10-1第一章 工程材料基础知识(1)

机器生产过程本课程研究内容：金属材料加工成毛坯或零件，进而制造机器第一章工程材料基础知识：原材料选取择与改性（热处理）；第二章：铸造成形第三章：锻压成形第四章：焊接成形第五章：非金属材料及成形第六章：快速成形热处理原材料毛坯机器零件热处理铸造锻压焊接装配切削加工第一章工程材料基础知识学习目标：了解工程材料的分类；了解常用材料（钢铁）的生产过程及规格；熟悉材料使用中应具备的性能；了解材料内部结构对性能的影响。第一章工程材料基础知识第一节：工程材料的分类第二节：钢铁生产简介第三节：金属材料的性能第四节：金属的晶体结构与结晶第五节：二元合金第六节：铁碳合金第七节：碳钢第八节：铸铁第九节：钢的热处理第十节：合金钢第十一节：有色金属材料一、工程材料：是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制造零件和工具的材料。二、工程材料种类：工程材料繁多，常见分类方法有：按用途分、领域、成分等。第一节：工程材料的分类按用途分类：结构材料（如机械零件、工程构件）；工具材料（如量具、刃具、模具）；功能材料（如磁性材料、超导材料等）按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料等。第一节：工程材料的分类按成分分类：金属材料、非金属材料、复合材料。金属是工业中应用广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；非金属材料中，合成高分子材料、特别是塑料的使用广泛；而陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要用于化工设备、电器绝缘件、机械加工刀具、发动机耐热元件等；复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组成的材料，复合材料一般综合了各组分材料的优良性能，在生活用品、机器制造等各个领域已得到广泛应用。第一节：工程材料的分类常用的按成分分类第二节钢铁生产简介第二节钢铁生产简介钢铁:是以Fe和C为主要组成元素，同时还含有Si、Mn、P、S等杂质元素的合金。包含生铁与钢。钢:碳的质量分数较低（wc2.11%），杂质元素的含量也较低的铁碳合金，钢一般具有较好的强韧性，是常用的金属材料。生铁:碳质量分数较高（wc2.11%），杂质元素的含量也较高的铁碳合金，生铁硬度高、性脆，很少直接使用。钢材：钢锭或钢坯经压力加工成各种形状规格的原材料。[钢材生产流程]:铁矿石→炼铁（生铁）→炼钢（钢）→钢材成型（钢材）一、炼铁炼铁原料：铁矿石是主要的炼铁原料，有磁铁矿“Fe3O4”、赤铁矿“Fe2O3”、褐铁矿2Fe2O3．3H2O”、菱铁矿“FeCO3”。铁矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，这些统称为脉石.焦炭;溶剂等.炼铁方法：高炉炼铁过程炼铁实质：是将铁从矿石中还原的过程铁矿石焦炭烧结工厂焦炭工厂高炉铁水二、炼钢炼钢实质：是通过氧化降低生铁中的碳与杂质元素的含量，使之达到标准规定的成分和性能。炼钢原料：炼钢的原料有生铁、废钢、熔剂（石灰石等）、脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）、合金料等。炼钢过程：主要包括氧化、造渣、脱氧等。炼钢方法：目前主要有氧气顶吹转炉炼钢和电炉炼钢等。电炉炼钢：有感应炉炼钢、电弧炉炼钢等方法，常用的是电弧炉炼钢。电弧炉炼钢：1、它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，以电极与金属炉料间的电弧热提供冶炼热源。2、电弧炉冶炼温度高（可达2000℃），能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢。电弧炉炼钢过程三、钢材生产钢材种类：有钢板、型钢、钢管、钢丝等生产方法：主要有轧制（分冷轧与热轧）、拉拔、挤压、锻造等方法各种钢材钢板、型钢、钢丝、钢管。钢板：钢锭或钢坯轧制成钢板。钢板可镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合等表面处理中厚板：厚度为3~5mm，一般采用热轧薄板：厚度小于3mm，坯料为热轧中厚板，采用冷轧钢带：成卷供应，采用冷轧型钢：采用型材轧机轧制而成。有圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢、工字钢、槽钢、角钢、T字钢等。普通型钢主要用于建筑、桥梁、车辆等，优质型钢主要用于机械零件、工具等。钢丝：采用直径为6~9mm的热轧线材（盘条）拉拔而成。退火的低碳钢丝可用于捆扎物体、也可编织成各种用品；高碳钢丝可制成各种弹簧，或用多根钢丝捻成合股的钢丝绳和钢索，用于吊索、电线、电缆、固定物体等。钢管：焊管与分无缝管。有缝管：用钢板或钢带卷压成形，然后焊接而成。缝钢管应用广泛，主要用于自来水管、煤气管等。无缝管：管采用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后，再经冷拔或热轧而制成。无缝钢管主要用于石油、化工等行业。第三节金属材料的性能材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能是保证工件的正常工作应具备的性能。是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能。切削加工性能力学性能定义:是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。力学性能强度硬度断裂韧度疲劳强度主要指标：塑性韧性强度塑性拉伸试验*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0拉伸试验拉伸试验机液压式万能电子材料试验机力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形弹性(elasticity):金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形(elasticdeformation):随载荷撤除而消失的变形。弹性极限(elasticlimit):Fe弹性极限载荷(N)σe=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)拉伸试样的颈缩现象力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形强度(strength):材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。(1)种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。(2)屈服强度(yieldstrength):屈服点SFsσs=(Mpa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)(3)抗拉强度(tensilestrength):试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):是指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比。S0-S1ψ=×100%S0(2)断后伸长率(延伸率)specificelongation:是指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比。L1–L0δ=×100%L0δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料长试样：δ10简写为δ短试样：δ5同一种材料的δ5δ10硬度(hardness)1.定义：是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。2.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV压入法(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计观看布氏硬度1.压头：淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW2.试验原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。FFHB=——=————SDhDh=———2Dd——–——2222布氏硬度值450的材料选用淬火钢球压头例如：200HBS350HBS3、布氏硬度测量方法应用布氏硬度值450~650的材料选用硬质合金球压头例如：550HBW600HBW4.标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如: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。5.特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)观看洛氏硬度1.压头：120º金刚石圆锥体钢球钢球HRAHRCHRB2.试验原理：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。3、洛氏硬度值的表示：70~85HRA25~100HRB20~70HRCHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC70HRA〤50HRB40HRC〤4.特点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。应用：(三)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)维氏硬度计1.压头：锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体2.试验原理：与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。2.试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Sa3.标注：与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。4.特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。韧性(toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。1.定义：冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2.金属的夏比冲击试验:试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)g冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。AKak=(J/cm²)S0断裂韧度1、低应力脆断有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。反应材料有裂纹存在时，极易产生低应力脆断现象。材料抗脆性断裂的能力用断裂韧度K1C表示。当应力强度因子K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。2、断裂韧度K1CK1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标。常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）1、疲劳现象零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（fatigue）1943年美国T-2油轮发生断裂2、疲劳极限σ-1:表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=1083、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能⒈熔点；⒉热容；⒊热膨胀；⒋热传导（三）电学性能⒈电阻率ρ；⒉电阻温度系数；⒊介电性（四）磁学性能⒈磁导率μ；⒉饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Ｈc化学性能材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀(三）提高零件耐蚀性的主要措施内容回顾第一章工程材料基础知识第一节：工程材料的分类第二节：钢铁生产简介第三节：金属材料的性能第一章工程材料基础知识第一节：工程材料的分类