 金属不能在超过其金属不能在超过其 s、b 的条件下工作。因此作为强度的条件下工作。因此作为强度设计的依据设计的依据.9 92.塑性指标塑性指标应用中:应用中:10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d0 伸长率:伸长率:试样拉断后试样拉断后,其标距其标距的伸长与原始标注的百分比的伸长与原始标注的百分比.塑塑塑塑性性性性:材材
5、材材料料料料在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下,产产产产生生生生永久变形永久变形永久变形永久变形而不而不而不而不引起破坏引起破坏引起破坏引起破坏的能力的能力的能力的能力。1010断面收缩率断面收缩率:试样拉断后试样拉断后,缩颈处截缩颈处截面积的最大缩减量与原面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比始横截面积的百分比 说明:说明:、值愈大,表明材料的塑性愈好。值愈大,表明材料的塑性愈好。式中式中 A0试样的原始截面积,试样的原始截面积,mm;A1试样拉断后试样拉断后,断口处横截面积,断口处横截面积,mm;缩颈缩颈=(A0 A1)/A0100%1111二、硬度(硬度(HB、HR)硬度硬
6、度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。它是材料性能的一个综合的物理量,表示金属它是材料性能的一个综合的物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性弹性变形、塑性变形或破断的能力。变形或破断的能力。是衡量金属是衡量金属软硬软硬的指标。直的指标。直接影响金属材料的耐磨性。接影响金属材料的耐磨性。常用的有常用的有布氏硬度布氏硬度和和洛氏硬度洛氏硬度12121.布氏硬度布氏硬度HBS(以淬火钢球为压头)(以淬火钢球为压头)用于测定用于测定软性材质软性材质(HBS450)测试原理图测试原理图:HBS测定测定 1313 压头直
7、径压头直径压头直径压头直径:10mm10mm、5mm5mm、2.5mm2.5mm 载荷载荷载荷载荷:30000N30000N、7500N 7500N、1870N 1870N 特点:特点:特点:特点:优点优点优点优点:测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点缺点缺点缺点:测量费时,且压痕较大,测量费时,且压痕较大,测量费时,且压痕较大,测量费时,且压痕较大,不适合成品检验。不适合成品检验。不适合成品检验。不适合成品检验。适用范围:适用范围:适用范围:适用范围:用于测定用于测定用于测定用于测定软性材质软性
8、材质软性材质软性材质(HBS450HBS450)如如如如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。灰口铸铁、软钢和非铁合金等。灰口铸铁、软钢和非铁合金等。灰口铸铁、软钢和非铁合金等。HBWHBW-以以以以硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金为压头的新型布氏硬度计为压头的新型布氏硬度计为压头的新型布氏硬度计为压头的新型布氏硬度计 1414 HRC测定测定2、洛氏硬度洛氏硬度HRC(120120。金刚石压头、金刚石压头、金刚石压头、金刚石压头、140kgf140kgf)用于测定用于测定硬质硬质表面表面,材料(材料(2070 HRC)测试原理图:测试原理图:F1515 压头直径压头直径压头直径压头直径:120:12
9、0。金刚石压头金刚石压头金刚石压头金刚石压头、1.5875mm1.5875mm钢球、钢球、钢球、钢球、3.175mm3.175mm钢球钢球钢球钢球 主载荷主载荷主载荷主载荷:140kgf140kgf、50kgf50kgf、90kgf 90kgf、特点:特点:特点:特点:优点优点优点优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤测试简便、迅速、因压痕小、不损伤测试简便、迅速、因压痕小、不损伤测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件,零件,零件,零件,适合成品检验。适合成品检验。适合成品检验。适合成品检验。缺点缺点缺点缺点 测得的硬度值重复性较差,需在不同的测得的硬度值重复性较差,需在不同的测得的硬度值重复
10、性较差,需在不同的测得的硬度值重复性较差,需在不同的 部位测量数次。部位测量数次。部位测量数次。部位测量数次。适用范围:适用范围:适用范围:适用范围:用于测定用于测定用于测定用于测定硬质硬质材质材质材质材质(2070 HRC)如如如如:淬火钢、调质钢等。淬火钢、调质钢等。淬火钢、调质钢等。淬火钢、调质钢等。1616 三、韧性三、韧性 金属在断裂前金属在断裂前金属在断裂前金属在断裂前吸收的变形能量吸收的变形能量吸收的变形能量吸收的变形能量韧性韧性韧性韧性。其常用指标为其常用指标为-冲击韧度(冲击韧度(ak)1717用冲击试验测定冲击韧度用冲击试验测定冲击韧度 1818 计算公式:计算公式:ak=
11、Ak/S(J/cm)用单位面积上的冲击功来表示用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击冲击韧度韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功,冲断试样所消耗的冲击功,J;S试样缺口处的横截面积,试样缺口处的横截面积,cm。冲击值一般作为选材的参考,不直接用于强度计算。冲击值一般作为选材的参考,不直接用于强度计算。试验表明:在冲击能量不大的情况下,试验表明:在冲击能量不大的情况下,金属材料承受多次金属材料承受多次金属材料承受多次金属材料承受多次重复冲击的能力,主要决定于强度重复冲击的能力,主要决定于强度重复冲击的能力,主要决定于强度重复冲击的能力,主要决定于强度,而不是要求过高的冲,而不是要求过高的冲击韧度击韧度
12、。ak 值值 对组织缺陷很敏感,因此对组织缺陷很敏感,因此,冲击试验在生产上用来冲击试验在生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。1919四、四、疲劳强度疲劳强度 (-1)(-10.5b)金属材料在金属材料在金属材料在金属材料在无数次重复或交变载荷无数次重复或交变载荷无数次重复或交变载荷无数次重复或交变载荷的作用下而不致的作用下而不致的作用下而不致的作用下而不致引起断裂的最大应力引起断裂的最大应力引起断裂的最大应力引起断裂的最大应力疲劳强度。疲劳强度。疲劳强度。疲劳强度。在机械零件中有许多零件,如在机械零件中有许多零件,如连杆连杆、齿轮
13、、齿轮、弹簧弹簧、曲轴曲轴等,是在等,是在交变载荷交变载荷的作用下工作的。这种受交变应的作用下工作的。这种受交变应力的零件,发生断裂时的应力。远力的零件,发生断裂时的应力。远低于低于该材料的该材料的屈服强屈服强度度,这种破坏现象叫做,这种破坏现象叫做疲劳疲劳破坏。据统计,约有破坏。据统计,约有80%的的机件失效都可归咎于疲劳破坏。机件失效都可归咎于疲劳破坏。金属材料所承受重复或交变载荷应力(金属材料所承受重复或交变载荷应力()与其断裂)与其断裂前的应力循环次数(前的应力循环次数(N)有如图所示的疲劳曲线关系。有如图所示的疲劳曲线关系。2020疲劳曲线疲劳曲线 当应力降至某值后,当应力降至某值后
14、,疲疲劳曲线成为水平,劳曲线成为水平,即表示该材料可能经受无即表示该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生数次应力循环而仍不发生疲劳断裂,这个应力叫做疲劳断裂,这个应力叫做疲劳强度极限。疲劳强度极限。用应力循环基数表示:用应力循环基数表示:钢为钢为107 非铁合金为非铁合金为10821215、几种常用金属材料的力学性能、几种常用金属材料的力学性能 牌牌 号号力力 学学 性性 能能 应应 用用b/MPas%HBSHRCkQ235-A400 23526工程结构工程结构 45钢钢6101622955(淬(淬火)火)轴、杆轴、杆ZG310-57057031015 3铸钢件铸钢件ZAlSi2143450
15、活塞活塞 HT250250气缸体气缸体QT700-27004202270曲轴曲轴2222复习题复习题1.解释应力与应变的概念解释应力与应变的概念2.说明说明S、0.2、b、1 、k、45-50HRC、300HBS的名称和含义的名称和含义3.查阅有关资料列表统计如下材料的力学性查阅有关资料列表统计如下材料的力学性能指标值:能指标值:Q215-A;35;T10;HT300;QT450-10;ZG340-640(ZG55);ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜锡青铜);ZAlSi7Mg(ZL101)。2323 第二章第二章 铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金根据含碳量的不同可分为铁碳合金根据含碳量的不
16、同可分为:碳钢碳钢:C2.11%;生铁:生铁:2.11%C5%.(铸铁:(铸铁:2.8%C4.0%)图3-3 40钢的显微组织 400 图3-4 60钢的显微组织 400 组织:F+P 组织:P(黑色)+F(白色网状2424第一节第一节 金属的晶体结构与同素异晶转变金属的晶体结构与同素异晶转变金属(纯铁、铜、金属(纯铁、铜、铝等)都是晶体铝等)都是晶体晶体晶体原子按一定的次序作有规则原子按一定的次序作有规则的排列。如金刚石、石墨等。的排列。如金刚石、石墨等。非晶体非晶体原子作不规则的排列。原子作不规则的排列。如玻璃、沥青等。如玻璃、沥青等。晶格晶格把每个原子看成一个点,把每个原子看成一个点,此
17、点代表原子的振动中心此点代表原子的振动中心,将这些点用将这些点用直线连接起来,形成的空间格子。直线连接起来,形成的空间格子。晶胞晶胞晶格的最小单元。晶格的最小单元。晶胞晶胞2525一、金属的结晶:金属的结晶:金属由液态冷却变成固态,原子由金属由液态冷却变成固态,原子由不规则不规则排列排列有规则有规则的排列的排列 无序无序 有序有序 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图 金属结晶过程金属结晶过程 形核长大形核长大晶粒晶粒2626金属和合金多为多晶体结构金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面(边界)称晶粒间的接触面(边界)称为晶界。为晶界。细化晶粒的方法细化晶粒的方法 (1)快速冷却,增加晶核数
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