金属工艺学_第一篇 第一章金属材料的主要性能概要

同学们好金属工艺学上册（第四版）邓文英主编高等教育出版社绪论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的综合性技术基础课。它主要研究：（1）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；（2）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。金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程中的地位。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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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1．鞠鲁粤主编，工程材料与成形技术基础，高等教育出版社，2004.62．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，2001.93．严绍华主编，材料成形技术基础，清华大学出版社，2001.84．施江澜主编，材料成形技术基础，机械工程出版社，2001.8参考文献如何学好本课程？即使天上掉馅饼，也只有早起的人才能得到要付出劳动是否想学好本课程？为了应付考试？记录老师讲课重点（经常提到）为了工作需要？认真读懂教材和参考书为了扩大知识面？广泛涉及课外书籍、勤于思考约定字迹工整、按时独立完成作业课堂内不吃东西关闭通信等能够发出声音的工具......不旷课第一篇金属材料导论1.材料工业的重要程度材料作为能制造有用物品的物质，与能源和信息共同构成了人类社会赖以生存与发展的基本资源，故材料、能源和信息并列为现代科学和现代文明的三大支柱，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。材料是人类生活与社会发展的主要物质基础，其品种、数量和质量是人类文明和社会进步程度的标志。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属Metal复合材料Composites陶瓷Ceramic高分子Polymer2.工程材料的分类按属性分类：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：三维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、成型的技术也不同。3.什么是金属材料金属材料——以金属元素为主要成分、原子通过金属键结合而成的一类固体材料。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,1736～1819，英国)发明了蒸汽机以后，大量使用铁轨和铸铁管，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4.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。金属材料高模量高韧性高磁性高导电性6.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。第一章金属材料的主要性能教学重点：金属材料的力学性能（表达方式、测定方法、单位量纲、物理意义）教学难点：拉伸曲线（F-Δl或б-ε曲线）特点；硬度实验过程第一节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、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。一、强度与塑性强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。拉伸试验标准试件低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线F——Δl：载荷伸长量拉伸曲线σ——ε：应力应变曲线σ=F/Aoε=△L/L0分别以σ和ε为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的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；es——屈服阶段；sb——强化阶段；bk——缩颈阶段s-屈服点b-开始发生缩颈现象退火低碳钢力-伸长曲线屈服极限S强化阶段弹性极限P屈服阶段强度极限B颈缩阶段弹性阶段强度指标1.屈服点在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点，S点对应的应力称屈服点应力。用符号σs表示。屈服点应力σs可按下式计算：σs=Fs/A0(MPa)式中：Fs—试样屈服时的载荷，NA0—试样原始横截面积，mm2。2．抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号σb表示，单位为Mpa，σb=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）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义。机械零件多以σs作为强度设计的依据。对于脆性材料，在强度计算时，则以σb为依据。塑性指标(1)伸长率δδ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率φ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。φ=（A0-A1）/A0×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）δ和φ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。二、硬度固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。布氏硬度布氏硬度试验原理图222)(2102.0)(mmNdDDDFHBWHBS式中：F—试验力，ND—压头的直径,mmHBS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。布氏硬度与洛氏硬度的特点比较布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，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，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。洛氏硬度的特点：洛氏硬度HR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，故在钢件热处理质量检查中应用最多。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的情况，则所测硬度值的重复性也差。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不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(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上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。夏比冲击试验试验原理ak=AK/A（J·cm-2）式中：Ak—折断试样所消耗的冲击功（J）A—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Ｕ形缺口试样，另一种是夏比Ｖ形缺口试样同一条件下同一材料制作的两种试样，其Ｕ形试样的ak值明显大于Ｖ形试样的ak，所以这两种试样的值ak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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。疲劳的概念:金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。疲劳强度的概念在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力σ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σ－Ｎ之间的关系曲线，称疲劳曲线σ-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σ-1表示，即当应力低于σ-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。无数次应力循环：•对于钢材为107，•有色金属和某些超高强度钢常取108。σ-N曲线第二节金属材料的物理、化学及工艺性能一、1．密度2．熔点3．导热性4．导电性5．热膨胀性6．磁性二、它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，1.耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等)2．3．三、金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1金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。2、金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。3、焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。4、切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。