工程材料与机械制造基础(CH1).ppt

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1、工程材料与热加工工艺基础工程材料与热加工工艺基础绪论绪论一、本课程研究的对象一、本课程研究的对象材料是推动人类进步的物质基础。历史学家根据材料来划分历史时代石器、青铜、铁器时代。本课程主要研究工程材料中的一部分金属材料及其成形方法。1、常用金属材料、常用金属材料金属材料有好的性能：使用性能（力学、物理、化学）和工艺性能（成形性）宏观性能是由微观的组织结构决定的，而组织结构又取决于化学成分、加工工艺，所以本课程还研究：2、金属材料的化学成分、内部组织、加工工艺与性能、金属材料的化学成分、内部组织、加工工艺与性能（力学性能与工艺性能）之间关系及规律性。（力学性能与工艺性能）之间关系及规律性。3、研

2、究改变材料性能的途径。、研究改变材料性能的途径。4、金属材料的成形方法、金属材料的成形方法(铸造铸造锻压锻压焊接焊接)二、本课程的性质二、本课程的性质是机械类、近机类各专业重要的技术基础课。三、课程的内容与特点三、课程的内容与特点内容：内容：1、金属学基础晶体结构与结晶，相图，塑性变形与再结晶。2、钢的热处理原理与工艺3、常用的金属材料-碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及合金。4、金属材料的成形方法（铸造、锻压、焊接）共48学时（36学时讲课+4学时讨论+5学时实验+3学时机动）特点：特点：与专业课更相似，运用数学公式推导较少，借助图表文字表达叙述性强，有相应的理论基础，与生产实践结合较多。四、学

3、习中注意的几个问题四、学习中注意的几个问题1、掌握重要的概念、规律、基础理论2、理论联系实际3、注意自己能力的培养4、较快的适应这类课程的学习。五、学习后应达到的要求五、学习后应达到的要求1、根据零件的性能要求，能初步合理的选用金属材料。2、能较合理的安排典型零件的加工工艺路线及确定热处理工艺方法。3、根据零件结构特点等能较合理的选择材料成形方法。参考教材：参考教材：辅助教材：辅助教材：“工程材料学、热加工工艺基础工程材料学、热加工工艺基础”学习指导、学习指导、习题，自编。习题，自编。1.“工程材料（第工程材料（第2版）版）”郑明新主编，郑明新主编，1994.2，清华大学，清华大学出版社。出版

4、社。2.“机械工程材料机械工程材料”王焕庭主编，王焕庭主编，1993.10，大连理工大学，大连理工大学出版社。出版社。3.“机械工程材料机械工程材料”崔占全等主编，崔占全等主编，2003.2，机械工业出，机械工业出版社。版社。4.“材料成形工艺基础材料成形工艺基础”，翟封祥、尹志华主编，哈尔滨，翟封祥、尹志华主编，哈尔滨工业大学出版社。工业大学出版社。课堂纪律课堂纪律答疑安排？各班班长安排一名课代表答疑安排？各班班长安排一名课代表机器制造工艺流程简介机器制造工艺流程简介 总体设计 零部件设计 产品设计 决定功能，选材 定技术要求，绘出图纸 决定生产方案(铸、锻、压、焊）工艺准备 制定工艺规程及

5、工艺卡 设计并制造工装 铸件 粗加工毛坯生产 锻压件 切削加工 半精加工 焊接件 精加工 组件、部件装配装配与调试 总装 装箱出厂 调试第一章第一章工程材料的种类与性能工程材料的种类与性能1-1工程材料的分类工程材料的分类1、金属材料、金属材料（黑色金属和有色金属）应用最广、用量最大、承载能力最高的仍是黑色金属。有色金属中的轻金属（铝、镁、钛合金）在航空工业中有重要意义。2、非金属材料（无机非金属材料、非金属材料（无机非金属材料、有机非金属材料有机非金属材料）陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材（无机非金属材料）（无机非金属材料）陶瓷材料最大的特点是有高的硬度、高的耐磨性、

6、高的抗蚀性和抗氧化能力。最大的弱点是脆性大，塑性低。很少用于常温下受力的结构材料，但是耐高温。聚合物聚合物工程塑料、橡胶和合成纤维工程塑料、橡胶和合成纤维（有机非金属材料）（有机非金属材料）即高分子材料，由许多分子量很大的大分子组成。3、复合材料（树脂基和金属基两种）、复合材料（树脂基和金属基两种）复合材料的性能不同于组成它的任何单一材料的性能。1-2工程材料的力学性能工程材料的力学性能力学性能是指材料在受外力作用下或力与环境因素（温度、介质）共同作用下所表现出来的性能。是零件设计、材料选用、工艺评定等的重要依据。一、几个概念一、几个概念1、变形：、变形：材料在外力作用下引起尺寸和形状的变化。

7、分为：弹性变形外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又恢复原状的变形。塑性变形：外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还保留一部分变形，这种残留的永久变形叫塑性变形。2、应变、应变：变形量与原尺寸之比。=L/L=V/V3、应力应力：单位面积上的内力。=P/F(kg/mm2)(N/mm2MPa)1 kg/mm210 Mpa=107pa4、屈服屈服：材料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发生的现象。二、二、拉伸试验拉伸试验图6.拉伸试样（a）拉伸前（b）拉伸后图7.低碳钢的拉伸曲线 图8.低碳钢的应力应变曲线二、二、拉伸试验拉伸试验（一）强度（一）强度材料在外力的作用下抵抗某种现象（塑性变形、

8、断裂）的能力。1、弹性极限（、弹性极限（e）e=Pe/Fo MPa (Pe:材料在弹性变形范围内产生最大弹性变形时所承受的力N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2。）表示材料产生完全弹性变形所能承受的表示材料产生完全弹性变形所能承受的最大应力。最大应力。一些精密零件，如精密弹簧、枪炮管等工作中不允许产生微量塑性变形，设计时应以e选材。弹性模量弹性模量E弹性模量E是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值。拉伸时E=/，在工程上E称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。力。E越大，在一定的外力下引起的弹性变形越小，即材料的刚度越大。注：零件的刚度与材料的刚度

9、不是一回事，零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与零件的结构有关。零件拉伸时的刚度为A0E（A0为零件的截面积）。E的大小取决于材料的本性原子结合键能的高低，键能大，E就大。材料的成分与组织的变化影响不明显。2、屈服强度（、屈服强度（S或0.2)S=PS/Fo MPa (Ps:材料屈服时承受的最小力，N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2。）表示材料对明表示材料对明显塑性变形的抗力。显塑性变形的抗力。对拉伸曲线上不出现明显屈服现象的材料。国家标准规定以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料承受的应力为“规定屈服强度”，以 0.2 表示。大多数的机器零件在工作中都不允许产生明显的塑性变形

10、，因此，S是设计和选材的主要依据。3、抗拉强度（、抗拉强度（b）b =P b/Fo MPa (P b:材料在断裂前承受的最大载荷，N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2。）对塑性材料，b表示材料对最大均匀变形的抗力。表示材料对最大均匀变形的抗力。（二）塑性（二）塑性材料发生塑性变形而不断裂的能力。常用延伸率和断面收缩率表示。1、延伸率（、延伸率（）试样拉断后标距增长量与原始长度之比。=L1-L0/L0 由于 包括均匀伸长和集中伸长两部分，其中集中伸长量与试样的尺寸有关，所以同一材料 10与 5不同。51.2 10,比较材料塑性时只能是相同符号进行比较。2、断面收缩、断面收缩率率 试样拉断处截

11、面积的缩减量与原始截面积之比。=F0-F1/F0。断面收缩率不受试样尺寸影响，能可靠地反映材料的塑性。和和 越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行塑性加工的条件。材料的塑性好，零件在工作中不会因塑性加工的条件。材料的塑性好，零件在工作中不会因超载而突然断裂，较安全，这就是大多数零件除要求高超载而突然断裂，较安全，这就是大多数零件除要求高强度外，还要有一定塑性的道理。强度外，还要有一定塑性的道理。三、硬度试验三、硬度试验材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，根据硬度值可估计出材料的

12、强度值和耐磨性，并且与材料的冷成形性、焊接性、切削加工性都有一定的联系，所以硬度试验在实际生产中应用很广泛。常用的压入法硬度试验有：常用的压入法硬度试验有：1、布氏硬度（、布氏硬度（HB）淬火钢压头适合测较软的材料HBS450。硬质合金球压头以HBW表示，适合测较硬的材料HB450650。布氏硬度的优点是测量的压痕面积大，精度高。但不能用于成品件的检验图10 布氏硬度测量示意图(a)加载状态 b)卸载状态2、洛氏硬度、洛氏硬度与布氏硬度不同，洛氏硬度是根据压痕的深度而不是压痕直径计算硬度。可以从硬度计刻度盘上直接反映出数值，无需测量压痕深度。根据所加载荷和压头材料不同，洛氏硬度分为15种，但常

13、用的有3种。分别用HRA、HRB、HRC表示（总载荷分别为60、100、150Kg)。洛氏硬度的优点是操作简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点是测量精度不高。注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换成注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换成同一级别后才能比较。同一级别后才能比较。四、冲击试验四、冲击试验冲击韧性冲击韧性ak：表示材料抵抗冲击载荷的能力。表示材料抵抗冲击载荷的能力。用用101055mm带缺口的带缺口的标准试样，在摆锤的一次冲击标准试样，在摆锤的一次冲击下打断，测定试样断口处单位下打断，测定试样断口处单位面积所消耗的功，即：面积所消耗的功，即：ak=A/F=G（H1-

14、H2)/F(J/cm2)J=Nm图12 冲击试验示意图四、冲击试验四、冲击试验冲击韧性是对材料的微观组织的微小变化十分冲击韧性是对材料的微观组织的微小变化十分敏感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本敏感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本一样时，其冲击值可能差别很大。另外，一样时，其冲击值可能差别很大。另外，ak与与温度有很大关系，一般低温时材料的温度有很大关系，一般低温时材料的ak低。低。实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次过载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复过载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复冲击而断裂，这时用冲击而断裂，这时用ak衡量其

15、抗力不合适，而衡量其抗力不合适，而取决于取决于 b。球墨铸铁球墨铸铁用来制做曲轴、连杆就用来制做曲轴、连杆就是例子。是例子。五、五、疲劳试验疲劳试验飞机、火车、汽车等机械上很多零件工作中承受交变载荷（或应力），即载荷（或应力）大小或大小与方向随时间按一定规律呈周期变化，或呈无规则随机变化。材料在这种情况下的破坏称为疲劳。图16 变动载荷示意图（a）载荷大小变化（b）（c）载荷大小及方向都变化（d）载荷大小及方向无规则变化五、五、疲劳试验疲劳试验 疲劳强度是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。钢铁材料通常将N为107次时最大应力定为-1。铝合金将N为108次时最大应力定为-1。当引起疲劳断裂的应力较低（小于S），断裂时应力循环周次长（大于104），称为高周疲劳。有些机件，如飞机起落架，原子反应堆装置等常会在较高应力，低循环周次（102105）下断裂，这称为低周疲劳。疲劳极限：用旋转弯曲试验测定材料对称循环疲劳极限-1。图17 疲劳曲线示意图（a）钢的N曲线（b）铝合金疲劳曲线