金属工艺学_第一篇 第一章金属材料的主要性能.ppt

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1、同学们好同学们好金金属属工工艺艺学学上册上册（第四版）（第四版）邓文英主编邓文英主编高等教育出版社高等教育出版社绪绪论论什么叫金属工艺学？什么叫金属工艺学？是一门研究有关制造金属零件工艺方法是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合的综合性性技术基础课。技术基础课。它主要研究：它主要研究：（1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；造中的应用和相互联系；（2）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；（3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。金属工艺学中涉及到的知识点在机

2、械制造工程金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程中的地位。中的地位。课程的性质、任务和要求课程的性质、任务和要求性质：研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程任务和要求：了解产品的制造过程了解产品的制造过程掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用1鞠鲁粤鞠鲁粤 主编，工程材料与成形技术基础，高等教主编，工程材料与成形技术基础，高等教育出版社

3、，育出版社，2004.62004.62 2吕广庶、张远明主编，工程材料及成形技术基础，吕广庶、张远明主编，工程材料及成形技术基础，高等教育出版社，高等教育出版社，2001.92001.93 3严绍华主编，材料成形技术基础，清华大学出版严绍华主编，材料成形技术基础，清华大学出版社，社，2001.82001.84 4施江澜施江澜 主编，主编，材料成形技术基础，机械工程出版材料成形技术基础，机械工程出版社，社，2001.82001.8参考文献如何学好本课程？如何学好本课程？即使天上掉馅饼，即使天上掉馅饼，也只有早起的人才能得到也只有早起的人才能得到是否想学好本课程？是否想学好本课程？为了应付考试为了

4、应付考试？记录老师讲课重点（经常提到）记录老师讲课重点（经常提到）为了工作需要？为了工作需要？认真读懂教材和参考书认真读懂教材和参考书为了扩大知识面？为了扩大知识面？广泛涉及课外书籍、勤于思考广泛涉及课外书籍、勤于思考约约定定v字迹工整、按时独立完成作业字迹工整、按时独立完成作业v课堂内不吃东西课堂内不吃东西v关闭通信等能够发出声音的工具关闭通信等能够发出声音的工具v.v不旷课不旷课第一篇第一篇金属材料导论金属材料导论1.材料工业的重要程度o材材料料作为能制造有用物品的物质，与能能源源和信信息息共同构成了人类社会赖以生存与发展的基本资源，故材材料料、能能源源和和信信息息并列为现现代代科科学学和

5、和现现代代文文明明的的三三大大支支柱柱，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。1.材料工业的重要程度历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一商朝的青铜器春秋战国的铁器人工合成材料金金 属属Metal复合材料复合材料Composites陶陶 瓷瓷Ceramic高分子高分子Polymer2.工程材料的分类工程材料的分类按属性分类：按属性分类：金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料2.工程材料的分类工程材料的分类按功能：按功能：结构材料功能材料生物材料智能材料信息材料按材料维度：按材料维度：三维

6、块体材料二维薄膜材料一维纤维材料零维纳米材料材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型的技术也不同。的技术也不同。3.什么是金属材料什么是金属材料金属材料金属材料以金属元素为主要成分、以金属元素为主要成分、原子通过金属键结合而成的一原子通过金属键结合而成的一类固体材料。类固体材料。金属材料金属材料铁合金：钢、铸铁非铁合金：铜、铝、钛、镁及其合金公元前6000年：人类发明金属冶炼1公元前4000年：古埃及人掌握炼铜技术1公元前2500年：中国人开始使用铁公元18世纪末：瓦特(JamesWatt,17361819，英国)发明了蒸汽机以后，大量使用铁轨 和铸铁管

7、，铸铁的冶炼才走上工业 化生产的道路。从此，金属材料在材料工业中就占有了统治性的主导地位。4.金属材料的发展历史金属材料的发展历史4.金属材料的发展历史金属材料的发展历史1820年：（英）法拉第开始研究合金钢1839年：巴比特研制出轴承合金1856年：（德）贝斯麦在转炉中将生铁精炼成钢1906年：泰勒和霍特研制出高速钢1912年：（美）海恩兹发明钨铬钴硬质合金1923年：克虏伯公司发明钨钴硬质合金1940年：（日）北圆一郎等发明特超硬铝1948年：（美）米尔斯研制出球墨铸铁1959年：福特公司研制出TiC金属陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金）1970年：美国和瑞典研制出粉末高速钢5.金属材

8、料的优越性金属材料的优越性 自20世纪50年代以后，高分子材料、先进陶瓷材料、复合材料迅速发展，开始出现一些金属材料的“代用品”。那么钢铁材料是否已经进入“夕阳”工业了哪？否。金属材料具有其他材料不能完全取代的独特性质和使用性能。金属材料金属材料高高 模模 量量高高 韧韧 性性高高 磁磁 性性高高 导电导电 性性6.金属材料的研究现状金属材料的研究现状当前，金属材料的研究领域包括：1.高纯材料优异的软磁性、良好的耐腐蚀性、高残余电阻率，用于高真空容器、核反应堆等。2.高强度材料可减轻重量，用于航空航天、深海潜艇、原子能等领域。3.超易切削钢提高刀具寿命30倍，降低成本、节约能源。4.硬质合金与

9、金属陶瓷高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化，用于刀具、磨具、轧辊、轴承等领域。5.高温合金与难熔合金超过1300有很高强度，用于飞机发动机等。6.金属材料的研究现状金属材料的研究现状6.金属基复合材料高比强度、高比弹性模量，用于航空航天等领域。7.共晶合金定向凝固材料超高温下呈现更高强度，用于制造涡轮叶片等。8.金属非晶及微晶材料通过快速冷凝而得到，如金属玻璃、金属微晶材料。前者具有超耐腐蚀性、高磁导率、低热胀系数等，用于变压器铁心；后者具有高强度、高韧性、高抗疲劳断裂性等。9.金属间化合物原子按照金属健与部分共价键结合，高温强度高、抗氧化性好、弹性模量高、密度低，应用于多领域。10.纳米金属材

10、料颗粒径100nm的金属材料，具有超导性。用于电子工业、原子能工业、航空航天工业、化学工业等。第一章第一章金属材料的主要性能金属材料的主要性能教学重点：金属材料的力学性能教学重点：金属材料的力学性能（表达方式、（表达方式、测定方法、单位量纲、物理意义）测定方法、单位量纲、物理意义）教学难点：拉伸曲线（教学难点：拉伸曲线（F-l或-曲线）特曲线）特点；硬度实验过程点；硬度实验过程第一节第一节金属材料的力学性能金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时所力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。反映出来的固有性能。金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、金属材料的力学性能主要

11、有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标，是选择、使用金属材料的力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。重要依据。一、强度与塑性一、强度与塑性强强度度:材材料料抵抵抗抗由由外外力力载载荷荷所所引引起起的的应应变变或或断裂的能力。断裂的能力。塑性塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。形而不破坏的能力。拉伸试验拉伸试验标准试件低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线铸铁拉伸曲线Fl：载荷伸长量拉伸曲线 ：应力应变曲线=F/Ao=L/L0 分别以和为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的

12、形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。oe弹性变形阶段；弹性变形阶段；es屈服阶段；屈服阶段；sb强化阶段；强化阶段；bk缩颈阶段缩颈阶段s-屈服点屈服点 b-开始发生缩颈现象开始发生缩颈现象退火低碳钢力退火低碳钢力-伸长曲线伸长曲线 屈服极限屈服极限 S强化阶段弹性极限弹性极限 P屈服阶段屈服阶段强度极限强度极限 B颈缩阶段弹性阶段弹性阶段强度指标强度指标1.屈服点屈服点在在拉拉伸伸试试验验过过程程中中，外外力力不不增增加加(保保持持恒恒定定)，但但试试样样仍仍然然能能继继续续伸伸长长(变变形形)，这这种种现现象象称称屈屈服服。S点点称称屈屈服服点点，S点点对对应应的的应应力力称称屈屈

13、服服点点应应力力。用用符符号号s表表示示。屈屈服服点点应应力力s可按下式计算：可按下式计算：s=Fs/A A0 0 (MPa)式中：式中：Fs试样屈服时的载荷，试样屈服时的载荷，N；A A0 0试样原始横截面积，试样原始横截面积，mm2。2抗拉强度抗拉强度 抗抗拉拉强强度度是是指指试试样样拉拉断断前前承承受受的的最最大大应应力力值值，用符号，用符号b表示，单位为表示，单位为Mpa，即即 b=Fb /A0(Mpa)式中：Fb试样承受的最大载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意计机械和选择

14、、评定金属材料时有重要意义义。机械零件多以机械零件多以s作为强度设计的依据。作为强度设计的依据。对于脆性材料，在强度计算时，则以对于脆性材料，在强度计算时，则以b为为依据。依据。塑性指标塑性指标(1)伸长率伸长率=（L1-L0）/L0100%式中：式中：L0试样原标距的长度（试样原标距的长度（mm）L1试样拉断后的标距长度（试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。的相对收缩值。=（A0-A1）/A0100%式中：式中：A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2）A1试样断面处的最小截面积

15、（试样断面处的最小截面积（mm2）和和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。属材料进行塑性加工的必要条件。二、硬度二、硬度固固体体材材料料抵抵抗抗塑塑性性变变形形、压压入入或或压压痕痕的的能力。能力。硬硬度度是是衡衡量量金金属属材材料料软软硬硬程程度度的的一一种种性性能能指指标标。它它直直接接影影响响到到材材料料的的耐耐磨磨性性及及切削加工性。切削加工性。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。高度法等。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有常用的有布氏硬度布氏硬

16、度机、机、洛氏硬度洛氏硬度机等。机等。布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 式中：F试验力，N；D压头的直径,mm HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。单位面积所受的力值即为硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度试验原理图 试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。布氏硬度与布氏硬度与洛氏硬度洛氏硬度的特点比较的特点比较布氏硬度的特点：布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，布氏硬度因压痕面积较大，HB值的值的代表性较全面，而且实验数据的重复

17、性也代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在能试验太硬的材料，一般在HB450以上以上的就不能使用。的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定通常用于测定铸铁、有色金属、低合铸铁、有色金属、低合金结构钢金结构钢等材料的硬度。等材料的硬度。洛氏硬度的特点：洛氏硬度的特点：洛氏硬度洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。在钢件热处理质量检

18、查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。的情况，则所测硬度值的重复性也差。三、冲击韧度（三、冲击韧度（ak）有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。TITANICTITANIC的的沉没与船体材料脆性断裂失效有关沉没与船体材料脆性断裂失效有关!金属材料抵抗冲击载荷作用而

19、不破坏的能力叫做金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度料的冲击韧度(大能量、一次冲断）大能量、一次冲断）。试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。有效方法。夏比冲击试验夏比冲击试验 试验原理试验

20、原理ak=AK/A（Jcm-2）式中：式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（折断试样所消耗的冲击功（J）A试样断口处的原始截面积（试样断口处的原始截面积（mm2）冲击韧度：标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较。对于脆性材料试样一般不开缺口。四、疲劳强度四、疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。

21、疲劳疲劳的概念的概念:金属材料在金属材料在无数次重复无数次重复或交变载荷作用或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳疲劳强度强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。疲劳试验机上测定。疲劳强度的概念在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即之间的关系曲线，称疲劳曲线-N 曲线 疲劳曲线当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号-1表示，即当应力低于-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。无数次应力循环：无数次应力循环：对于钢材为对于钢材为107，

22、有色金属和某些超高强度钢常取有色金属和某些超高强度钢常取108。-N 曲线 第二节第二节 金属材料的物理、化学及金属材料的物理、化学及工艺性能工艺性能一、金属的物理性能一、金属的物理性能 1密度密度2熔点熔点3导热性导热性4导电性导电性5热膨胀性热膨胀性6磁性磁性二、金属的化学性能二、金属的化学性能 它它是是金金属属材材料料在在室室温温或或高高温温时时抵抵抗抗各各种种化化学学作作用用的的能能力力，主主要要是是指指抵抵抗抗活活泼泼介介质质的的化学侵蚀能力，化学侵蚀能力，1.耐腐蚀性耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等如耐酸性、耐碱性等)2抗氧化性抗氧化性 3化学稳定性化学稳定性 三、金属的工艺性能三、金

23、属的工艺性能工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等性和切削加工性等1、铸造性能、铸造性能 金金属属在在铸铸造造成成形形过过程程中中获获得得外外形形准准确确、内内部部健健全全铸铸件件的的能能力力称称为为铸铸造造性性能能。铸铸造造性性能能包包括括流流动动性性、吸吸气气性性、收收缩缩性性和和偏偏析析等等。在在金金属属材材料料中中灰灰铸铸铁铁和和青铜的铸造性能较好。青铜的铸造性能较好。2、锻造性能、锻造性能 金金属属材材料料利利用用锻锻压压加加工工方方法法成成形形的的难难易易程程度度称称为为锻锻造造性性能能。锻锻造造性性能能的的好好坏坏主主要要同同金金属属的的塑塑性性和和变变形形抗抗力力有有关关。塑塑性性越越好好，变变形形抗抗力力越越小小，金金属属的的锻造性能越好。锻造性能越好。3、焊接性能、焊接性能 焊焊接接性性能能是是指指材材料料在在限限定定的的施施工工条条件件下下焊焊接接成成按按规规定定设设计计要要求求的的构构件件，并并满满足足预预定定服役要求的能力。服役要求的能力。4、切削加工性能、切削加工性能 切切削削加加工工性性能能是是指指金金属属在在切切削削加加工工时时的的难易程度。难易程度。