1-ch1金屬材料的性能-配套課件解析

緒論為什么要學(xué)習(xí)工程材料及成形技術(shù)?工程材料（鋼鐵）生產(chǎn)過程及機(jī)器制造過程本課程的基本內(nèi)容和任務(wù)本課程的性質(zhì)和要求第一頁，編輯于星期一：七點五十六分。為什么要學(xué)習(xí)工程材料及成形技術(shù)?材料是現(xiàn)代文明三大支柱（材料、能源和信息）之一,是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)特別是機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ);是生產(chǎn)活動的基本投入。材料的利用標(biāo)志著人類生活的進(jìn)展，歷史上有“石器時代”、“青銅器時代”和“鐵器時代”。當(dāng)前，材料總數(shù)有50萬余種之多，而且新材料每年以5%左右的速度遞增。材料的質(zhì)量、品種和數(shù)量已成為衡量一個國家科技、經(jīng)濟(jì)水平和國防力量的重要標(biāo)志之一。第二頁，編輯于星期一：七點五十六分。以汽車工業(yè)為例：一輛轎車，需用800多種材料，下面動畫是轎車車身部分所采用的材料。動畫轎車車身部分的材料2第三頁，編輯于星期一：七點五十六分。

人類早在6000年以前就掌握了金屬冶煉。公元前4000年，古埃及人便掌握了煉銅技術(shù)。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5%的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時期，已經(jīng)大量使用鐵器。鑄鐵的發(fā)展經(jīng)歷了5000年的漫長歲月，只是到了蒸汽機(jī)的發(fā)明以后，由于在鐵軌、鑄鐵管制造中的大量應(yīng)用，才走上工業(yè)生產(chǎn)的道路。15世紀(jì)到18世紀(jì)，從高爐煉鋼到電弧爐煉鋼，奠定了近代鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)。金屬材料的發(fā)展4第四頁，編輯于星期一：七點五十六分。

19世紀(jì)后半葉，歐洲社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動了鋼鐵工業(yè)的大步發(fā)展，擴(kuò)大了鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。從1949年到2010年，全世界的鋼產(chǎn)量由1.58億噸增加到14.12億噸。而我國(不包括臺灣省)2010年鋼產(chǎn)量達(dá)到6.267億噸，居全球鋼產(chǎn)量首位。在鋼鐵材料發(fā)展的同時，有色金屬也得到發(fā)展。人類自1866年發(fā)明電解鋁生產(chǎn)工藝以來，鋁已成為用量僅次于鋼鐵的金屬。1910年純鈦的制取，滿足了航空工業(yè)發(fā)展的需求。鋼鐵材料的發(fā)展52010年，亞洲地區(qū)生產(chǎn)7.95億噸，占世界鋼總量65

％；中國鋼產(chǎn)量占世界總量45％

，占亞洲總量71.44％。馬鋼股份(600808)是國內(nèi)九家千萬噸級鋼鐵生產(chǎn)廠商之一,2010年粗鋼產(chǎn)量1540萬噸,名列國內(nèi)第10、全球第19名。第五頁，編輯于星期一：七點五十六分。非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展非金屬材料如陶瓷、橡膠等的發(fā)展歷史也十分悠久。進(jìn)入到20世紀(jì)后，更是取得了重大的進(jìn)展。人工合成高分子材料從20世紀(jì)20年代至今,發(fā)展最快、產(chǎn)量之大、應(yīng)用之廣可與鋼鐵材料相比。20世紀(jì)60年代到70年代，有機(jī)合成材料生產(chǎn)量每年以14%的速度增長，而金屬材料年生產(chǎn)增長率僅4%。1986年世界高分子材料年產(chǎn)量為9840萬噸，其中5850萬噸為塑料，合成橡膠為540萬噸，合成纖維1140萬噸。20世紀(jì)90年代，塑料產(chǎn)量已逾億噸。2002年我國塑料產(chǎn)量達(dá)到2200萬噸，出口量達(dá)到1228萬噸。6第六頁，編輯于星期一：七點五十六分。陶瓷材料近幾十年的發(fā)展也十分引人注目。

陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技術(shù)領(lǐng)域已成為耐高溫、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和多種功能材料的主要用材。隨著航空、航天、電子、通信、機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等已在航空航天工業(yè)和交通運輸、石油化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。7第七頁，編輯于星期一：七點五十六分。

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類改造自然的能力提高到一個新的水平。新材料的發(fā)展趨勢動畫2材料比強(qiáng)度的進(jìn)展

工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。動畫2為材料比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）隨時間的進(jìn)展，由圖可知當(dāng)代先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。8第八頁，編輯于星期一：七點五十六分。新材料主要在以下幾方面獲得發(fā)展：9(1)先進(jìn)復(fù)合材料。由基體材料（高分子材料、金屬或陶瓷）和增強(qiáng)材料（纖維、晶須、顆粒）復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。(2)光電子信息材料。包括量子材料、生物光電子材料、非線性光電子材料等。(3)新型金屬材料。如鎳基高溫合金、非晶態(tài)合金、微晶合金、Al-Li合金金屬間化合物等。

(4)納米材料。又稱超微細(xì)材料，指至少在一維方向上受納米尺度（0.1～100nm）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料。第九頁，編輯于星期一：七點五十六分。工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料屬于工程材料，主要包括：金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造的最主要材料，被稱為現(xiàn)代工業(yè)的骨架。金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料第十頁，編輯于星期一：七點五十六分。第十一頁，編輯于星期一：七點五十六分。第十二頁，編輯于星期一：七點五十六分。第十三頁，編輯于星期一：七點五十六分。從工程技能培養(yǎng)角度來看：在今后的設(shè)計和制造活動中，保證未來的工程師們能夠合理地選擇工程材料及其加工方法。為什么要學(xué)習(xí)工程材料及成形技術(shù)?從課程學(xué)習(xí)階段連續(xù)性角度來看：是材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。第十四頁，編輯于星期一：七點五十六分。工程材料（鋼鐵）生產(chǎn)過程及機(jī)器制造過程第十五頁，編輯于星期一：七點五十六分。鋼鐵是怎樣煉成的第十六頁，編輯于星期一：七點五十六分。熱加工采礦礦石煉鐵煉鋼軋鋼鑄造生鐵煉鋼生鐵鋼錠鋼坯鋼材鑄造鍛造沖壓焊接鑄鋼件鑄鐵件鍛件沖壓件機(jī)械零件熱處理

機(jī)械加工裝配機(jī)器焊接件機(jī)器是怎樣造成的?第十七頁，編輯于星期一：七點五十六分。機(jī)械加工工藝方法常用：熱加工―――鑄、鍛（軋）、焊、熱處理、粉末冶金

冷加工―――切削加工（車、銑、刨、鏜、磨、鉆、插等）鑄造鍛造焊接軋制粉末冶金金屬材料毛坯熱處理切削加工零件第十八頁，編輯于星期一：七點五十六分。本課程的基本內(nèi)容和任務(wù)基本內(nèi)容工程材料成形技術(shù)工程材料基礎(chǔ)理論工業(yè)常用工程材料鑄造壓加焊接熱處理熱加工第十九頁，編輯于星期一：七點五十六分。鑄造第二十頁，編輯于星期一：七點五十六分。鍛造第二十一頁，編輯于星期一：七點五十六分。板料沖壓第二十二頁，編輯于星期一：七點五十六分。焊接第二十三頁，編輯于星期一：七點五十六分。第二十四頁，編輯于星期一：七點五十六分。本課程的主要任務(wù)：1、建立工程材料和材料成形工藝的完整概念，培養(yǎng)良好的工程意識；2、掌握必要的材料科學(xué)及相關(guān)的成形技術(shù)的基礎(chǔ)理論；3、掌握選擇零件材料及成形工藝的基本原則和方法步驟；4、掌握零件的結(jié)構(gòu)工藝性；5、了解相關(guān)的新材料、新技術(shù)、新工藝。第二十五頁，編輯于星期一：七點五十六分。本課程的性質(zhì)和要求本課程性質(zhì)：

內(nèi)容廣、實踐性強(qiáng)、技術(shù)基礎(chǔ)課。因此，在學(xué)習(xí)中要多聯(lián)系自己在金屬材料及成形方面的感性知識，結(jié)合金工實習(xí)時的所見、所聞、所做，注重理論聯(lián)系實際，這樣才能學(xué)好書中的有關(guān)理論知識。第二十六頁，編輯于星期一：七點五十六分。本課程的性質(zhì)和要求考核方式：閉卷參考書目：

1、鄧文英.《金屬工藝學(xué)》（第三版）上冊.北京：高等教育出版社2、崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理.北京：高等教育出版社3、詹武.《工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)Ⅰ》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社4、任福東.《工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)Ⅱ》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社第二十七頁，編輯于星期一：七點五十六分。第一章工程材料主要性能金屬材料具有許多的可貴的性能，一般分為兩大類：使用性能工藝性能1.使用性能――反映金屬材料在使用過程中所表現(xiàn)出的特性。包括：

力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等）物理性能（密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等）化學(xué)性能（抗大氣、海水及其它介質(zhì)腐蝕、抗高溫氧化等第二十八頁，編輯于星期一：七點五十六分。2.工藝性能―――反映金屬材料在加工制造過程中所表現(xiàn)出來的特性。包括：鑄造性、壓力加工性、焊接性、熱處理性、切削加工性等。在選擇和應(yīng)用金屬材料時，一般無特殊要求時，首先考慮金屬材料的使用性能，而在使用性能中，又主要以力學(xué)性能（機(jī)械性能）為主。作為本章討論的重點。

第二十九頁，編輯于星期一：七點五十六分。金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能是指金屬材料在受外力（靜、沖擊、交變）作用時所反映出來的性能。力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。第三十頁，編輯于星期一：七點五十六分。一、強(qiáng)度和塑性（靜）塑性：金屬在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力強(qiáng)度指標(biāo)有：屈服強(qiáng)度（σS）、抗拉強(qiáng)度（σb）塑性指標(biāo)有：伸長率δ、斷面收縮率Ψ強(qiáng)度和塑性通過拉伸試驗方法測得第三十一頁，編輯于星期一：七點五十六分。第三十二頁，編輯于星期一：七點五十六分。19動畫4低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖拉伸試驗－應(yīng)力應(yīng)變圖第三十三頁，編輯于星期一：七點五十六分。拉伸曲線圖（F～ΔL曲線圖）第三十四頁，編輯于星期一：七點五十六分。式中：Fs—試樣產(chǎn)生明顯塑性變形時所受的最小載荷

Fb—指試樣被拉斷前所承受的最大外力

A0—試樣的原始截面積（mm2）（1）屈服強(qiáng)度：（2）抗拉強(qiáng)度：單位：MPa第三十五頁，編輯于星期一：七點五十六分。金屬材料的塑性通常用伸長率和斷面收縮率來表示

（1）伸長率δ

δ=

（L1-L0）/L0×100%

式中：L0—試樣原標(biāo)距的長度（mm）L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）

（2）斷面收縮率Ψ

Ψ=

（A0-A1）/A0×100%

式中：A0—試樣的原始截面積（mm2）A1—試樣斷面處的最小截面積（mm2）良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。第三十六頁，編輯于星期一：七點五十六分。二、硬度

金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力，叫硬度。

金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。常用硬度指標(biāo)：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）第三十七頁，編輯于星期一：七點五十六分。（1）布氏硬度第三十八頁，編輯于星期一：七點五十六分。布氏硬度的特點：（HBSHBW）布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。布氏硬度一般適用于硬度較低的材料。如：鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料。注意：一般用于HBS<450測量壓頭為淬火球測量壓頭為硬質(zhì)合金球第三十九頁，編輯于星期一：七點五十六分。（2）洛氏硬度第四十頁，編輯于星期一：七點五十六分。洛氏硬度的特點：（HRCHRBHRA）洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。標(biāo)尺壓頭總載荷/N使用測試材料有效值HRA金剛石（圓錐體）600硬質(zhì)合金、表面淬火鋼70～85HRB淬火鋼球(Φ1.588mm)1000退火鋼、非鐵合金25～100HRC金剛石（圓錐體）1500一般淬火鋼20～67注意：一般適用于硬度較高的材料。如：淬火鋼等第四十一頁，編輯于星期一：七點五十六分。動畫洛氏硬度測量24動畫布氏硬度測量

第四十二頁，編輯于星期一：七點五十六分。HBS與HRC的關(guān)系:硬度與強(qiáng)度的關(guān)系:當(dāng)HBS>220時：HBS/HRC≈10／1低碳鋼：σb≈0.36HBS高碳鋼：σb≈0.34HBS調(diào)質(zhì)鋼（中碳鋼）：σb≈0.325HBS第四十三頁，編輯于星期一：七點五十六分。（3）維氏硬度（HV）特點：加載負(fù)荷小原理：將方錐形金剛石壓入材料表面,保持規(guī)定時間后，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計算硬度的大小。

適用范圍：維氏硬度有小負(fù)荷維氏硬度，試驗負(fù)荷1.961~<49.03N，它適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；第四十四頁，編輯于星期一：七點五十六分。HV與HBS的關(guān)系:HV/HBS≈1／1同樣的材料，HV略高于HBS第四十五頁，編輯于星期一：七點五十六分。三、韌性（動載荷）常用韌性指標(biāo)：沖擊韌度（ak）沖擊韌度:金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。金屬材料的沖擊韌度常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。第四十六頁，編輯于星期一：七點五十六分。第四十七頁，編輯于星期一：七點五十六分。將帶有缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，安放在沖擊試驗機(jī)的支座上,把重量為G的擺錘從一定高度H落下，將試樣沖斷，之后擺錘仍繼續(xù)擺動