第1章 金属材料与机械制造过程概述

第一章金属材料与机械制造过程概述,课程任务,金属材料及热处理课程主要阐述：金属与合金的化学成分、结构、组织于性能之间的内在联系及各种条件下的变化规律。知识脉络：从组织结构出发，学习金属材料的基本现象、基本概念、基本规律和基本方法。目标：1、合理选择使用金属材料。2、制定热加工工艺规程，获得优质零构件,课程项目,1、金属学：学习金属材料的成分、组织、结构与性能之间的规律，服务于生产、使用和发展金属材料；2、热处理原理和工艺：阐述钢在不同工艺条件下的组织转变规律（相变理论）3、金属材料：1）运用热处理与金属学原理，分析、认识和研究金属材料内在的发展规律，提出提高强韧性的途径。2）不同材料的合金化：目的：根据零件的服役条件和性能要求，正确选择材料，合理制定工艺。,第一单元金属材料与机械产品制造过程简介,模块一金属材料的分类模块二钢铁材料生产过程简介模块三机械产品制造过程简介模块四机械产品加工工艺方法简介,金属材料的基本概念,金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的，并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金两类。合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料，如普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。,模块一金属材料的分类,金属材料通常分为钢铁材料（或黑色金属）和非铁金属（或有色金属）两大类。金属材料（1）钢铁材料。以铁或以它为主而形成的物质，称为钢铁材料（或称黑色金属），如钢和生铁。（2）非铁金属。除黑色金属以外的其它金属，都称为非铁金属（或称有色金属），如铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅等。,模块二钢铁材料生产过程简介,钢铁是铁和碳的合金。钢铁材料按碳的质量分数wC(含碳量)进行分类，包括工业纯铁（wC2.11%）。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸造的主要原材料。钢材生产是以生铁为主要原料，将生铁装入高温的炼钢炉里，通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数炼成钢水，然后将钢水铸成钢锭，再经过热轧或冷轧后，制成各种类型的钢材。,模块三机械产品制造过程简介,机械产品的制造过程一般分为机械产品设计、机械产品制造与机械产品使用三个阶段。,模块四机械产品加工工艺方法简介,机械产品加工工艺方法主要有：铸造、压力加工、焊接、粉末冶金、切削加工、特种加工等。铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能金属零件毛坯的成形方法。压力加工是利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材和锻压件的加工方法。焊接是指通过加热或加压或同时加热加压，并且用或不用填充材料使工件达到结合的一种工艺方法。,粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作原料，经过压制成形、烧结等工序，制成各种金属制品或金属材料的一种冶金方法。切削加工是指从工件表面切除一层多余的金属，从而形成已加工表面的过程，如钻削加工、车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工等。特种加工是将电能、磁能、化学能、光能、声能、热能等或其组合施加在工件的被加工部位上，从而使材料被去除、变形、改变性能或被镀盖的非传统的加工方法。,金属材料加工过程：冶炼铸造,铸锭,板棒型管,焊接,机加工,冷轧冷拔,深冲,锻件,铸件,机加工：车、铣、刨、磨,零件或构件,热轧,热锻,工艺性能,使用性能,第二单元金属材料的性能,金属材料的性能，是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。包括以下两个方面：,1使用性能：它包括力学、物理、化学等方面的性能。,2工艺性能：主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。,任务导出,通过金属材料加工过程可以知道：,模块一金属材料的力学性能模块二金属材料的物理性能与化学性能,力学性能：工程材料在外力作用下所反应出来的性能又称机械性能,主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等,强度与塑性的测定借助应力应变曲线,模块一金属材料的力学性能,应力应变曲线拉伸实验测定,力学性能及指标,一、强度指标：金属的强度是金属抵抗永久变形和断裂的能力。,2屈服点,材料的屈服点，以表示，单位为,1弹性极限,弹性极限用符号表示，单位为,3抗拉强度,强度是表征金属材料抵抗过量塑性变形或断裂的物理性能。的比值称为屈强比，适合的比值在065075之间。,即,4疲劳强度：某些机器零件，如轴、弹簧、齿轮、叶片等在交变载荷长期作用下工作，很多情况是在工作应力峰值低于弹性极限的情况下突然破坏的。在多次交变载荷作用下的破坏现象，称为疲劳。,二、刚度指标,材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，通常用弹性模量来评价。,三、塑性指标,塑性是指金属材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力，评定材料塑性的指通常是伸长率和断面收缩率。,1伸长率伸长率可用下式确定：,式中试棒原标距长度；,拉断后试棒的标距长度。,2断面收缩率断面收缩率用下式求得：,式中试棒原来的截面；,试棒拉断后缩颈处的截面积。,材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受压时抵抗表面局部塑性变形的能力。衡量材料软硬程度的指标硬度与强度间存在一定关系(1)布氏硬度(HB)较软材料有色金属(2)洛氏硬度(HR)硬度中等钢铁材料具体：HRA、HRB、HRC其中HRC：软硬范围较宽，应用最广（3）维氏硬度(HV)较硬材料,四、硬度,球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值较软材料：有色金属、灰口铸铁等,通常碳素钢：bHB,适合测量的材料HRA：硬质合金；HRC:淬火钢HRB:低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁,洛氏硬度测量,维氏硬度：压痕单位表面积上所承受的平均压力值金刚石正四棱锥体压头,硬度表示方法：HBS200HBW400HRA55HRB30HRC45HV900HV1100,F,用破坏材料时所消耗的功衡量,是强度与塑性的综合指标,五、韧性,1、冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度ak(akAk/Fk)应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK),2断裂韧度,断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。,应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。,韧性断口,脆性断口,一、金属材料的物理性能,1密度：同一温度下单位体积物质的质量称为密度(gcm3或kgm3)，与水密度之比叫相对密度。,2熔点：材料在缓慢加热时由固态转变为液态并有一定潜热吸收或放出时的转变温度，称为熔点。,3导电性：材料传导电流的能力称为导电性，以电导率(单位sm)表示。,模块二金属材料的物理性能与化学性能,4导热性：材料传导热量的能力称为导热性，用热导率(单位(m)表示。,5热膨胀性:材料因温度改变而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数来表示。,6磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性，通常用磁导率表示,二、金属材料的化学性能,1耐蚀性：金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。,2热稳定性材料在高温下抵抗氧化的能力称为热稳定性。,课后习题,1、低碳钢试样在受到静拉力作用直至拉断时经过怎样