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金属材料讲座 metals 第一讲基本知识与钢,产品-材料-工艺,从材料学的角度看，材料的性能取决于内部结构，而材料的内部结构又取决于成分和加工工艺。所以，正确地选择材料，确定合理的加工工艺，得到理想的组织，获得优良的使用性能，是决定机械制造中产品性能的重要环节。,manufacturing,material,design,石器时代 青铜器时代 铁器时代 xx时代 简单 复杂 简单 例如： 碳钢 合金钢 碳钢（超细晶粒） 铸态 正火态 新铸态 球铁 球铁 球铁 出于节能、降本和环保的考虑,金属材料的发展历程,金属材料的特点 （characteristic）,优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等） 优良的加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能、冷成形性能等） 可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能 可回收再利用可持续发展 有些金属，特别是黑色金属，抗腐蚀性能差 比强度较低密度较大，不易轻量化,金属材料的分类,黑色金属（ferrous metals） 钢（碳素钢、合金钢、微合金钢） 铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁） 有色金属（nonferrous metals） 铝合金 铜合金 锌合金 镁合金 ,金属材料的分类,金属材料还可以其他方式分类，例如以化学成分、冶金质量、用途、金相组织分类，还可以形状分类： 棒（bar) 板（带）(plate，strip) 管(tube,pipe) 丝(wire) ,金属材料在轿车用材料中所占的比例,mg车用金属材料的种类,材料标准 (material standard),材料标准又称“技术条件”(specification) -范围 -技术要求 -引用标准 -试验方法 -订货内容 -检验规则 -分类与代号 -尺寸、外形、重量及允许偏差 -包装、标志和质量证明书,材料标准中“检验规则”举例 “冷镦和冷挤压用钢” gb/t 6478-2001,检测标准 (test standard),检测标准又称试验标准 -范围 -试样 -引用标准 -试验设备的准确度 -原理 -试验要求 -定义 -xx的测定 -符号和说明 -试验结果处理 -试验报告,金属材料的牌号 （denomination）,金属材料的牌号具有唯一性、严谨性和明确性等特征。它由专门的标准制定。各国有各自的金属材料牌号，各企业亦有各自的金属材料牌号。因此弄清世界上各种金属材料的牌号是一件颇为费劲的事。中国金属材料牌号最初吸取前苏联的牌号命名，后逐渐形成自己的材料系统。,金属材料主要力学性能指标 (mechanical properties),力学性能新旧符号对照,力与应力单位对照,拉伸试验的应力-应变图 (stress-strain),金属材料的力学性能,弹性与刚性 材料不产生永久残余变形的能力称为弹性 材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值e=/称为弹性模量。e表示了原子间结合力的程度，标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。,金属材料的力学性能,切变模量：g=/r 泊松比：=/ :纵向弹性变形， ：横向弹性变形 e=2g(1+ ) 形变强化：strue=kn strue：真应力 k： 材料常数 ： 真应变 n： 硬化指数,金属材料的力学性能,强度 在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。 屈服强度 外加载荷没有增加，试样的变形量自动增大。此时对应的应力值称为屈服强度。 抗拉强度 对应最大应力值,金属材料的力学性能,塑性 材料在外力作用下，产生永久变形而不发生断裂的能力，称为塑性。金属的塑性是相对的，随温度、应力状态的变化而变化。 硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,金属材料的力学性能,韧性 材料断裂时所需能量的度量。 - 冲击韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。 - 断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力 疲劳性能：金属材料在交变载荷作用下，经一定周次运转后发生失效或破坏，称金属的疲劳。金属在不同的应力状态（拉、弯、扭、应力比）下呈现不同的疲劳行为,金属材料的力学性能,断裂韧性 断裂韧性的兴起，源于大型轧辊的断裂、高压容器的爆炸、发电机转子的开裂、桥梁和船舰的断裂等 k=ca1/2（n/mm3/2） k: 应力水平因子 c：几何形状系数 ：外加应力 a：裂纹长度,金属材料的物理性能,密度 熔点 热容量 热膨胀性 导热性 磁性 导电性 介电常数,金属材料的化学性能,耐腐蚀性 高温抗氧化性,金属材料的工艺性,工艺性决定了金属材料的应用前景与应用范围 铸造性 可锻性（含冷镦、温挤等） 可焊性 碳当量参考公式： ceq=c+mn/6+1/5(cr+mo+v)+1/15(ni+cu) ceq的界限值：0.4%，0.4-0.6%，0.6% 切削加工性 热处理工艺性能,钢-铁 （iron & steel）,- 钢与铁的分界线c：2.06% - 钢与铁在显微组织上的区别，石墨游离的碳 - 钢与铁在力学性能上的区别：塑性和韧性 - 钢与铁在工艺性方面的区别：可锻性,碳素钢 (alloy steels),低碳钢（mild steel) c0.25%，例如：040a10-bs 970 中碳钢 c=0.25%0.60%，例如：c45-din 17200 高碳钢 c 0.60%，例如：cs70-bs 1449,渗碳钢 (case hardening steel),特点：低碳、含合金元素（cr,mn, b,ni,mo,v,ti）。改善性能，增加淬透性，细化晶粒 20crmo-gb/t 5216-2004 708x20-bs 970,调质钢 (quenching & temper steel),特点：中碳（c=0.30-0.60%）钢或中碳合金钢，具有良好的强度和足够的韧性， 即具有良好的综合机械性能。有被非调质钢和低碳（合金)钢取代的趋势。 45-gb/t 3078-1994 41cr4-bs en 10084-1998,弹簧钢 (spring steel),特点：中、高碳（合金）钢。据有较高的抗拉强度、弹性极限和疲劳强度。 65mn-gb/t 1222-1984 c75-uni 7064 - 钢丝：用于气门弹簧、螺旋弹簧等 - 钢带：用于弹簧垫片等,不锈钢 (stainless steel),铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。 奥氏体不锈钢 0cr18ni9-gb/t 1220-1992、321s31-bs 970 铁素体不锈钢 1cr17-gb/t 1220-1992、430s17-bs 1449 马氏体不锈钢 2cr13-gb/t 1220-1992、420s37-bs 970,微合金钢 （microalloy steel),特点：在中碳钢中添加微量合金元素（v,ti,nb和n等），通过控制轧制（锻造）和冷却，在f和p中弥散析出碳（氮）化物等强化相，不经调质处理而达到碳素结构钢或合金结构钢调质处理后所达到的力学性能。 少合金、免热处理、低成本，替代调质钢。 f35mnvn-gb/t