工程材料及其成形技术基础章精选PPT.ppt
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1、关于工程材料及其成形技术基础章第1页,讲稿共188张,创作于星期日复合材料复合材料非金属非金属材料材料金属材料金属材料机械机械工程材料工程材料工程材料工程材料:用于机械、电子、建筑、化工和航空航天 等领域的材料统称为工程材料。机械工程材料机械工程材料:用来制造各种机电产品的材料统称为机械工程材料。概概 述述第2页,讲稿共188张,创作于星期日概概 述述材料的材料的发展过程 石斧石斧青铜鼎青铜鼎神神舟舟飞飞船船 沧州铁狮子沧州铁狮子石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器时代复合材料复合材料第3页,讲稿共188张,创作于星期日概概 述述工程材料的工程材料的发展过程40-5040-5040-5
2、040-50年代年代年代年代:材料的发展主要围绕着机械制造业,因此,主要发展以一般力学性能为主的金属材料金属材料50-6050-6050-6050-60年代年代年代年代:压力容器向高强度方向发展更快,发展了高强度低合金钢高强度低合金钢60606060年代以后年代以后年代以后年代以后:由于航空、空间机械和动力机的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量高温、高压、高的比强度和比模量。20202020世纪后期:世纪后期:世纪后期:世纪后期:新材料特别是非金属人工合成材料非金属人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速发展。高功能化、超高性能化高功能化、超高性能化复合轻量
3、化、智能化复合轻量化、智能化第4页,讲稿共188张,创作于星期日第一章第一章 零件对材料的性能要求零件对材料的性能要求化学化学化学化学成分成分成分成分分类分类分类分类金属材料金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料 陶瓷材料陶瓷材料黑色金属黑色金属 有色金属有色金属轻有色金属轻有色金属 重有色金属重有色金属稀有金属稀有金属 铸铁铸铁碳钢碳钢合金钢合金钢 塑料塑料合成橡胶合成橡胶 合成纤维合成纤维 有机胶粘剂及涂料有机胶粘剂及涂料硅酸盐材料硅酸盐材料 新型陶瓷新型陶瓷 非金属基复合材料非金属基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 机机械械工工程程材材料料 第5页,讲稿共188张,创
4、作于星期日功能分类功能分类功能分类功能分类功能材料:用于制造实现其他功能的零件的材料功能材料:用于制造实现其他功能的零件的材料 结构材料:用于制造实现运动和传递动力的零件结构材料:用于制造实现运动和传递动力的零件 机械机械工程工程材料材料金属材料:具有良好的金属材料:具有良好的导电性导电性、导热性导热性、在具有、在具有较高的强度较高的强度 的同时,具有的同时,具有良好的塑性成形性良好的塑性成形性、铸造性铸造性、切削切削 加工加工和和电加工性电加工性等加工性能;通过等加工性能;通过热处理热处理及及表面表面 改性改性可以大幅度可以大幅度(成倍)改变其性能;成倍)改变其性能;1.2 1.2 工程材料
5、的特征工程材料的特征第6页,讲稿共188张,创作于星期日有机高分子材料:有机高分子材料:密度小、强度低(比强度高,高于钢铁)密度小、强度低(比强度高,高于钢铁)较高的弹性较高的弹性,良好的电绝缘性能良好的电绝缘性能,优良的优良的 减摩减摩、耐磨和自润滑性能耐磨和自润滑性能,优良的耐腐蚀优良的耐腐蚀 性能(超过不锈钢),优良的透光性和隔性能(超过不锈钢),优良的透光性和隔 热、隔音性热、隔音性,加工性好,成本低加工性好,成本低,但是易,但是易老化老化。注:注:老化作用老化作用:高分子材料在加工、贮存和使用过程中,由于受:高分子材料在加工、贮存和使用过程中,由于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐变
6、坏,以致丧失使用价值的各种环境因素的作用而导致性能逐渐变坏,以致丧失使用价值的现象。现象。【轮胎发生的龟裂、玻璃纤维(起毛)轮胎发生的龟裂、玻璃纤维(起毛)】第7页,讲稿共188张,创作于星期日陶瓷材料:是无机非金属材料,是有一种或多种金属或非金属元素陶瓷材料:是无机非金属材料,是有一种或多种金属或非金属元素 形成的具有强离子键或共价键的化合物。形成的具有强离子键或共价键的化合物。优点:熔点高、硬度高、化学稳定性高,弹性模量大,具有优点:熔点高、硬度高、化学稳定性高,弹性模量大,具有 耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小;耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小;缺点:但是抗压不抗拉,
7、脆性大,不易加工成形;缺点:但是抗压不抗拉,脆性大,不易加工成形;复合材料:能充分发挥其组成材料的各自长处,同时在一定程度上复合材料:能充分发挥其组成材料的各自长处,同时在一定程度上 克服它们的弱点;克服它们的弱点;第8页,讲稿共188张,创作于星期日1.3 1.3 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 机械零件在使用过程中,要受到机械零件在使用过程中,要受到力学负荷力学负荷力学负荷力学负荷诸如拉伸、压缩、弯诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及曲、扭转、剪切以及热负荷热负荷诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和环环境介质的作用境介质的作用诸如腐蚀、摩擦损失,并且还
8、要传递力和能。诸如腐蚀、摩擦损失,并且还要传递力和能。因此,作为构成机械零件的金属材料,应具备良好的力学因此,作为构成机械零件的金属材料,应具备良好的力学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效,同时还要有性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效,同时还要有良好的工艺性能良好的工艺性能 。第9页,讲稿共188张,创作于星期日1.3.1 1.3.1 金属的力学性能金属的力学性能 金属的力学性能:材料在外力作用下表现出来的特性,如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等。表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。高温蠕变高温蠕变疲劳强度疲劳强度低应力低应力脆断脆断弹性弹性强度强度
9、韧性韧性硬度硬度刚度刚度塑性塑性金属金属力学性能力学性能第10页,讲稿共188张,创作于星期日1 1 弹性弹性:即物体在外力作用下改变其形即物体在外力作用下改变其形状和尺寸,当外力卸除后物体状和尺寸,当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特又回复到原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过性。弹性的判据可通过拉伸试拉伸试拉伸试拉伸试验验验验来测定。来测定。图图1 11 1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样 拉伸试验拉伸试验:即静拉伸力对试样轴向即静拉伸力对试样轴向拉伸拉伸,测量力和相应的伸长测量力和相应的伸长,一般一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。拉至断裂以测定其力学性能的试验。第11页,
10、讲稿共188张,创作于星期日图12 低碳钢拉伸曲线 弹性极限:弹性极限:即金属材料不产生塑性变形即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线时所能承受的最大应力。拉伸曲线p p点点对应的应力对应的应力pp为弹性极限:为弹性极限:p=Fp/So p=Fp/So 式中式中 p p 弹性极限(弹性极限(MPaMPa););Fp Fp 试样产生完全弹性变形时的最大试样产生完全弹性变形时的最大外力(外力(N N););So So 试样原始横截面积(试样原始横截面积(mmmm2 2)。)。第12页,讲稿共188张,创作于星期日 2 2 刚度:刚度:即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能
11、力。刚度的大小以弹性模量来衡量,弹性模量在拉伸刚度的大小以弹性模量来衡量,弹性模量在拉伸曲线上表现为曲线上表现为oeoe段的斜率,即:段的斜率,即:E=/E=/式中式中 EE弹性模量(弹性模量(MPaMPa););应力(应力(MPaMPa););应变。应变。第13页,讲稿共188张,创作于星期日3 3 强度:强度:即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。(1 1)屈服点)屈服点 屈服点:即试样在拉伸过程中力不断增加(保持恒定)仍能继续屈服点:即试样在拉伸过程中力不断增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。在拉伸曲线上伸长(变形)时的应力。在拉伸曲线上s s点对应的
12、应力为屈服点。点对应的应力为屈服点。s=Fs/S0s=Fs/S0 式中式中 ss屈服点(屈服点(MPa MPa););FsFs试样开始产生屈服现象时的(试样开始产生屈服现象时的(N N););S0S0试样原始横截面积(试样原始横截面积(mmmm2 2)。)。第14页,讲稿共188张,创作于星期日(2)(2)抗拉强度:即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度:即试样拉断前承受的最大标称拉应力。如图如图1-21-2所示,拉伸曲线上所示,拉伸曲线上b b点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。b b=Fb/S0=Fb/S0 式中式中 b b抗拉强度(抗拉强度(MPaMPa););FbFb试
13、样断裂前所能承受的最大拉(试样断裂前所能承受的最大拉(N N););S S0 0试样原始横截面积(试样原始横截面积(mmmm2 2 )。)。第15页,讲稿共188张,创作于星期日4 4 塑性塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。第16页,讲稿共188张,创作于星期日(1 1)伸长率)伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%式中式中 伸长率(伸长率(%););L
14、L1 1试样拉断后标距(试样拉断后标距(mm)mm);L L0 0 试样原始标距(试样原始标距(mm)mm)。第17页,讲稿共188张,创作于星期日(2 2)断面收缩率:即试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原断面收缩率:即试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。始的横截面积的百分比。=(S0-S1S0-S1)/S0100%/S0100%式中式中 断面收缩率(断面收缩率(%););S1S1试样的原始截面积(试样的原始截面积(mmmm2 2)S0S0试样拉断后缩颈处的最小横截面积(试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mmmm2 2)。第18页,讲稿共188张,创作于星期日
15、5 5 硬度硬度 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力,是衡量金属软硬的判据,硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力,是衡量金属软硬的判据,也是表征力学性能的一项综合指标。也是表征力学性能的一项综合指标。第19页,讲稿共188张,创作于星期日(1 1)布氏硬度试验)布氏硬度试验 动画演示第20页,讲稿共188张,创作于星期日(2)洛氏硬度试验(动画演示)即在初始试验力及总试验力先后作用下,将压头压入试样表面,即在初始试验力及总试验力先后作用下,将压头压入试样表面,经规定保持时间后卸除试验力,用测量的残余压痕深度增量计算经规定保持时间后卸除试验力,用
16、测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。硬度的一种压痕硬度试验。第21页,讲稿共188张,创作于星期日n6 6 韧性韧性 即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。定材料的韧性。(h1-h2)/A 式中式中 冲击韧度(冲击韧度(J/cmJ/cm2 2)试样的冲击吸收功(试样的冲击吸收功(J)J)缺口底部横截面积缺口底部横截面积(mm(mm2 2)摆锤重量摆锤重量(Kg)(Kg)h h1 1摆锤举起高度摆锤举起高度(m)(m)h h2 2击断试样后升起高度击断试样后升起高度(m)(m)图图3 3 夏比冲
17、击试验夏比冲击试验第22页,讲稿共188张,创作于星期日 金属材料的物理、化学性能包金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、导热括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性、光学性能等。和耐蚀性、光学性能等。机械零件的用途不同,对材料的机械零件的用途不同,对材料的物理、化学性能要求也不同物理、化学性能要求也不同 。光学光学性能性能耐腐蚀耐腐蚀导热性导热性磁性磁性耐热性耐热性热膨热膨胀性胀性导电性导电性熔点熔点密度密度金属的金属的理化性能理化性能1.3.2 1.3.2 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能第23页,讲稿共188张,创作
18、于星期日n金属的工艺性能金属的工艺性能:即金属材料即金属材料对加工工艺的适应性对加工工艺的适应性。n 按加工方法不同,可分为按加工方法不同,可分为铸造性能、塑性成形性、焊接铸造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性、切削加工性、热处理工艺性等。性等。金属的各种工艺性能将在以金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详细介绍。后的有关章节中作详细介绍。铸造性铸造性塑性成形性塑性成形性焊接性焊接性金属的金属的工艺性能工艺性能1.3.3 1.3.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能第24页,讲稿共188张,创作于星期日1.1.常用的力学性能判据各用什么符号表示?它们的物常用的力学性能判
19、据各用什么符号表示?它们的物 理含义各是什么?理含义各是什么?2.2.测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标?测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标?热轧钢坯 青铜铸件 淬硬钢齿轮 薄铝板 灰铸铁思思 考考 题题33第25页,讲稿共188张,创作于星期日金属材料金属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料固体固体材料材料第二章 材料的内部结构、组织与性能本章主要讲解本章主要讲解 金属材料金属材料的内部结构、组织与性能的内部结构、组织与性能2.1 2.1 固体材料的分类固体材料的分类第26页,讲稿共188张,创作于星期日2.2 2.2 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与
20、结晶 按原子排列的特征,可将固体金属物按原子排列的特征,可将固体金属物质分为质分为 晶体晶体 和非晶体两大类。和非晶体两大类。n晶体:晶体:物质内部的原子是按一定的次序有物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石墨等,规律排列的。如金刚石、石墨等,固态金固态金属属一般属于晶体。一般属于晶体。n非晶体:非晶体内部的原子则是无规则排非晶体:非晶体内部的原子则是无规则排列的,如玻璃、松香和沥青等。列的,如玻璃、松香和沥青等。第27页,讲稿共188张,创作于星期日晶体晶体的特点:具有固定熔点,各向异性(单晶)特的特点:具有固定熔点,各向异性(单晶)特 征;征;非晶体非晶体的特点:无固定熔点
21、,其是在一个温度范围的特点:无固定熔点,其是在一个温度范围内熔化,各方向上原子聚集密度大致相同,所以表现内熔化,各方向上原子聚集密度大致相同,所以表现各向同性;各向同性;晶体晶体与与非晶体非晶体在一定条件下互相转化。在一定条件下互相转化。第28页,讲稿共188张,创作于星期日2.2.1 2.2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构n晶格晶格:为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律,可以近似地将晶体中每一个原子为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律,可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点,并将各点用假想的线连接起来,就得到一个空间骨架,简称晶格,如看成是一个点,并将各点用假想的线连接起来,就得到一
22、个空间骨架,简称晶格,如图图1-4(b)1-4(b)所示。所示。n晶胞晶胞:即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞第29页,讲稿共188张,创作于星期日常见的金属晶体结构有体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格、面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格和密排六方晶密排六方晶密排六方晶密排六方晶格格格格等三种类型。.体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是一个体心立方的晶格是一个立方体立方体,其中心和八个角上各有一个,其中心和八个角上各有一个原子,如图原子,如图1 15 5所示。所示。属于这类晶
23、格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图图5 5 体心立方球体模型及其晶格体心立方球体模型及其晶格第30页,讲稿共188张,创作于星期日2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,其六个面中心和八个个立方体,其六个面中心和八个角上各有一个原子,如图角上各有一个原子,如图1 15 5所所示。属于这类晶格的金属有示。属于这类晶格的金属有 -Fe Fe、CuCu、AlAl、NiNi等。等。n它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。图图1 16 6
24、 面面心心立立方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第31页,讲稿共188张,创作于星期日.密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体,其上下底面的中心和十二个柱体,其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子,且在六方柱体角上各有一个原子,且在六方柱体的中间还有三个原子,如图的中间还有三个原子,如图1 17 7所所示。属于这类晶格的金属有示。属于这类晶格的金属有g g、n n、d d、e e等。等。n 这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。图图1 17 7 密密排排六六方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第32页,讲稿共188张,创作于星期日 实际金属实际
25、金属结构并不结构并不像晶体那像晶体那样规律和样规律和完整,存完整,存在在晶体缺晶体缺陷陷。空位、间隙原子和置换原子(点缺陷)空位、间隙原子和置换原子(点缺陷):导致金属的强度、电阻等增加,塑性下降,导致金属的强度、电阻等增加,塑性下降,是是固溶强化固溶强化的主要原因。的主要原因。错位(线缺陷):高密度的线缺陷是导致错位(线缺陷):高密度的线缺陷是导致加工硬化加工硬化 的主要原因之一;的主要原因之一;无数的位错滑动无数的位错滑动导致晶体产生导致晶体产生 宏观塑性变形宏观塑性变形。晶界(面缺陷):晶界处的能量较高,稳定性差,熔晶界(面缺陷):晶界处的能量较高,稳定性差,熔点低,易受腐蚀;在常温下晶
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