工程材料与机械制造基础课件

工程材料与机械制造基础,适应专业：机械工程,学时数： 64,任课教师个人信息 主讲教师： 张向阳 高级工程师 所在单位： 机械工程系 M.P :E-Mail : ,本课程由工程材料(CH1-CH6)、材料成形工艺基础(CH7-CH12)、机械制造工艺基础(CH13-CH17)三个内在模块组成。,绪 论,课程目标,发展历史,机械制造全过程 从选用材料到加工制造（本课程主要特点之一 综合性）会制订零件加工工艺路线,绪 论,制造技术基础平台 以材料成形为目标，构建从铸、锻、焊等毛坯生产到切削加工为主线的制造技术基础平台会选择零件的加工制造方法,1 本课程的目标:,知识与技能（一个过程，两个平台）,（1）熟悉一个过程：,(2) 构建两个平台：,材料应用技术平台 以材料应用为目标，构建从分类、牌号到成分热处理组织性能用途为主线的工程材料应用技术平台 会正确选择、使用工程材料及热处理工艺,2本课程发展的历史,早在远古的石器时代，人类最初使用的是天然石块，慢慢学会了用石块相互撞击，制造简单工具；后来发展到磨制石器，制成了石刀，石斧，石矛等工具。,用材料划分的人类历史： 石器时代 陶器时代 铜器时代 铁器时代 现在的新材料时代,2.1 石器时代,（1）(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们发现了用粘土 (主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器，由于粘土强度低，可塑性、粘结性好，所以制出了形状复杂的各种陶器制品。,2.2 陶器时代 （新石器时代） 中国材料、工艺名扬四海的时代,（2）到东汉时期发明了瓷器。我国是最早生产瓷器的国家。中国瓷器畅销全球，名誉四海。于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。,公元前二千多年的夏代，我国就掌握了青铜冶炼术；到距今三千多年前的殷商、西周时期，技术达到当时世界高峰，用青铜制造的生产工具、生活用具、兵器，得到普遍应用。,2.3 铜器时代中国人最骄傲的时代,从河南安阳商代遗址出土的司母戊鼎重达875Kgf, 不仅体积庞大，而且花纹精巧，造型美观，是迄今世界上最古老的大型青铜器。 从湖北随县出土的战国青铜编钟是我国古代金属冶炼技术高度发达的见证。 春秋战国时期周礼考工记中的“六齐规律”，是世界上最早关于青铜成分性能用途之间关系的记载。,越王勾践剑虽已在地下埋藏两千多年，但仍然可以切开成叠的纸张。其表面经过一定的化学处理，形成防锈的菱形、鳞片形或火焰形的花纹，异常华丽。,一支考古队在挖掘春秋古墓时，却意外发现了一把沾满泥土的长剑，剑身上一行古篆“越王勾践自用剑”跃入人们眼帘。这一重大的考古发现立即轰动了全国，但是，更加轰动的消息却来自对古剑的科学研究报告。最先引起研究人员注意的是：这柄古剑在地下埋藏了两千多年为什么没有生锈呢？为什么依然寒光四射、锋利无比呢？通过进一步的研究发现，“越王勾践剑”千年不锈的原因在于剑身上被镀上了一层含铬的金属。铬是一种极耐腐蚀的稀有金属，地球岩石中含铬量很低，提取十分不易。再者，铬还是一种耐高温的金属，它的熔点大约在4000。,越王勾践剑是采用青铜铸造而成，这已经为现代科学分析所证实。,2.4 铁器时代中国人最辉煌的时代,(1) 春秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。西汉时期炼铁技术有很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。与此同时，铸造、锻造、锡焊、银焊等成形技术相继出现并广泛应用。,(2) 创造了三种炼钢方法：自然钢、百炼钢、灌钢 两步炼钢技术：先炼铁后炼钢，比其它国家早1600多年。,(3)钢的热处理技术达到相当高的水平：明代科学家宋应星在天工开物一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。,(1) 高分子材料迅速发展，年增长速度14，金属材料年增长率4。,2.5 新材料时代中国大发展时代,(2) 陶瓷材料引人注目，脆性和抗热震性获得改善，最有前途的高温结构材料。,(3)复合材料前途广阔： 航空、航天、电子、通讯机械、化工、能源等广泛应用。,(4)功能材料发展迅速： 超导、磁性、形状记忆、信息等材料迅速发展。,(5) 纳米材料异军突起，引领新的工业革命,(用扫描隧道显微镜搬动48个Fe原子到Cu表面上构成的量子围栏),目前定向凝固技术、快速成形技术、高速锤锻、精密模锻、气体保护自动焊、激光切割、等离子切割等各种新的成形技术，以及自动线、加工中心，数控系统、柔性制造系统等已是屡见不鲜。未来正向着快速、精密、自动化的方向飞速发展。,在材料成形工艺和机械制造方面：,教学目标 1、掌握常见工程材料的分类。 2、理解材料力学性能主要指标(强度、塑性、硬度、 韧性等)的测定方法及其内涵，掌握并记忆其表示符号、标注方法以及主要用途。,主要内容,第一节 材料的种类,第二节 材料的性能,第1章 材料的种类与性能,第一节 材料的种类,P1,工程材料,功能材料：力学功能材料、物理功能材料、智能功能材料等,高分子材料,无机非金属材料,金属材料,复合材料,钢铁合金,钢: 碳钢、合金钢、特种钢等,铸铁:白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁等,非铁金属,其它：镁合金、钛合金、镍合金等,铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜,纤维：天然纤维、合成纤维,铝及其合金：纯铝、铝合金,橡胶：通用橡胶、特种橡胶,塑料：通用塑料、工程塑料、特种塑料,水泥,玻璃,耐火材料,陶瓷,树脂基,金属基,陶瓷基,第二节 材料的性能,P2,1.2.1 材料的力学性能,力学性能（或机械性能）是指材料受到外加载荷作用时，所反映出来的固有性能。,工程材料的性能分为使用性能和工艺性能。,材料的工艺性能:各类设备零件总是要由原始状态材料经过各种机械加工以后得到,所选材料在加工方面的物理、化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性能,又叫加工性能。主要包括可锻性、铸造性、可焊性、切削加工性和热处理性能等。,材料的使用性能：指材料在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能。包括力学性能（机械性能）、物理性能、化学性能等。,一、强度 强度是指材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。常通过静载拉伸试验测定。,（1）拉伸试样：,长试样：L0 = 10d0 短试样：L0 = 5d0,低碳钢拉伸曲线,（2）拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：,转换：纵坐标为应力 单位 MPa， 横坐标为应变 其中：=F/S0 表示材料抵抗变形和断裂的能力 （L1-L0）/L0 =L/ L0,低碳钢拉伸时的应力-应变图,（3）曲线分为四阶段：, 低碳钢拉伸的弹性阶段 (oe段),1、op - 比例段: p - 比例极限,2、pe -曲线段: e - 弹性极限, 低碳钢拉伸的屈服阶段 (es 段),e s -屈服段: s -屈服极限,滑移线, 低碳钢拉伸的强化阶段 ( 段),-强度极限, 低碳钢拉伸的颈缩阶段 (b f 段),P3,1）刚度和弹性 刚度E材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ 弹性模量 GPa 反映了材料产生弹性变形的难易程度。 比例极限：p=Fp/So 应力应变保持线性关系的 极限应力值,（4）拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。 弹性极限：e=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。,2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加， 试样仍能继续伸长时的应力。 s = Fs/So,3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。 b = Fb/So,条件屈服强度0.2：高碳钢等无明显屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示。,二、塑性指标,断裂前材料产生塑性变形的能力称为塑性。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。一般通过拉伸实验测定。,1、伸长率 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用符号表示：,式中：l0 试样原标距长度（mm）； ll 试样拉断后对接的标距长度（mm）。,拉伸试样按长径比分为长试样（lo/do=10）和短试样 （l o/do=5）两种，长试样的断面伸长率以10或表示。短试样的断后伸长率以5表示。 一般把5的材料称为塑性材料，5%的材料称为脆性材料。,P4,2、断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示：,式中：S0 试样原始横截面积（mm2）； Sl 试样断裂处横截面积（mm2）。,塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超载，由于变形，能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须有一定的塑性。 一般情况，伸长率达5%或断面收缩率达10%的材料，即可满足大多数零件的使用要求。,P4,三、 硬度,硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬的指标。,1、布氏硬度,布氏硬度数值通过布氏硬度试验测定。布氏硬度试验是指用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,P4,工业上应用广泛的是压入法硬度试验，即在规定的试验力下将压头压入被测材料或零件表面，用压痕深度或压痕表面面积来评定硬度。常用的主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,P4,布氏硬度试验原理示意图,布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。使用淬火钢球压头时用符号HBS，使用硬质合金球压头时用符号HBW，计算公式如下：,式中：F试验力（N）；D球体直径（mm）； d压痕平均直径（mm）。,所以在测定布氏硬度时，只要先测得压痕直径d，即可根据d值查有关表格得出HB值。,布氏硬度仪,布氏硬度试验范围,P4,布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位MPa，其标注方法是，符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径、试验力，试验力保持时间（1015s不标注）例如： 120HBS10/3000/30，表示直径10mm淬火钢球在3000N的试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120 MPa 。,P4,布氏硬度最大限值为650，一般HB450就不采用布氏硬度，而改用洛氏硬度。,布氏硬度值的测量误差小，数据稳定，重复性强，常用于测量退火、正火、调质处理后的零件以及灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等毛坯或半成品零件的硬度。但因测量费时，压痕较大，不适宜测量成品零件或薄件。,2、洛氏硬度,1）洛氏硬度试验原理与方法 洛氏硬度试验是在初始试验力F0及总试验力F1的先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值的一种压痕硬度试验方法。,三种常用洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)中，以HRC应用最多，一般经过淬火处理的零件和工具都用它测试硬度。,P4,洛氏硬度的标注方法为，硬度数值在前，硬度符号在后。洛氏硬度是无名数。必须注意的是，硬度值应在有效测量范围内（例如HRC为2067）方为有效。HRC与HB的数值关系（当HBS220时）约为110。,常用的三种洛氏硬度标尺的硬度符号、试验规范列于下表：,P4,2）洛氏硬度试验的特点及应用 洛氏硬度测定简单，方便快捷，可直接从表盘上读出硬度数值，压痕小，多用来测较硬材料的硬度或成品零件硬度； 测试范围大，能测较薄零件的硬度。 但由于压痕小，测定结果波动较大，稳定性较差，故需测试三点，取其算术平均值，一般不适宜测试组织不均匀的材料。,P4,3、维氏硬度,维氏硬度值由维氏硬度试验测定。 维氏硬度是将相对面夹角为136的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（49.03980.7N）压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的压痕对角线长度计算硬度的一种压痕硬度试验。,压痕对角线长度是用附在试验计上的测微器来测量的。根据GB4340-1999规定，测量时应测出压痕两条对角线的长度d1与d2，求出算术平均值作为压痕对角线长度d，然后就可以计算或查表得出维氏硬度值。（维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商）。,P4,维氏硬度的表示符号为HV，测量范围是51000HV，标注方法与布氏硬度相同。硬度数值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁的试验力保持时间为1015s时，可以不标出。例如： 640HV30表示用294.2N（30kgf）试验力保持1015s测定的维氏硬度值为640。,维氏硬度的适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量，采用对角线长度计量，精确可靠，误差小，能够更好地测量极薄零件的硬度，尤其是化学热处理的渗层硬度等。 但维氏硬度需测量对角线长度，然后计算或查表才可获得硬度值。所以，测量效率较低，不适宜于大批生产，不适合测量组织不均匀的材料（如铸铁的硬度）。,4、硬度指标的实用性,硬度实际上反映了金属材料的综合力学性能。它不仅从金属表面层的一个局部反映了材料的强度（抵抗局部变形，特别是塑性变形的能力），同时也反映了材料的塑性（压痕的大小或深浅）。,P4,硬度试验和拉伸试验都是在静试验力作用下测定材料力学性能的方法，但因拉伸试验属于破坏性试验，测定方法也比较复杂，所以主要用于原材料的性能测试和质量检验；而硬度试验则简单迅速，基本上不损伤材料，甚至不需要专门的试样，可以直接在工件上测试。因此，在生产中得到更为广泛的应用。,强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测量的力学性能指标。但实际生产中不少零件经常是在复杂变化的动载荷作用下产生断裂而破坏的。因此，还必须考虑材料在断裂前吸收变形能量的能力，即韧性。 材料的韧性通常随加载速度的提高，温度的降低，应力集中程度的加剧而减小，常用的韧性判据有冲击韧度和断裂韧度。,四、 韧 性,在冲击力作用下的零件，由于冲击所引起的变形和应力比静载荷时大得多。必须测定其抵抗冲击力作用的能力，即冲击吸收功。,1、冲击吸收功与冲击韧度,P5,大能量一次冲击试验,冲击韧度指大能量一次冲击试验中，冲击吸收功Ak与试件横截面积S的比值。表示了材料抵抗冲击力而不破坏的能力，是评定材料韧性好坏的重要指标之一。 单位：J/m2；符号：ak,冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力作用下折断时所吸收的功。通过冲击实验进行测定。单位：J；符号：Ak 。,断裂韧度是指材料抵抗裂纹扩展即抵抗低应力脆断的能力。 工程中曾多次出现用高强度材料制成的大型、重型零件或构件突然脆断的事故，如大型铁桥突然断裂和高压容器突然爆炸等。这种在材料所承受的应力远低于许用应力的情况下，突然发生无明显塑性变形的脆性断裂，称为低应力脆断。,2、断裂韧度,大量事实和实验研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引