第1章 材料的种类与性能.ppt

工程材料及机械制造基础,主讲电话箱：xiongjianjun,2,考试与答疑,1.平时作业成绩占20%，课终考试成绩占80%。2.答疑时间：每周3晚78点3.答疑地点：过控办公室,绪论,工程材料及机械制造基础课程的重要性材料、制造、信息、生物科学是促进人类文明与发展的四大关键领域，对国民经济的发展起到举足轻重的作用。机械制造业的技术水平和现代化程度，决定整个国民经济的技术水平和现代化程度。,工程材料及机械制造基础课程的重要性,机器、部件由零件组成的,绪论,工程材料及机械制造基础课程的重要性,绪论,工程材料及机械制造基础课程的重要性,绪论,工程材料及机械制造基础课程的重要性,绪论,工程材料及机械制造基础课程的重要性,绪论,材料：40Cr；硬度：HRC3238。,工程材料及机械制造基础课程的重要性,绪论,零件制造过程,选材,毛坯成形,热处理,切削加工,检验,装配,三、工程材料及机械制造的现状,切削加工：金属毛坯加工成具有一定尺寸、形状和精度的零件主要加工方法。新材料、新工艺、新技术不断涌现。新工艺：电火花、电解、超声波、激光、电子束和离子束加工等。新技术：数控机床、加工中心（提高生产率、改善劳动强度）、自动控制技术、网络化异地设计与制造、自适应控制、工业机器人等。精密成形技术：近净成形、精密塑性成形、精密焊接成形、精确连接、精密热处理、表面改性等。,绪论,四、学习工程材料及机械制造基础课程的目的,建立生产过程的概念；掌握常用金属切削加工基础理论；基本加工工艺方法；零件的结构工艺性；机械加工工艺过程的基础知识；了解新材料，了解现代先进的制造技术和工艺知识；培养学生机械工程的基本素质和零件结构工艺性设计的能力。,绪论,五基本要求,建立工程材料和材料成形工艺与现代机械制造的完整概念，培养良好的工程意识；掌握金属材料的成分、组织、性能之间的关系，强化金属材料的基本途径，钢的热处理原理及其方法，常用金属材料，非金属材料和复合材料的性能、特点、用途和选用原则；,绪论,五基本要求,掌握各种成形方法和常用设备的基本原理、工艺特点和应用场合，具有合理选择毛坯成形方法的能力；掌握零件的结构工艺性，并具有设计毛坯和零件结构的初步能力；了解与本课程有关的新技术、新工艺。,绪论,六、课程内容：,绪论,课程内容,工程材料的基本知识,热加工工艺基础,机械加工工艺基础,七、工程材料,绪论,1、研究的对象,金属材料,高分子材料,复合材料,陶瓷,塑料,橡胶,七、工程材料,绪论,2、研究的内容,材料的性能,使用性能,化学性能,工艺性能,物理性能,机械性能,热处理性能,焊接性能,锻压性能,铸造性能,切削性能,从实质看，是研究材料的成分组织、结构性能之间的关系。,八、热加工工艺基础,绪论,1、研究内容,锻造,焊接,毛坯的选择,铸造,八、热加工工艺基础,绪论,金属铸造的性能,铸造工艺的基本内容,铸造工艺对铸件结构的要求,手工造型的方法及特点,2、铸造,八、热加工工艺基础,绪论,金属的锻压性能及其影响因素,零件结构的锻造工艺性,冲压成型的特点,冲压成型的基本工序,自由锻造工艺设计,3、锻压,八、热加工工艺基础,绪论,4、焊接,手工电弧焊常见的缺陷及其防止,气体保护电弧焊,焊接结构工艺性,手工电弧焊工艺设计,金属材料的焊接性能,八、热加工工艺基础,绪论,5、毛坯选择,选用毛坯类型的原则,毛坯加工方法,常用毛坯制造方法的比较,九、机加工工艺基础,绪论,研究的对象,机械加工工艺规程的制定,先进制造技术,机床夹具设计,切削加工的基本知识,九、机械加工工艺基础,2、机械加工工艺基础研究的内容、切削加工的运动及切削要素、金属切削刀具、切削过程及规律；、机械加工工艺过程、生产类型及工艺特点、零件的基准、工件的安装；、外圆表面的加工、孔的加工、平面的加工、齿轮齿形的加工；,绪论,九、机械加工工艺基础,、机械加工质量、影响加工精度的主要工艺因素、机械加工表面质量；、工件在夹具中的定位、工件的夹紧、机床夹具设计步骤与方法；、工艺路线的制定、生产率和时间定额；、机械自动化、先进制造技术。,绪论,十、课程的特点和学习方法,这是一门理论性和实践性都很强的课程，与基础课相比，有很大不同：书中概念多，术语多；公式、定律少，定性的描述多；内容多，需要记忆和理解的知识多。学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和习题，举一反三，加深理解。,绪论,十一、学习目的,4.拓宽知识面。,1.为后续课程的学习打基础；,2.为毕业后的工作打基础；,3.培养“三选”的能力；,绪论,十二、要求了解和掌握,1.各种成形方法的原理、特点及适用范围；,2.各种零件的结构工艺性；,3.常用工程材料的性能特点,绪论,十三、学习要求,1.认真记笔记；2.不迟到、旷课；3.按时交作业。,绪论,第1章材料的种类与性能,本篇是“机械制造基础”课群的重要技术基础课。其主要任务是从机械工程材料的应用角度出发，阐明材料学的基本理论，用以正确理解常用材料的成分、加工工艺、组织结构与性能之间的关系。从工程师的角度，选择工程材料的主要根据是材料的性能，而制造主要用于承受重量、传递载荷的工程构件和机器零件最重要的性能是它的机械性能（即力学性能）。,一、材料和材料科学,哥伦比亚号航天飞机,材料是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。,1、材料,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。,石器时代,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代,青铜器时代,铁器时代,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。,材料的发展与人类社会简图,没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术.,龙芯,没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。,中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。,早在公元前60005000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。,4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。,司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美,越王勾践宝剑,春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发,我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高成就.,新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。,原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。,中国的航天事业-“神舟”号飞船,中国的航天事业-“神舟”号飞船,1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。,灰铸铁的显微组织,人类对材料的认识是逐步深入的,1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。,Si表面的重构图象,1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）.,1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。,金属钛中的位错,2、材料科学,主要研究内容：研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的形成机理和制取方法；研究材料物理性能的测试方法和技术；分析材料的损坏机理；研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。,材料科学是以材料为研究对象的一门科学。,“挑战者号”爆炸瞬间,机械工业是材料应用的重要领域。,1.1材料的种类,第1章材料的种类与性能,1.2材料的性能,使用性能,工艺性能,物理性能,力学性能,化学性能,焊接性,铸造性,切削加工性,锻造性,第1章材料的种类与性能,金属材料的性能,1.2.1静载时材料的力学性能,金属材料的力学性能,弹性,塑性,强度,冲击韧性,硬度,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,拉伸试验机,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,标准试样分为L0=5d0或10d0两种。,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,1、oe弹性变形阶段特点：（）变形与受力成正比；（）当外力去除后变形随之消失。弹性：材料在外力作用下发生形状变形，而恢复变形的能力称为弹性。,s,1.2材料的性能,2、es微量塑性变形阶段塑性变形：材料在外力作用下发生变形，而不能恢复的变形叫塑性变形。材料塑性：指材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。,（一）拉伸试验,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,3、ss屈服阶段屈服变形：在外力不增加甚至减少的情况下，有较大的变形产生。,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,、sb大量塑性变形阶段特点：外力增加，变形增加。由外力引起的变形，基本上是延整个试样标距均匀发生。,1.2材料的性能,（一）拉伸试验,5、bk颈缩阶段颈缩现象：随变形的增加，试样的某一段截面迅速减小。特点：抵抗外力的能力下降，直至断裂。,1.2材料的性能,（二）强度指标,应力：单位横截面上的内力。材料强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。,1.2材料的性能,（二）强度指标,1、弹性强度（弹性极限）弹性强度：材料保持完全弹性变形时的最大应力。弹性变形：外力解除后变形全部消除恢复原状的变形。,弹性模量,1.2材料的性能,（二）强度指标,2、屈服强度（屈服极限）材料产生屈服现象时的最小应力。没有明显屈服的材料，用发生0.2%塑性变形时的应力值0.2代表其屈服强度。,1.2材料的性能,（二）强度指标,3、抗拉强度（强度极限）材料抗拉伸断裂前承受的最大应力。设计时塑性材料多用s；脆性材料多用b作为极限应力。s/b之比叫“屈强比”。屈强比越小，可靠性越大；但比值太小，材料利用率太低。,1.2材料的性能,二、塑性,金属在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。1、伸长率试样拉断后标距增长量L与原长L。之比。,1.2材料的性能,二、塑性,2、断面收缩率试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。断面收缩率与试样尺寸无关。,1.2材料的性能,二、塑性,伸长率和断面收缩率都是材料塑性的力学性能指标，金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。塑性的存在可以提高构件的可靠性，但在一般情况下提高材料的塑性要牺牲材料强度。,1.2材料的性能,试验结果分析,左图：脆性断口右图：韧性断口,断口分析,1.2材料的性能,试验结果分析,力-位移和应力-应变曲线(1),1.2材料的性能,力-位移和应力-应变曲线(1),上屈服点,下屈服点,抗拉强度,应变,断裂时塑性应变,断裂时的总应变,颈缩从这里开始,最终的断裂,屈服强度s,弹性极限e,比例极限p,抗拉强度b,1.2材料的性能,没有明显屈服点的应力应变曲线,条件屈服强度，0.2,刚度，弹性模量E,E=/,1.2材料的性能,三、硬度,硬度：金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力（材料抵抗局部变形的能力）。测试方法：压入法、划痕法、弹跳法。分类：1、布氏硬度（HBS、HBW）；2、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、3、维氏硬度（Hv）、4、肖氏硬度（HS）,1.2材料的性能,硬度计,维氏硬度计,1.2材料的性能,（一）布氏硬度,在布氏硬度计上进行测量。其方法是用直径D为（10mm、5mm、2.5mm）的淬火钢球（HBS）或硬质合金球（HBW）。在规定的试验力P作用下压入被测试的金属表面停留一定时间后卸除试验力。用读数显微镜测量出压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，然后再求出压痕单位面积所承受的平均压力（PF），以此作为布氏硬度值。,(,),),(,2,102,.,0,102,.,0,2,2,MPa,d,D,D,D,P,F,P,HB,-,-,=,=,p,1.2材料的性能,（一）布氏硬度,布氏硬度标注方法：例如：120HBS10100030，表示采用直径为10mm钢球在9.81KN试验力作用下，持续时间为30s的试验条件下被测材料的布氏硬度值为120。优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：费时，压痕较大，不适宜测量成品零件或薄壁件。b3.6HB,1.2材料的性能,（一）布氏硬度,1.2材料的性能,（二）洛氏硬度,洛氏硬度：以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。压痕深度直接用百分表测出来，硬度值可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，不需另外测量和计算，它是一个相对值，没有量纲。用于较高硬度的测量。,1.2材料的性能,（二）洛氏硬度,测量方法：实验时先加预载荷98.1N，使压头紧密接触试件表面，再加主载荷使压头压入工件，然后去掉主载荷。由于金属的弹性变形的恢复，压头回升，深度h就是主载荷作用下金属表面的塑性变形深度。,1.2材料的性能,标注方法：50HRC优点：操作方便、压痕较小、可测成品；测量范围大。缺点：压痕小、稳定性差、硬度数据波动较大。,（二）洛氏硬度,洛氏硬度的测量过程：试样去除氧化皮并磨平擦净后放在工作台上，顺时针动手轮，使工作台上升至试样与压头接触为止。加预负荷。继续上升工作台，直到表盘上短针由黑点位置转至红点位置。调零点。加主负荷。加荷手柄板至加荷位置，并停留10s。卸主负荷、读数。加荷手柄板回到卸荷位置，读出硬度值。然后下降载物台，取下试样。,1.2材料的性能,维氏硬度(HV),Hv=-=F/d21.85449.8(N/mm2),F,A,一、冲击韧性,冲击载荷：以很大的速度作用于零件上的载荷。冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。式中：AKV(U)试样所承受的冲击吸收功，（J）；F缺口试样断口处的原始横截面积。（cm2）。,材料的冲击韧度,二、疲劳强度,疲劳：在多次重复或交变应力作用下，使金属材料在远小于金属的屈服强度时发生断裂的现象。疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力-1。,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,二、疲劳强度,疲劳曲线:钢铁所受重复或交变应力与其断裂前所受的应力循环次数N之间有关系。两者之间的关系曲线叫。钢的疲劳强度-1b，循环次数为107；有色金属循环次数为10。,第1章材料的种类与性能,三、断裂韧度,工程上使用的材料中，常常存在一定的缺陷。这些缺陷破坏了材料的连续性，如在材料中存在着裂纹一样。裂纹的尖端存在着应力集中，形成尖端应力场，用应力场应力强度因子K1描述，表达为：,式中：Y与试样和裂纹几何尺寸有关的量；外加应力，N/mm；裂纹的半长，mm。,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,三、断裂韧度（K1c）,当K1增加到某一值时，使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而使裂纹产生失稳扩展，发生断裂的应力强度因子的临界值。反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,四、磨损,在机械力的作用下，产生相对运动接触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗，使零件尺寸变小而失效。特点：零件表面变得粗糙，出现许多擦伤的痕迹。,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,四、磨损,分类：）磨粒磨损：由硬粒对零件表面的切削作用造成；,1.2.2其他载荷作用下的力学性能,）粘着磨损：由相对运动物体表面的微凸体，在摩擦时发生焊合