第1.2.3章金属材料性能晶格状态图

1、2021/3/141 金属工艺学金属工艺学 2021/3/142 金属工艺学是一门研究金属性质、 铸造、锻压、焊接和切削加工的综合性 的专业基础课。通过对金属工艺学内容 学习,了解和掌握金属材料及机械零件加 工工艺的基础知识,为学习后续有关课程， 并为以后从事涉及机械设计与制造方面 的工作打下良好的基础。 工科院校学生学习本课程的目的和意义工科院校学生学习本课程的目的和意义: 2021/3/143 金属工艺学金属工艺学的主要内容 金属材料与热处理 铸造、锻压与焊接 切削加工、表面加工 2021/3/144 工业技术学课程基本要求工业技术学课程基本要求 n1、了解机械产品的生产过程和机械制造厂的

2、、了解机械产品的生产过程和机械制造厂的 生产结构。生产结构。 n2、了解常用金属材料的性能、用途和牌号。、了解常用金属材料的性能、用途和牌号。 n3、了解各种主要加工方法的工艺特点及其基、了解各种主要加工方法的工艺特点及其基 本原理。本原理。 n4、了解机械制造厂各种主要设备和工具的工、了解机械制造厂各种主要设备和工具的工 作原理和应用范围。作原理和应用范围。 2021/3/145 机械的种类 n机器机器:由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用的功由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用的功 的装置。的装置。 n机械机械:利用力学原理组成的各种装置、杠杆、滑轮、机器利用力学原理组成的各种装置

3、、杠杆、滑轮、机器 以及枪炮等都是机械。以及枪炮等都是机械。 n机械按其功能可分为三类：机械按其功能可分为三类： n1、产生机械能的机械、产生机械能的机械。它可将其它种类的能转变为机械。它可将其它种类的能转变为机械 能能,称为原动机称为原动机,例如蒸汽机、柴油机、电动机等。例如蒸汽机、柴油机、电动机等。 n2、转变机械能的机械、转变机械能的机械。和前者相反，它可将机械能转变。和前者相反，它可将机械能转变 为其它种类的能，称为变换机，例如发电机、空气压缩为其它种类的能，称为变换机，例如发电机、空气压缩 机等。机等。 n3、利用机械能的机械、利用机械能的机械。它用来改变原材料或工件的性质、。它用来

4、改变原材料或工件的性质、 状态、形态和位置等，称为工作机，例如各种机床、锻状态、形态和位置等，称为工作机，例如各种机床、锻 锤、农业机械、采掘机、汽车等。锤、农业机械、采掘机、汽车等。 2021/3/146 机械产品制造的过程机械产品制造的过程 2021/3/147 2021/3/148 n设计设计 真正的设计是一门艺术真正的设计是一门艺术 设计是一种构思。设计一般是根据用户设计是一种构思。设计一般是根据用户 的需要的需要,由技术部门来完成的一项先行工由技术部门来完成的一项先行工 作。对机械产品的设计要求作。对机械产品的设计要求,必须是技术必须是技术 要先进，机械化（尽量不用手工操作）要先进，

5、机械化（尽量不用手工操作） 和自动化（数控、自动线、流水线）程和自动化（数控、自动线、流水线）程 度要高度要高;性能要好（无噪音、平稳）性能要好（无噪音、平稳）;工作工作 可靠和安全；以及成本低可靠和安全；以及成本低 2021/3/149 设计过程一般有三个阶段: na、确定极限参数、确定极限参数;例如设计一部车床例如设计一部车床,首先就要首先就要 确定最大车削长度确定最大车削长度,和最大回转直径两个重要和最大回转直径两个重要 参数。参数。 nb、受力分析和计算、受力分析和计算;确定参数后，就要进行草确定参数后，就要进行草 图设计，根据草图进行受力部分的分析和计算，图设计，根据草图进行受力部分

6、的分析和计算， 以便选取不同的材料，保证受力零件在工作过以便选取不同的材料，保证受力零件在工作过 程中安全可靠。程中安全可靠。 nc、绘制机械总图、各个部件装配图和零件工、绘制机械总图、各个部件装配图和零件工 作图，编制技术说明书。作图，编制技术说明书。 2021/3/1410 课程性质、任务和学习要求课程性质、任务和学习要求 1. 课程性质课程性质 2. 专业基础课专业基础课(为学习管理等专业课打基为学习管理等专业课打基 础础) 2. 学习任务和要求学习任务和要求 1）掌握常用金属材料的掌握常用金属材料的主要性能主要性能; ; 2 2）掌握零件的）掌握零件的加工工艺加工工艺知识知识; ; 3

7、 3）了解）了解零件加工工艺所涉及的零件加工工艺所涉及的基本设备基本设备。 2021/3/1411 材料导论材料导论 n金属材料的作用 n材料材料与人类的出现和进化有着密切的联系,因而 它们的名字已经作为人类文明的标志。例如,石 器时代、青铜时代和铁器时代。 n公元前16世纪以前的殷商时代，已大量使用青 铜，并已具有高超的冶铸技术和精湛的艺术造 诣;公元前4世纪以前的春秋战国时期出现了铁 器，铸铁的生产比欧洲约早一千多年。 n我国的钢产量在1996年突破了一亿吨，达到世 界第一。 2021/3/1412 世界四大材料世界四大材料: :钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥 ( (如生产一

8、根如生产一根“轴轴”) ) 材料分材料分:金属材料、非金属材料、复合材料金属材料、非金属材料、复合材料 金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料 非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等）木材等）,有机有机高分子材料（如塑料、橡胶）高分子材料（如塑料、橡胶）, 复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。 现在新材料现在新材料- -纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱 2021/3/1413 材料按材料按物质结

9、构物质结构不同分不同分: 金属材料金属材料、非金属材料非金属材料（有机高分子材料和陶瓷（有机高分子材料和陶瓷 料料)、复合材料复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分: 机械工程材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按材料按功能功能不同分：不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等 2021/3/1414 材料发展概括材料发展概括 天工开物天工开物明朝科学家明朝科学家: :宋应星宋应星 箸箸 石器时代石器时代 陶器时代陶器时代 铜器时代铜器时代: 司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）世纪）113

10、0113078078011001100 战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg 天然石天然石,兽骨兽骨,树枝树枝 泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器原始陶器;火烧火烧瓷器用具瓷器用具） 铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T ,50T ,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m 人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等 本草纲目本草纲目 农政全书农政全书 李时珍李时珍 徐光启徐光启 智能材料智能材料 2021/3/1415 2021/3/

11、1416 n工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机 非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。 n金属材料金属材料是现代制造机械的最主要材料。主要是由是现代制造机械的最主要材料。主要是由 于它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能于它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能: 1、优良的工艺性能优良的工艺性能,包括铸造性能、锻造性能、包括铸造性能、锻造性能、 焊接性能、热处理性能、机加工性能等。焊接性能、热处理性能、机加工性能等。 n 2、较好的使用性能、较好的使用性能,包括物理性能、化学性能、包

12、括物理性能、化学性能、 力学性能力学性能等。（第一章）等。（第一章） 2021/3/1417 2021/3/1418 2021/3/1419 2021/3/1420 2021/3/1421 n金属材料以合金为主金属材料以合金为主,很少使用纯金属。很少使用纯金属。 n合金是以一种金属为基础合金是以一种金属为基础,加入其它金属加入其它金属 或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制 成的具有金属特性的材料。成的具有金属特性的材料。 n最常用的合金，有以铁为基础的最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金铁碳合金; 有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。有以铜或铝为基础的铜合金和

13、铝合金。 2021/3/1422 第第1章章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 n教学重点教学重点:金属材料的力学性能金属材料的力学性能 n教学难点教学难点:-曲线特点曲线特点 2021/3/1423 第第1节节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 n力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时是指金属材料在受外力作用时 所反映出来的性能。力学性能指标所反映出来的性能。力学性能指标,是选是选 择、使用金属材料的重要依据。择、使用金属材料的重要依据。 n金属材料的力学性能主要有金属材料的力学性能主要有:强度、塑性、强度、塑性、 硬度、冲击韧度和疲劳强度等。硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 202

14、1/3/1424 一、强度与塑性一、强度与塑性 2021/3/1425 L0 LK d0 拉断拉断前前试样试样 拉断拉断后后试样试样 试样按试样按GB639786制制 取取,分长试样分长试样L0=10d0 短试样短试样 L0=5d0 说明说明: b k s e 拉伸力拉伸力 F O 伸长量伸长量 L Fs Fb Fe 低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线 FF 0 A F b b %100 0 0 L LLk 0 A Fs s 2021/3/1426 拉伸过程经历四个阶段拉伸过程经历四个阶段: : 1. 弹性变形（弹性变形（OS） Oe段段: :直线阶段直线阶段, ,完全弹性变形完全弹性变形

15、eS段段: :极微量塑性变形极微量塑性变形 2屈服（屈服（s点点） 弹性变形弹性变形: :去除外力后能完全恢去除外力后能完全恢 复到原来的形状。复到原来的形状。 塑性变形塑性变形: :外力消除后仍存在的外力消除后仍存在的 永久变形。永久变形。 3均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段: :（sbsb） 4 4缩颈（缩颈（bkbk）- -局部集中塑性变形局部集中塑性变形 应力应力:=F F/ /A A 0 0 （MPa） 应变应变:= =L L/ /L L 0 0 2021/3/1427 抗拉强度抗拉强度b: 金属材料被拉断前所能承受的最大应力。金属材料被拉断前所能承受的最大应力。 b=F b/A 0

16、 强度强度:是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。 屈服强度屈服强度s: 材料开始明显塑性变形的抗力材料开始明显塑性变形的抗力 ,即产生屈服现象时的即产生屈服现象时的 应力。应力。 s=F s/A 0 弹性极限弹性极限e: 材料在外力作用下材料在外力作用下, ,保持弹性变形的最大应力。保持弹性变形的最大应力。 e=F e/A 0 1、强度、强度（strength） 2021/3/1428 说明说明: 单位面积上的内力称应力单位面积上的内力称应力。读sigmsigm L长度长度 Length 单位单位:mmmm A截面积截面积 Area Area 单位单位:mm:m

17、m2 2 F外力外力 Force 单位单位:N s屈服点的值（选择锻压设备外力的依据） 屈服点的值（选择锻压设备外力的依据） 单位 :MPa（兆帕）mega pascal 屈服点屈服点 概念:力不增加仍能继续伸长时的应力力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号: s 表示 抗拉强度抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力试样拉断前所承受的最大拉应力。用 b表示 补充: bb 表示抗弯强度 抗弯强度 注: s 、 b 是设计与选材的重要依据 是设计与选材的重要依据 b校核零件安全的依据校核零件安全的依据 另: e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力 表示弹性极限。在外力作用下产生

18、弹性变形时所承受的最大拉应力。 MPa A Fb b 0 2021/3/1429 中、高碳钢和其他脆中、高碳钢和其他脆 性金属材料无明显屈服性金属材料无明显屈服 现象现象,国家标准以产生国家标准以产生 0.2%塑性变形的应力塑性变形的应力 来表示屈服强度来表示屈服强度,即即: 0.2 0.2= =F F0.20.2/ /A A0 0 2021/3/1430 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、 评定金属材料时有重要意义评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多机械零件多 s以作为强度设计的依据。对于脆性材料以作为强度设计的依据。对于脆性材料 在强度计算时在强度

19、计算时,则以则以b为依据。为依据。 2021/3/1431 2、塑性塑性 plasticityplasticity 概念概念:在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 判据判据:断后伸长率断后伸长率 、断后断面收缩率、断后断面收缩率 断后伸长率断后伸长率 Percentage elongation after fracture 概念概念:试样断后标准的伸长量与标准的百分比试样断后标准的伸长量与标准的百分比。 用符号用符号 表示,读作 代儿特 %100X Lo LoLk 其中其中:L:Lk k断后试样长度断后试样长度 L Lo o试样原始长度试样原始长度 断

20、后断面收缩率断后断面收缩率 概念概念:断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。 用符号用符号 表示, 读作扑洒哎 说明说明:伸长率和收缩率在实际应用中伸长率和收缩率在实际应用中,一般是用一般是用表示塑性大小表示塑性大小。 、 越越大大,材料的塑性越好。通常认为材料的塑性越好。通常认为 0.9%后，其后，其HB， b、ak 二、二、状态图中的特状态图中的特 性点、线、区域组性点、线、区域组 织织 2021/3/1477 钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的关系的关系 2021/3/1478 特性特性点点: 特性特性线线: 1、ACD线线; 2、AECF线线固相线固相线 液