材料成型工艺1章金属材料的基本知识

工程材料的分类按组成特点分：金属材料高分子材料非金属材料复合材料陶瓷材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。第１章金属材料的基本知识1.1金属材料的性能1.2金属的晶体构造和结晶过程基本内容和要求（1）掌握金属主要机械性能：强度、塑性、韧性、硬度的概念和应用方法：概念较多、实践性强，要联系实际加深理解和记忆（2）三种常见的金属晶体结构及其基本性能（3）实际金属晶体缺陷及其对性能的影响（4）熟悉结晶过程以及过冷度的概念，掌握影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法作业P211.10.11.13.14.1.1.1金属材料的力学性能1．弹性和刚度2．强度3．塑性4．硬度5．冲击韧性6．疲劳强度1.1.2金属材料的其它性能1．物理性能2．化学性能3．工艺性能1.1金属材料的性能1.1.1材料的力学性能在外力作用下所表现出的特性。外力→弹性变形→失效作用在机件上的外力——载荷静载荷动载荷常见的失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损腐蚀力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度失效形式与力学性能的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损拉伸实验拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机kbb—极限载荷点0lkl0dFee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线FFLkdl应力—应变曲线0SF0ll缩颈sFeFbFo弹性变形－－随外力消失而消失的变形FFF弹性：受外力作用时产生变形，外力去掉后能恢复原来形状的性能。刚度：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。（弹性模量E的大小主要取决于各种材料的本性）1．弹性和刚度塑性变形产生永久的不可恢复的变形FFF当材料单位面积上所受的应力σeσσs时，只产生微量的塑性变形。当σσs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)（1）屈服强度（σS、σ0.2）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。2.强度对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σskbFesl0ll0SF2.0s100%0.2%2.0Fbσb=Fb/S0（MPa）（2）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。屈强比σs/σb小，则工程构件可靠性高σbσsσeεσ退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线3.塑性常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkdδ↑、Ψ↑塑性越好δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料任何零件都需要一定塑性。塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。防止过载断裂；增加可靠性。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。4．硬度(hardness)抵抗局部塑性变形的能力抵抗更硬的物体压入其内的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HR)。氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)DdDF用一定载荷P，将直径为D的球体，压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积大小确定硬度值。测量HBS450的较软金属采用淬火钢球测量HBW450-650的材料采用硬质合金钢球exp:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度试验布氏硬度计）压痕的表面积（）压入载荷（mmNHB)11(2102.022DdDF布氏硬度特点布氏硬度测量的优点：测量数值稳定，准确缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件布氏硬度适用于：铸铁，有色金属退火、正火、调质处理钢（未经淬火的钢）原材料，毛坯当HBS450时有效（HBW450-650)低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.4HB调质合金钢：σb≈3.25HB(2)洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度一般用于HB450FFF1200h10HRC≈HBS将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度试验原理：HR=(k-h)/0.002对金刚石圆锥压头k=0.2mm对钢球压头k=0.26mm洛氏硬度特点洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用于成品和薄形件缺点：测量数值分散HRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢批量生产的零件当HRC20-70时有效(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)适用范围:测量薄板类HV≈HBSAK=G（H1–H2）（J）ak=AK/S（J/m2）材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。1H2H在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。5．冲击韧性(notchtoughness)6．疲劳强度(fatiguestrength)1n材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。—循环基数钢：受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。0n0n7010n8010n有色金属：钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb磁性•是设计、工艺上应考虑的重要性能能磁化材料不能磁化材料1.1.2金属材料的其它性能1．物理性能密度ρ：单位体积的质量•密度影响产品的重量、性能•比强度σb/ρ硬磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性保留软磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性消失熔点•是热加工的重要工艺参数•是设计选材的重要依据热膨胀性（线膨胀系数α）•是设计、工艺上应考虑的重要性能导热性（导热系数λ）•是传热设备应考虑的重要性能•防止材料内外温差过大•金属越纯→导热性越好导电性（电阻率）•是设计导电、绝缘零件的重要性能•金属越纯→导电性越好•温度越高→导电性越差2．化学性能材料的化学性能主要：耐腐蚀性高温抗氧化性化学稳定性金属腐蚀的分类：化学腐蚀：由纯化学反应引起氧化膜疏松→氧化深入→向内部腐蚀致密→腐蚀被抑制→保护内部金属电化学腐蚀：由电化学反应引起防止腐蚀的办法1改变金属成分（合金化）提高基体电极电位形成致密氧化膜获得单相组织2表面保护（覆盖法）发蓝，磷化，阳极化电镀喷漆，搪瓷3改善环境干燥气体覆盖法4电化学保护法→阴极保护利用电极电位更低的金属保护零件，形成原电池，成为阳极被腐蚀铸造性能：流动性、收缩性、偏析热处理性能：淬透性锻造性能：塑性、变形抗力焊接性能：焊接性、碳当量切削性能：表面粗糙度、刀具寿命3.工艺性能P91.2金属的晶体构造和结晶过程