金属材料教案第1章.doc

第二章 金属材料的性能 12 金属材料的损坏与塑性变形教学过程一、 复习提问金属材料的结构与结晶二、 新课教学：与变形相关的几个概念金属的变形金属材料的冷塑性变形与加工硬化三、 课堂练习：有关变形小实验四、 课后小结：举例金属的物理和化学性能五、 作业安排：练习册P5，一、1、2、11-15；二、1、14-18；六、 板书设计（见下页）：七、 教学后记：21 金属材料的损坏与塑性变形引言：塑性变形的后果：1、使用时损坏：表2-1（疲劳破坏、过载破坏，保养、检修、报废）2、把金属加工成各种形状和尺寸（轧、冷弯、锻造、冲压）。3、改变金属组织、性能，产生加工硬化，提高b。课程内容：一、与变形相关的几个概念1、载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力。根据载荷作用性质的不同分：（1）静载荷大小不变或变化过程缓慢的载荷。（2）冲击载荷在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。（3）交变载荷大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。按作用形式分类 （1）拉伸载荷：受轴向拉力，零件轴向伸长，径向缩短 （2）压缩载荷：受轴向压力，零件轴向缩短，径向增大（3）弯曲载荷：受法向内力，产生弯短（4）剪切载荷：受切向内力，产生位错（5）扭转载荷：受力偶作用，绕轴线产生相对运动2、内力工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为。 图示举例，内力与外力大小相等、方向相反； 内力在外力使材料发生变形时产生； 在外力使材料发生断裂后消失。3、应力假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。R：应力，Pa；F：外力，N；S：横截面面积，m2。R=二、金属的变形1、几个定义：(1)变形：金属受到不同载荷作用发生形状和尺寸的变化。(2)变形的原因：金属原子相对位置改变，宏观表现出形状、尺寸变化。(3)变形种类：弹性变形：金属受力FFe（参考拉伸曲线）此外力克服原子间的作用力，使原子间距改变。Fe消失后，原子间作用力使它们恢复平衡位置。故弹性变形时，原子间距微小变化，原子暂时偏离平衡位置，对显微组织和性能无影响。应用：弹簧、钢轨、刀具、连杆均在弹性变形范围内工作。塑性变形：金属受力FFe（参考拉伸曲线） 发生不可逆的变形，产生的变形时比弹性变形大得多，原理更加复杂。2、过程：弹性变形弹塑性变形断裂（1）单晶体的塑性变形（补充）：原理：以滑移方式进行，而滑移通过位错移动实现。滑移：单晶体一部分沿一定晶面、晶向相对另一部分滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，无法恢复。滑移受力方向：作用在该晶面上的力为互相平行，方向相反的切应力，且值达到一定值，滑移开始。原子滑移到新的平衡位置，晶体产生微量变形，许多晶面滑移的叠加，产生宏观塑性变形。 滑移 拉伸 压缩滑移面、滑移方向：滑移优先沿一定晶面和晶向进行。滑移面：晶体中能够发生滑移的晶面。滑移方向：晶体中能够发生滑移的晶向。滑移面和滑移方向的数量与晶格类型有关，滑移面和滑移方向多，塑性好。滑移本质：位错。即滑移面上部分原子偏离平衡位置，所需外力很小，只要能破坏部分原子结合力即可。位错结果：位错叠加形成滑移，最终产生宏观塑性变形。（2）多晶体的塑性变形（金属材料多是多晶体）：由于金属大都为多晶体，各晶粒间有晶界相连，晶粒位向不同，故与单晶体不同。晶粒位向影响：晶粒位向不同，在外力下，有些易滑移，有些难滑移，易滑移的晶粒受到周围晶粒的约束，滑移阻力增大，提高了塑性变形抗力。多晶体受周围晶粒晶界影响，塑性变形逐步扩展，造成变形不均匀，产生内应力。晶界的作用： 常温下，由于晶界处原子排列紊乱，位错不易发生，阻碍滑移，变形抗力增大，见下图。 高温下， 晶界处原子得到能量，易扩散，变形抗力减小(同一块铁板，高温时变软)。晶粒大小的影响：晶粒多，晶界多，变形抗力增大。晶粒细，变形量分散在各晶粒中，变形均匀。晶粒多，晶界多，不利于裂纹传播，断裂前产生较大变形，韧性和塑性提高。这是细化晶粒的原因。三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化1、形变强化（加工硬化）冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。 2、特点：金属的冷塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。3、塑性变形产生过程：（1）加工过程中塑性变形：在生产实际中，为得到所需形状和尺寸，广泛采用冲压、冷拉、轧制等加工方法，借助一定工具和强大外力，使金属按要求进行塑性变形。 例：自行车链条链板，材料为16Mn低合金钢板，硬度150HBS，b500MPa五次冷轧后，钢板厚度3.51.2,硬度HBS275, b900MPa。 例：纯铜无变形时，b=220MPa 60%变形时， b=400MPa 一些塑性好但强度低的有色金属，做成冷拔棒材、冷轧板材供应，提高b。（2）使用过程中塑性变形：金属受载荷发生变形和破断的过程中存在塑性变形阶段，而不同材料的塑性变形能力由其组织决定。四、冷塑性变形对金属性能的影响：1、有利的方面：（1） 产生加工硬化：强度、硬度提高，塑性、韧性降低。加工硬化（细化晶粒）强化金属方法 固溶强化热处理（2）加工硬化使金属具有一定抗偶然超载能力，安全性提高，罐底内凸。（3）加工硬化是塑性变形方法成形的必要条件：例：冷冲压过程中，r处首先变形，到一定程度产生加工硬化，强度，变形抗力，变形转移到其他地方，得到厚薄均匀工件。（图例）2、加工硬化缺陷：（1）塑性，进一步冷塑性变形困难，要进行中间热处理，消除加工硬化，增加成本，降低生产率。（2）加工硬化产生的塑性变形各部分不均匀，造成一定残余内应力，要退火消除。（3）塑性变形造成组织结构内应力改变，物理化学性能变化，电阻，化学活性，耐蚀性。五、冷塑性变形对金属组织影响：1、力学性能具有明显方向性： 晶粒沿变形方向拉长或压扁，如果力，晶粒成细条状，金属夹杂物拉长，形成纤维组织。2、冷塑性变形细化晶粒： 细化晶粒，位错密度增大，晶格畸变加剧，滑移困难，形变强化。六、研究塑性变形意义：1、选材，合理使用材料。2、制定加工工艺，掌握冷热变形对金属性能影响。3、改善产品质量。4、根据塑性变形与组织结构关系，有效提高材料的承载能力。22 金属的力学性能 教学过程一、复习提问：金属材料的塑性变形与作用二、新课教学：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度三、多媒体知识学习：力学性能指标实验方法四、课后小结：力学性能指标实验注意事项五、作业安排：练习册P5，一、3-10；二、2-8，11、12；三、六、板书设计（见下页）：七、教学后记：22 金属的力学性能补充：金属性能简介1、使用性能： 金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括物理、化学、力学性能。 （1）物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热胀性、磁性。（2）化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性（化学作用下表现出的性能）。（3）力学性能：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度。2、工艺性能： 金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。 包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能。 是选材和制定加工工艺考虑的因素。任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。一、强度强度金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。 1抗拉强度拉伸实验测定2抗压强度3 抗剪强度4抗扭强度5抗弯强度 1、 拉伸实验设备 夹头（定位，夹紧）液压（静载荷）自动绘图（力-伸长量） 拉伸试样 （d0试样直径，L0标距长度，二者关系）图2-62、力伸长曲线 由自动绘图仪绘出力与伸长量的关系曲线。 横坐标：伸长量（mm） F 纵坐标：力（N） b 曲线四个变形阶段见右图。 S zoe 弹性变形阶段（elastic） e 发生弹性变形， 0 Fe为试样能恢复到原始尺寸的最大拉伸力。 L 安全RRees 屈服阶段(submit) 当载荷超过Fe再卸载时，试样发生部分塑性变形， 当载荷增加到FeL时，图上出现平台或锯齿状， 这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服。 FeL为屈服载荷，屈服后，材料开始出现明显塑性变形。 比较安全RRel说明：1、工程上使用金属材料，多数没有明显屈服现象；2、用Rp0.2代。sb 强化阶段(brace) 屈服后，欲使试样继续伸长，必须不断加载， 这种随塑性变形增大，试样变形抗力逐渐增加的现象称为形变强化或加工硬化。 此阶段变形均匀发生，Fm为试样试验时的最大载荷。 危险bz 缩颈阶段（局部大量塑性变形阶段）(zenith) 载荷达到最大值Fm后，试样直径发生局部收缩, 称为“缩颈”, 由于试样缩颈处面积减小,变形集中此处，试样变形载荷随之降低, 最后断裂。说明：有些脆性材料，既没有屈服现象，又不产生“缩颈”，如铸铁。3、强度指标 （1）屈服强度当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。 ReL 试样的下屈服强度，N/mm2； ReL= FeL 试样屈服时的最小载荷，N； S0 试样原始横截面面积，mm2。规定：产生0.2%残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。 说明：零件工作时所受的应力，低于材料的屈服点或条件屈服强度，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或条件屈服强度越高，允许的工作应力也越高，则零件截面尺寸及自身质量可以减小，节约材料。 ReL、Rp0.2是机械零件设计主要依据，也是评定金属性能重要指标。一般选材，要求R ReL（Rp0.2），以免产生过量塑性变形而失效。（理想状态RRe，零件安全且只产生弹性变形，不产生塑生变形）。2、抗拉强度Rm 抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大的应力。 Rm 抗拉强度，MPa； Rm = Fm 试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明显屈服的材料，为试验期间的最大力）， N； S0 试样原始横截面面积，mm2 。 Rm表示材料在拉伸载荷作用下最大均匀变形抗力，是设计选材主要依据。零件工作时所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。二、塑性塑性材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。 1、断后伸长率A 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。 A = 100%2、断面收缩率Z 试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。 P19，思考例题Z = 100%说明：1、A、Z数值越大，材料的塑性越好，可发生大量塑性变形而不破坏。2、塑性好的金属可通过塑性变形加工成复杂形状的零件， 例如，工业纯铁的A50%，z80%，可以拉制成丝，轧成薄板； 铸铁的=0，所以不能进行塑性变形。3、塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而一发生突然断裂，安全性高。三、硬度硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。 硬度测量方法： 压入式硬度实验法：布氏、洛氏、维氏 划痕式硬度实验法：莫氏 回跳式硬度实验法：肖氏1、布氏硬度 （1）定义：布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示：原理：一定直径的球体， 以规定的试验力压入试样表面， 经规定保持时间后卸除试验力， 测量表面压痕直径， 用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来计算硬度。布氏硬度试验三要素：（1）球体直径：D 1，2，2.5，5，10mm 球体材料：淬硬钢球HBS，硬质合金钢球HBW（2）试验力：F（13000Kg），选取按表关系。（3）保压时间：t 黑色金属1015S，有色金属30S，HB35时为60S。（2）表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为1015s时可不标。 例：170HBW10/1000/30： 直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下，保持30 s时测得的布氏硬度值为170。600HBW1/30/20： 直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下，保持20 s时测得的布氏硬度值为600。 （3）应用范围：用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。 （4）优点：压痕直径大，较准确反映材料平均性能； 与其他力学性能间有一定近似关系，有时可替代拉伸实验。 缺点：操作时间长，不同材料要用不同压头和试验力； 压痕大，不宜测量成品及薄件； 对高硬度材料，由于压头本身变形，结果不准确， 一般用钢球测量时，材料硬度要求450 ;用硬质合金压头时，材料硬度要求650。2、洛氏硬度 （1）原理：初始试验力F0及总试验力（F0+F1）先后作用， 压头压入试样表面， 经规定保持时间后卸除主试验力F1，保持初始试验力F0， 测量残余压痕深度增量计算硬度洛氏硬度三标尺：HRA：60Kgf，120金刚石圆锥体，测量硬质合金，表面淬火钢等；HRB：100Kgf，1.588钢球，测量软钢、退火钢、铜合金；HRC：150Kgf，120金刚石圆锥体，测量淬火钢件；例：40HRC表示材料硬度值为40，压头为120金刚石圆锥体，试验力为150Kgf，保压时间1015S。（2）表示方法： 符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。 例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。 （3）常用标尺及适用范围：表2-2（4）优点：压痕小，可测量薄件及成品件； 操作简便，硬度值直接在刻度盘上读出； 测量范围大，可测从软到硬金属材料。 缺点：压痕小，材料内部组织不均匀或晶粒粗大时数据波动大； 对数据波动大的硬度值，可多次测量，取平均值。3、维氏硬度：（1）原理：压头以选定的试验力压入试样表面， 经规定保持时间后卸载， 测压痕对角线长度，计算硬度HV= 0.1891d2维氏硬度三要素：（1）压头：相对面夹角为136正四棱锥体金刚石。（2）试验力：F（5100Kgf），小负荷0.25 Kgf,显微负荷0.010.2 Kgf。（3）保压时间：t 黑色金属1015S，有色金属30S。（2）表示方法：硬度值HV试验力保压时间（1015S不标注）例640HV30：维氏硬度值为640，试验力为30Kgf，保压时间1015S。 （3）优点：压痕浅，可测量薄件、渗碳、渗氮层； 连续性好，可测很软到很硬的材料； 准确性高。 缺点：测量压痕对角线长度，手续繁； 压痕小，对试件表面质量要求高。比较不同硬度表示方法的硬度高低：例题：478HV，263HRB，79HRA，65HRC，474HBW解：把硬度值统一为HV， 263HRB 相当于268HV； 65HRC相当于856HV； 79HRA相当于620HV； 474HBW相当于493HV。硬度由大到小排列：65HRC，79HRA，474HBW，478HV，263HRB。三种硬度测量方式比较项目布氏硬度洛氏硬度维氏硬度压头淬硬钢球HBS硬质合金球HBW120金刚石圆锥体HRA(C)1.588钢球HRB相对面夹角136正四棱锥金刚石HV测量位置压痕直径残余压痕深度压痕对角线长度优点1、 压痕大、较准确2、 与强度有近似关系1、 压痕小，可测薄件成品2、 直接读数1、 压痕小，可测薄件、渗碳层、渗氮层2、 数据连续性高缺点1、 不可测薄件、成品2、 材料不同,压头试验力不同1、材料组织不均时数据波动大1、 手续繁2、 对试件表面质量要求高四、冲击韧性1、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 2、测定方法：一次摆锤冲击弯曲试验。（1）冲击试样：U形缺口试样，V形缺口试样。（2）原理：能量守恒原理（忽略空气阻力和试样、机座振动吸收功）即试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。（3）方法：试样放在试验机支座上， 缺口背向摆锤冲击方向； 重G的摆锤举至H1高，获得势能GH1，使摆锤自由落下； 冲断试样后，摆锤剩余势能为GH2； 摆锤冲击过程所作的功为势能差，即试样冲断吸收功，称为冲击吸收功， AK GH1GH2材料的冲击韧度为试样缺口处单位面积上的冲击吸收功，说明：ak值越大，材料韧性越好； V形、U形缺口的冲击韧度分别用 akV、 akU表示。3、小能量多次冲击：（1）意义：在生产实际中，机械零件失效很少因一次大能量的冲击而破坏，大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下产生。（2）例：凿岩机风镐上的活塞，冲模的冲头，破坏是由于多次小能量冲击损伤的结果，一般不用ak表示韧度，而是用经受冲击次数N表示。（3）现象：ak高的材料，N不一定高；a k小的材料，N不一定小。例如孕育铸铁ak接近0，但用来作柴油机的曲轴，长期使用而不断裂。（4）测量方法：小能量多冲实验 试样：一定直径、长度圆柱形试样实验力：三点、四点冲击弯曲加载或拉伸冲击加载表示：用冲击能量A与相应破断周次N绘成曲线，表示材料抗多次冲击加载的能力。（5）结论：金属受大能量冲击时，冲击抗力取决于冲击韧度ak，而在小能量多次冲击的条件下，冲击抗力取决于强度和塑性。五、疲劳强度1、定义：由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号R1表示。 2、疲劳破坏的特征：（1）疲劳破坏前无明显塑性变形，断裂前无征兆。（2）引起疲劳断裂的应力很低，常低于材料屈服点。（3）疲劳破坏宏观断口由疲劳裂纹策源区、扩展区、断裂区组成。3、疲劳破坏的重要性：（1） 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。（2） 机械零件80%以上的失效属于疲劳破坏。（3） 疲劳破坏前无明显变形而突然发生，常造成重大事故。4、疲劳破坏的实质：（1）材料表面、内部有缺陷（夹杂、划痕、尖角、缩孔、记号、加工纹路、腐蚀、磨裂），造成局部应力大于屈服点，产生局部塑性变形而开裂。（2） 微裂纹随应力循环次数增加而扩展，最后承载面积减小，以致不堪重负而断裂。5、疲劳曲线和疲劳极限：（1） 疲劳曲线：是交变应力和循环次数关系曲线，越大，断裂时应力循环次数越小。 t N 一次应力循环疲劳曲线示意图 对称循环应力图（2）疲劳极限：当应力低于一定值时，试样可经无限周期循环而不破坏，此应力值为材料疲劳极限，用R1表示。黑色金属规定应力循环107周次而不破坏的最大应力为疲劳极限；有金属规定应力循环108周次而不破坏的最大应力为疲劳极限。6、影响R1的因素：工作条件、表面状态、材料本质及残余内应力等。7、提高R1方法：改善零件的结构形状，降低表面粗糙程度，强化表面。8、次负荷锻炼:零件在R1的次负荷条件下运转一定次数,可提高疲劳抗力。原因：冷加工，产生加工硬化，b。所以，新机器在空载或不满载条件下，跑合一段时间，通过磨合打掉毛刺，使疲劳曲线右移，R1，延长机器使用寿命。9、举例：含碳量为0.32%的碳钢，R1230MPa在过负荷应力380 MPa时寿命为12500次；在稍低于R1条件下运转106次后，应力提高一点，再经106次动转，再将应力提高，然后再运转106次，最后，将应力提高到380 MPa，经42106次才断，经次负荷锻炼后，材料在过负荷应力下持久值提高了3350倍。10、R1与b关系： 当b1400MPa, R1(0.40.6)b23 金属的工艺性能 教学过程一、复习提问：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度二、新课教学：金属材料的一般加工过程 金属的工艺性能铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能三、课后小结：金属的力学性能与工艺性能小结四、作业安排：练习册P5，二、9、13、五、板书设计（见下页）：六、教学后记：23 金属的工艺性能金属材料的一般加工过程 金属材料的工艺性能金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。分类：铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。 工艺性能重要性：影响零件制造工艺和质量、是选材和制定零件工艺路线的因素。一、铸造性能1、铸造的定义：液态金属浇入铸型，得到一定形状和性能的工件。（砂型、金属型、壳型、陶瓷型、压力、离心、熔模）2、铸造性能的定义：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力为铸造性能。3、主要指标：流动性、收缩性、偏析倾向。1）流动性：熔融金属的流动能力。 金属所处状态：高温液态。 影响因素：化学成份、浇注温度。共晶成分：熔点低，铸造性好；其它成分熔点高，铸造性差。浇注温度高：液态，流动性好，但收缩大，易产生缩孔、气孔，浪费大；浇注温度低：流动性差。影响结果: 流动性好的金属，铸件外形完整、尺寸精确、轮廓清晰。流动性差的金属，浇不到，未浇满，型漏，变形。2）收缩性：铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象。 液态收缩：高温，液面下降，对铸件质量无影响。 凝固收缩：易产生缩松，缩孔，可扩大浇道避免。 固态收缩：易产生内应力或开裂，用去应退火消除或报废。金属所处状态：液固共存。影响因素：化学成份、冷却速度、尺寸、形状。影响结果：铸件收缩，影响尺寸精度，产生缩孔、疏松、内应力、变形、开裂等缺陷。期望值：越小越好。3）偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象。金属所处状态：固态。影响因素：浇注方式、化学成分、形状、尺寸。温度高：偏析大冷却速度低：偏析大S、P、C含量高：偏析大浇注时脱氧不充分：偏析大（沸腾钢）与液相线固相线间隙有关，凝固区间大：偏析显著。影响结果：偏析严重，铸件力学性能有很大差异，质量下降，不严重可用退火消除，严重的报废。 期望值：越小越