司乃钧版工程材料与热加工工艺课件1-3章

工程材料与热加工讲课人：王伟华讲课学时：44考试分值分配：4：6闭卷考试“工程材料与热加工”是研究从原材料到产品热成型制造过程的学问。绪论（Introduction）工程材料：用于制造工程构件、机械零件、工具等。成形工艺：改变材料的形状、尺寸和性能的加工过程。一、工程材料及成形工艺的发展历史用材料划分的人类历史：石器时代、陶器、铜器时代、铁器时代和人工复合材料时代。石器时代（StoneAge）：石刀，石斧，石矛燧石：神奇的石头骨针陶器时代（PotteryAge）：中国名扬四海的时代西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管铜器时代（BronzeAge）中国人最骄傲的时代立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。铁器时代（IronAge）中国人最辉煌的时代铁制车轮铸铁，各种农具人工复合材料（artificialcompositematerial）中国大发展时代高分子材料、陶瓷、功能材料、纳米材料等用扫描隧道显微镜搬动48个Fe原子到Cu表面上构成的量子围栏在Au-Pa（金-镤）薄膜上用AFM探针的纳米雕刻（北大）目前发展方向：目前定向凝固技术、快速成形技术、高速锤锻、精密模锻、激光焊、等离子焊等各种新的成形技术，以及自动线、加工中心，数控系统、柔性制造系统等已是屡见不鲜。未来正向着快速、精密、自动化的方向飞速发展。瓶盖自动线机器生产过程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正确选择原材料与成形方法、合理确定加工路线。关系到产品的质量、使用寿命、生产成本、生产周期与经济效益。二、工程材料及成形工艺在制造业中的应用机械零件工作条件失效分析性能化学成分制备与加工工艺组织结构贯穿全课程的“纲”参考资料工程材料与成形技术基础.第2版，鞠鲁粤主编工程材料与成形工艺,杨红玉,刘长青主编Engineeringmaterialstechnology:structures,processing,properties,andselection=工程材料技术,JamesA.Jacobs,ThomasF.Kilduff著;赵静等改编.工程材料及成形技术,艾云龙主编.工程材料与成形工艺，冀秀焕，唐建生主编中国材料网（网站）第一章工程材料的分类及力学性能（Classificationandmechanicalpropertiesofengineeringmaterials）第一章工程材料的分类及力学性能第一节工程材料的分类（Classificationofengineeringmaterials）分类（classification）：工程材料种类繁多，常见分类方法。按成分分类金属材料高分子材料MetallicMaterialsPolymericMaterials按成分分类四者的关系陶瓷材料复合材料CeramicMaterialsCompositeMaterials第二节工程材料的力学性能（mechanicalpropertiesofengineeringmaterials）一、金属材料的性能二、金属材料的力学性能定义：指材料在各种载荷（静载荷、动载荷）下表现出来的性能。铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性金属材料的性能使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能1.强度（strength）和塑性（plasticity）金属材料的强度、塑性指标是在万能拉伸试验机上通过拉伸试验测定的。拉伸试验拉伸试验机拉伸试样拉伸试样的缩颈材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）1）oe段：直线、弹性变性2）es段：曲线、微量塑性变形阶段。3）ss’段：屈服阶段。4）s’b段：大量塑性变形阶段。5）bk段：缩颈阶段。ess′bk伸长量Δι载荷F0FeFsFb在低碳钢拉伸曲线中，把F-Δl坐标换成σ-ε（应力—应变）就可以直接在图上读出力学性能指标。1）弹性极限(elasticlimit）定义：指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值。用e表示，单位MPa。σe＝Fe/S0式中Fe弹性极限载荷(N)；S0试样原始横截面积(mm2)2）弹性模量（elasticmodulus）定义：指材料在弹性变形阶段内，直线的斜率。以E来表示，单位为MPa。强度（strength）定义：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力。3）屈服强度（yieldstrength）定义：表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。用σs表示，单位为MPa(N/mm2=1MPa)。对于没有明显屈服强度的材料，如铸铁、高碳钢等，测定σ困难，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服强度，用σ0.2表示。对于一般机械零件而言，一般不允许发生塑性变形。σs=Fs/S0式中：Fs为屈服时的最小载荷（N）；S0为试样原始截面积（mm2）国标规定，应区分为上屈服强度σsu和下屈服强度σsL，大炮长时间发射，若炮膛材料发生塑性变形，影响炮弹发射的精度和易发生自爆。4）抗拉强度（tensilestrength）定义：指材料在拉断前所承受的最大应力。用σb表示，单位MPa。注：σs和σb是设计和选材时的主要依据。举例塑性（plasticity）定义：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：断后伸长率、断面收缩率。σb=Fb/S0式中：Fb—最大外力（N）；S0—试样横截面积（mm2）1）断后伸长率(elongationafterfracture)定义：指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用δ表示。无单位。2）断面收缩率(reductionofarea)定义：指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。用ψ表示。无单位。d0L0长试样（δ10）：L0=10d0短试样(δ5)：L0=5d0δ=(L1-L0)/L0×100％式中：L1—断后标距；L0—原始标距。ψ=(S0-Su)/S0×100％式中：S0—原始横截面积；Su—断后最小横截面积。材料的δ和ψ数值越大，表示材料塑性越好，可用锻压等压力加工方法成形；表达材料塑性时，通常用断后伸长率δ表示。某工厂买回一批材料（要求：σs≥230MPa；σb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）。做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？举例解：根据试验结果计算如下：σs＝Fs／s0＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPaσb＝Fb／s0＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPδ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T228-2002新标准，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测量和标注的，所以，原有旧标准仍然沿用。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照见表1-1。2.硬度（hardness）定义：指材料抵抗局部变形的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。最常用的硬度指标有：布氏硬度和洛氏硬度。（1）布氏硬度(Brinellhardness)1）试验原理布氏硬度试验机2）表示方法HBS——选用淬火钢球压头，适用范围：小于450；HBW——选用硬质合金压头，适用范围：450~650。表示法：数字在前、字母在后。如200HBS，I50HBS～175HBS；标注时不要写成HBS=200，或HBS=150～175，或500HBS，不要出现单位；数值差不要超过30。3）特点优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：压痕较大，操作慢，不适用成品件和薄形件。4）应用范围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。(2)洛氏硬度（RockwallHardness）1）试验原理洛氏硬度试验机2）表示方法数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC。HRC适用范围数值20～67；小于或大于这个范围均为标注错误！如17HRC；HRC=15～19等。在图纸标注时注意数值差应≯5，否则为标注错误。3）常用标尺有A、B、C三种：①HRA，硬质合金、表面淬火层或渗碳层；②HRB，有色金属和退火、正火钢等；③HRC，调质钢、淬火钢等注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC70HRA〤100HRB40HRC〤5）应用范围可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料；适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件、硬质合金等材料。4）特点优点：测量迅速、简便、压痕小、测量范围大，能测较薄工件。缺点：压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三个不同点取平均值。（注：布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致为10HBS=1HRC）。3.冲击韧度（韧性）(impacttoughness)定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak表示，Ak=mgH-mgh(J)，冲击韧度值ak就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。ak﹦AK/S，单位J/cm2。ak值低－脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽。ak值高－韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic沉没原因2008年12月1日，南方大部分地区发生雪灾，造成直接经济损失1111亿元。4.疲劳强度(fatiguestrength)疲劳强度：指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值。对于对称循环交变应力的疲劳强度用用σ-1表示，单位为MPa。疲劳现象：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）国标规定：对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107，有色金属及合金为108。合理选材；注意其结构形状，避免应力集中，减少缺陷；提高表面光洁度和表面强化等方法。那么怎样提高零件的疲劳强度呢？?σ-1=(0.45～0.55)σb碳素钢的疲劳强度和抗拉强度关系：本章小结载荷类型力学性能指标名称表示符号单位或范围内涵特点及用途静载荷强度（材料抵抗永久变形和断裂的能力）屈服强度σsMpa塑性材料开始产生屈服时的最低应力值评定材料优劣指标；检验材质合格与否的标准；机械零件设计、选材的定量依据条件屈服强度σ0.2Mpa无屈服点材料产生0.2%变形时的应力值抗拉强度σbMpa材料断裂前所能承受的最大应力值；脆性材料设计计算的依据塑性（材料产生永久变形而不断裂的能力）断后伸长率δ试样拉断后标距长度伸长的百分率零件设计选材的参考依据，安全工作的可靠保证。一般A＞5%、Z＞10%可满足大多数零件的使用要求断面收缩率ψ试样断裂处横截面积收缩的百分率静载荷硬度（材料或零件抵抗局部变形的能力）布氏硬度HBSHBW＜450450-650通过测量球形压痕直径计算精度测量误差小，数据稳定，常用来测毛坯或半成品零件，压痕大，不宜测成品洛氏硬度HRC20-67通过测量残余压痕深度增量获得硬度测量简便、压痕小，适宜测较硬材料及成品零件，不宜测组织不均材料动载荷韧性（材料断裂前吸收变形能量的能力）冲击吸收功AKJ材料抗冲击而不破坏的能力受冲零件选材、检验依据，防止零件低应力脆断设计依据变载荷疲劳强度（材料抵抗循环交变应力的能力）疲劳强度σ-1Mpa材料抵抗对称循环弯曲应力的能力承受循环交变载荷零件的选材，检验依据第二章金属学基础（metallographybase）第二章金属学基础第一节金属的晶体结构Crys