金属加工工艺学 第一篇 金属材料的基础知识.ppt

第一篇第一篇 金属材料的基础知识金属材料的基础知识 1 1 主要内容包括: 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 铁碳合金铁碳合金 钢的热处理钢的热处理 工业用钢工业用钢 2 2 材料与性能要求 四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥 力学性能 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度 物化性能密度、耐腐蚀性等 工艺性能加工成形的难易程度 3 3 第一节 金属材料的力学性能 一、强度和塑性 拉伸试验（GB6397-1986） 4 4 低碳钢拉伸试验图分析 塑性变形阶段 (屈服) 断裂阶段 (颈缩) 变形阶段的分析： 弹性变形阶段 F 5 5 N/mm2；MPa 应变：试样单位长度上的伸长量 应力与应变概念 应力： 试样单位横截面上的拉力 6 6 0.2名义屈服强度 （名义屈服点） 低碳钢拉伸试验图 1.强度指标，单位：MPa(N/mm2） b 抗拉强度 s 屈服强度(屈服点） 强度: 材料在外力作用下，抵 抗塑性变形和断裂的能力。 F 7 7 屈服强度和抗拉强度 在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度 指标。其计算公式为： 屈服强度（屈服点）拉伸试样产生屈服时的应力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的最大应力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N A0试样原始截面积,mm 金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度 设计的依据. 8 8 2. 塑性指标 应用中：10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0 伸长率：试样拉断后,其标距 的伸长与原始标距的百分比. 塑性: 材料在外力作用下，产生 永久变形而不引起破坏的能力。 9 9 断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截 面积的最大缩减量与原 始横截面积的百分比 说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。 式中 A0试样的原始截面积，mm； A1试样拉断后,断口处横截面积，mm； =（A0 A1）/A0100% 1010 二、硬度（HB、HR） 硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属 材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性 变形或破断的能力。是衡量金属软硬的指标。直 接影响金属材料的耐磨性。 常用的有布氏硬度和洛氏硬度 1111 1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头） 用于测定软材质（HBS450） 测试原理图： HBS测定 1212 压头直径:10mm、 5mm、 2.5mm 载荷: 30000N、 7500N 、1870N 特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。 适用范围：用于测定软材质（HBS450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。 HBW- 以硬质合金球为压头的新型布氏硬度计 1313 HRC测定 2、洛氏硬度HRC （120120。 。金刚石压头、 金刚石压头、 140kgf140kgf ） 用于测定硬质表面,材料（2070 HRC） 测试原理图： F 1414 压头直径: 120。金刚石压头、 1.5875mm钢球、 3.175mm钢球 主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、 特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。 缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。 适用范围：用于测定硬质材质（2070 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。 1515 三、韧性 金属在断裂前吸收的变形能量的能力韧性。 其常用指标为-冲击韧度（ak ） 1616 计算公式： ak =Ak/S(J / cm) 用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功，J; S试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次 重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲 击韧度。 ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来 检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。 1717 四、 疲劳强度 （-1 ） （-10.5b） 金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致 引起断裂的最大应力疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、 曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应 力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强 度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的 机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受循环应力（）与其断裂前的应力循 环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。 1818 疲劳曲线 当应力降至某值后， 疲劳曲线成为水平， 即表示该材料可能经受无 数次应力循环而仍不发生 疲劳断裂，这个应力叫做 疲劳强度极限。 用应力循环基数表示： 钢为107 非铁合金和某些高强为108 1919 5、几种常用金属材料的力学性能 牌 号 力 学 性 能 应应 用 b/ MPa s%HBSHRCk Q235-A400 23526工程结结构 45钢钢 6101622955（淬 火） 轴轴、杆 ZG310-57057031015 30铸钢铸钢 件 ZAlSi2145450 活塞 HT250250气缸体 QT700-27004202270 曲轴轴 2020 复习题 1. 解释应力与应变的概念 2. 说明S 、0.2 、b、1 、k、45 -50HRC、300HBS的名称和含义 3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性 能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300; QT450-10; ZG340-640(ZG55）; ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜); ZAlSi7Mg(ZL101) 。 2121 第二章 铁 碳 合 金 铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 碳钢 ： C60HRC） 用途：做小型工、模具 牌号：用 “ T”表示，其后面的一位或两位表示 钢中平均含碳量的千分之几。 如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高级优质 碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表1-6 118118 二、低合金钢 低合金钢指合金总含量低（3%）、含碳量也较低 的合金结构钢。 热处理：退火或正火 性能：较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性、 良好的焊接性。 用途：桥梁、汽车、铁路、船舶、锅炉、高 压容器、钢筋、矿用设备等 分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐候钢、 低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金 钢 应用最广是可焊接低合金高强度钢， 其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见P33表1-7 119119 三、合金钢 1、合金结构钢 分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调 质、渗氮件； 高碳合金结构钢用于制造弹簧。 牌号：采用“数字+元素符号+数字” 来表示。 前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平 均含碳量为0.25%，以25表示； 后面的数字表示合金的含量，以平均含量的百分之几表示， 合金元素小于1 .5%时，编号中只标明元素，不标明含量如果 平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用2、3、 4.表示，如：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢 40Cr 当钢中合金元素超过低合金钢的限度时合金钢 属于优质钢和高级优质钢 120120 2、合金工具钢 用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达600。C 分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、 冷作模具钢、热作模具钢 牌号：平均含碳量1.0%时，不标出，1.0%， Cr、Mn平均含量1.5%的 合金工具钢， 9SiCr表示平均含碳量为0.9%， Si 、 Cr平均含量1.5%的 合金工具钢， W18Cr4V表示含碳量为0.700.80%， W、Cr、V平均含量 分别为18%、4%、 1.5%的高速钢 121121 3、特殊性能钢 包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。 如：3Cr13，1Cr18Ni9等 不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰 应用最广。 合金钢的各种化学成分、热处理、用途 见P35表1-8 122122 选材的一般原则 1. 材料的力学性能 在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和 损坏形式找出所选材料的主要力学性能指标，这是保证 零件经久耐用的先决条件。 2. 材料的工艺性能 材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，因 此，应选用其工艺性能优良的材料，以便降低制造成本 ，减少废品的产生。 几种重要的工艺性能如下： 铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。 锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等 机械加工性：包括光洁度、切削加工性等 123123 一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机 械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此碳钢 的用途较广。但其强度还不够高，淬透性差。制造大 面积形状复杂零件，常选用合金钢。 3. 材料的经济性 在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降 低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格 和与生产有关的一些费用。 在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的， 因此在满足零件力学性能的前提下选用碳钢和铸铁， 不仅具有较高的加工工艺性能，而且可降低成本。 立足于国内资源，尽力采用国产钢材