《金屬材料的性能》PPT課件.ppt

1、同學們好,金 屬 工 藝 學 王曉東 徐長思主編武漢大學出版社,緒 論,什么叫金屬工藝學？ 是一門研究有關制造金屬零件工藝方法的綜合性技術基礎課。 它主要研究： （1）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機械制造中的應用和相互聯(lián)系； （2） 金屬機件的加工工藝過程和結構工藝性； （3）常用金屬材料性能對加工工藝的影響等。 金屬工藝學中涉及到的知識點在機械制造工程中的地位。,課程的性質、任務和要求,性質： 研究常用工程材料及其成形方法的綜合性課程 體現(xiàn)理論教學與實踐環(huán)節(jié)密切結合的技術基礎課程,任務和要求： 了解產品的制造過程 掌握常用工程材料的種類與性能，能初步選用 掌握材料成形的基本原理和工藝特點，

2、能初步運用,如何學好本課程？,即使天上掉餡餅，也只有早起的人才能得到,要付出勞動,是否想學好本課程？,為了應付考試？ 記錄老師講課重點（經常提到） 為了工作需要？ 認真讀懂教材和參考書 為了擴大知識面？ 廣泛涉及課外書籍、勤于思考,約 定,字跡工整、按時獨立完成作業(yè),課堂內不吃東西,關閉通信等能夠發(fā)出聲音的工具,.,做不到的是,不遲到,第一章 金屬材料性能,1. 材料工業(yè)的重要程度,材料作為能制造有用物品的物質，與能源和信息共同構成了人類社會賴以生存與發(fā)展的基本資源，故材料、能源和信息并列為現(xiàn)代科學和現(xiàn)代文明的三大支柱，而在這三者之間，材料又是最重要的基礎。,材料是人類生活與社會發(fā)展的主要物質

3、基礎，其品種、數(shù)量和質量是人類文明和社會進步程度的標志。,1. 材料工業(yè)的重要程度,歷史學家把人類社會的發(fā)展按其使用的材料類型劃分為石器時代、青銅時代、鐵器時代，而今正處于人工合成材料的新時代。,我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一,2. 工程材料的分類,按屬性分類：,金屬材料 陶瓷材料 高分子材料 復合材料,2. 工程材料的分類,材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術也不同。,3. 什么是金屬材料,金屬材料以金屬元素為主要成分、原子通過金屬鍵結合而成的一類固體材料。,公元前6000年：人類發(fā)明金屬冶煉1 公元前4000年：古埃及人掌握煉銅技術1 公元前2500年：中國人開始使用鐵

4、 公元18世紀末：瓦特(JamesWatt,17361819，英國) 發(fā)明了蒸汽機以后，大量使用鐵軌 和鑄鐵管 ，鑄鐵的冶煉才走上工業(yè) 化生產的道路。 從此，金屬材料在材料工業(yè)中就占有了統(tǒng)治性的主導地位。,4. 金屬材料的發(fā)展歷史,4. 金屬材料的發(fā)展歷史,1820年：（英）法拉第開始研究合金鋼 1839年：巴比特研制出軸承合金 1856年：（德）貝斯麥在轉爐中將生鐵精煉成鋼 1906年：泰勒和霍特研制出高速鋼 1912年：（美）海恩茲發(fā)明鎢鉻鈷硬質合金 1923年：克虜伯公司發(fā)明鎢鈷硬質合金 1940年：（日）北圓一郎等發(fā)明特超硬鋁 1948年：（美）米爾斯研制出球墨鑄鐵 1959年：福特公

5、司研制出TiC金屬陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金） 1970年：美國和瑞典研制出粉末高速鋼,5. 金屬材料的優(yōu)越性,自20世紀50年代以后，高分子材料、先進陶瓷材料、復合材料迅速發(fā)展，開始出現(xiàn)一些金屬材料的“代用品”。那么鋼鐵材料是否已經進入“夕陽”工業(yè)了哪？,否。 金屬材料具有其他材料不能完全取代的獨特性質和使用性能。,6. 金屬材料的研究現(xiàn)狀,當前，金屬材料的研究領域包括： 高純材料優(yōu)異的軟磁性、良好的耐腐蝕性、高殘余電阻率，用于高真空容器、核反應堆等。 高強度材料可減輕重量，用于航空航天、深海潛艇、原子能等領域。 超易切削鋼提高刀具壽命30倍，降低成本、節(jié)約能源。 硬質合金與金屬陶

6、瓷高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化，用于刀具、磨具、軋輥、軸承等領域。 高溫合金與難熔合金超過1300有很高強度，用于飛機發(fā)動機等。,6. 金屬材料的研究現(xiàn)狀,6. 金屬基復合材料高比強度、高比彈性模量，用于航空航天等領域。 7. 共晶合金定向凝固材料超高溫下呈現(xiàn)更高強度，用于制造渦輪葉片等。 8. 金屬非晶及微晶材料通過快速冷凝而得到，如金屬玻璃、金屬微晶材料。前者具有超耐腐蝕性、高磁導率、低熱脹系數(shù)等，用于變壓器鐵心；后者具有高強度、高韌性、高抗疲勞斷裂性等。 9. 金屬間化合物原子按照金屬健與部分共價鍵結合，高溫強度高、抗氧化性好、彈性模量高、密度低，應用于多領域。 10. 納米金屬材料

7、顆粒徑100nm的金屬材料，具有超導性。用于電子工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學工業(yè)等。,第一章 金屬材料的性能,教學重點：金屬材料的力學性能（表達方式、測定方法、單位量綱、物理意義） 教學難點：拉伸曲線（F-l或-曲線）特點；硬度實驗過程,第一節(jié) 金屬材料的機械性能,金 屬 材 料 的 主 要 性 能,使用性能指材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性 能。 工藝性能指材料對各種加工工藝適應的能力。 金屬材料的使用性能 力學性能金屬材料在外力（載荷）作用下， 所表現(xiàn)的抵抗變形和破壞的能力。,一、強度與塑性,強度:材料抵抗由外力載荷所引起的應變或斷裂的能力。 塑性:材料在外力作用下產生不可逆永久變形而

8、不破壞的能力。 拉伸試驗,標準試件,低碳鋼拉伸曲線,鑄鐵拉伸曲線,Fl：載荷伸長量拉伸曲線 ：應力應變曲線,= F/Ao = L / L0 分別以和為縱坐標和橫坐標，繪出應力-應變曲線。應力-應變曲線的形狀與拉伸曲線完全相似，只是坐標與數(shù)值不同。,屈服極限S,強化階段,彈性極限P,屈服階段,強度極限B,頸縮階段,彈性階段,強度指標,1.屈服點 在拉伸試驗過程中，外力不增加(保持恒定)，但試樣仍然能繼續(xù)伸長(變形)，這種現(xiàn)象稱屈服。S點稱屈服點， S點對應的應力稱屈服點應力。用符號s表示。屈服點應力s可按下式計算： s = Fs / A0 (MPa) 式中：Fs試樣屈服時的載荷，N； A0試樣原

9、始橫截面積，mm2。,2抗拉強度 抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大應力值，用符號b表示，單位為Mpa，即 b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb試樣承受的最大載荷，N； A0試樣原始橫截面積，mm2。,屈服點應力（屈服強度）和抗拉強度在設計機械和選擇、評定金屬材料時有重要意義 。 機械零件多以s作為強度設計的依據(jù)。 對于脆性材料，在強度計算時，則以b為依據(jù)。,塑性指標,(1)伸長率 = （L1-L0）/L0 100% 式中： L0試樣原標距的長度（mm） L1試樣拉斷后的標距長度（mm）,(2) 斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對收縮值。 = （A0-A1）/A0

10、 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） 和愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。,二、硬度,固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。 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、洛氏硬度機等。,布氏硬度,布氏硬度試驗原理圖,式中：F試驗力，N； D壓頭的直徑,mm,HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測出的硬度值。 HBW表示用硬質合金球作為壓頭測出的硬度值。,單位面積所受的力值即為硬度,1.布

11、氏硬度 （1）試驗原理： （2）符號 HB （3）表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX （4）應用范圍： 測定結果較穩(wěn)定、準確， 但不宜測薄件或成品件。 HBS用于測小于450 的材料；HBW用測小于650的材料。主要用來 測灰鑄鐵、有色金屬及經退火、正火和調質處 理的鋼材。,洛氏硬度,洛氏硬度試驗原理圖,試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。,（1）試驗原理：用頂角為1200的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗力F1（98N）及總試驗力F作用下

12、，將壓頭壓入試樣表面，按規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度。 （2）符號 HR （3）表示方法 在符號前寫出硬度值。 （4）應用范圍 可直接測量成品或較薄工件，但結果不夠準確。,布氏硬度與洛氏硬度的特點比較,布氏硬度的特點： 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。 通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等材料的硬度。,洛氏硬度的特點： 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

13、理質量檢查中應用最多。 但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復性也差。,三、沖擊韌度（ak）,有些機件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機的起落架等。 瞬時沖擊引起的應力和應變要比靜載荷引起的應力和應變大得多，因此在選擇制造該類機件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。 試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復沖擊的能力，主要取決于強度。 沖擊值對組織

14、缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質量的有效方法。,夏比沖擊試驗 試驗原理,標準沖擊試樣有兩種，一種是夏比形缺口試樣，另一種是夏比形缺口試樣 同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其形試樣的a k值明顯大于形試樣的a k，所以這兩種試樣的值a k不能相互比較。對于脆性材料試樣一般不開缺口。,四、疲勞強度,工程上一些機件工作時受交變應力或循環(huán)應力作用，即使工作應力低于材料的屈服強度，但經過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞 。 零件的疲勞斷裂過程可分為裂紋產生、裂紋擴展和瞬間斷裂三個階段 。,疲勞的概念:,金屬材料在無數(shù)次重復或交變載荷作用下而不致引

15、起斷裂的最大應力，叫做疲勞強度。 材料的疲勞強度通常在旋轉對稱彎曲疲勞試驗機上測定。,疲勞強度的概念,在循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循環(huán)應力和斷裂時相應的循環(huán)次數(shù)N之間的關系可以用曲線來描述，即之間的關系曲線，稱疲勞曲線,-N 曲線,疲勞曲線,當零件所受的應力按正弦曲線對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號-1表示，即當應力低于-1值，既使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂 。,無數(shù)次應力循環(huán)： 對于鋼材為107， 有色金屬和某些超高強度鋼常取108。,-N 曲線,第二節(jié) 金屬材料的物理性能和化學性能,一、金屬的物理性能 1 密度 2 熔點 3 導熱性 4 導電性 5 熱膨脹性 6 磁性,二、金屬的化學性能 它是金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力，主要是指抵抗活潑介質的化學侵蝕能力， 1. 耐腐蝕性(如耐酸性、耐堿性等) 2抗氧化性 3化學穩(wěn)定性,第三節(jié) 金屬材料工藝性能,工藝性能是物理、化學、力學性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等 1、鑄造性能 金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力稱為鑄造性能