1-ch1金属材料的性能

1、王孝义王孝义 二二九年九月九年九月 机械工程学院机械工程学院 副教授、博士副教授、博士 绪论绪论 为什么要学习工程材料及成形技术为什么要学习工程材料及成形技术? 工程材料（钢铁）生产过程及机器制工程材料（钢铁）生产过程及机器制 造过程造过程 本课程的基本内容和任务本课程的基本内容和任务 本课程的性质和要求本课程的性质和要求 为什么要学习工程材料及成形技术为什么要学习工程材料及成形技术? ? 材料是现代文明三大支柱（材料、能源和信息）之一材料是现代文明三大支柱（材料、能源和信息）之一, 是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础;是生产活是生产活 动的基

2、本投入。材料的利用标志着人类生活的进展，历史上动的基本投入。材料的利用标志着人类生活的进展，历史上 有有“石器时代石器时代 ”、“青铜器时代青铜器时代”和和“铁器时代铁器时代”。 当前，材料总数有当前，材料总数有50万余种万余种之多，而且新材料每年以之多，而且新材料每年以 5%左右的速度递增。左右的速度递增。 材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经 济水平和国防力量的重要标志之一。济水平和国防力量的重要标志之一。 以汽车工业为例：一辆轿车，需用以汽车工业为例：一辆轿车，需用800多种材料多种材料，下面动画，下面动画 是轿是轿车车身部分所

3、采用的材料。车车身部分所采用的材料。 动画动画 轿车车身部分的材料轿车车身部分的材料 2 人类早在人类早在6000年以前就掌握了金属冶炼。公元前年以前就掌握了金属冶炼。公元前4000年，年， 古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年年 （夏代早期）。古埃及在（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍年以前，就用含镍7.5%的陨石铁的陨石铁 做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。 铸铁的发展经历了铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了蒸汽机的年的漫长岁月，只是到了蒸

4、汽机的 发明以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工发明以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工 业生产的道路。业生产的道路。15世纪到世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢， 奠定了近代钢铁工业的基础。奠定了近代钢铁工业的基础。 金属材料的发展金属材料的发展 4 19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动 了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质 量。量。 从从1949年到年到2008年，全世界的钢产量由年，全世界的钢

5、产量由1.58亿吨增加到亿吨增加到 1 3 . 2 9 7 亿 吨 。 而 我 国亿 吨 。 而 我 国 ( 不 包 括 台 湾 省不 包 括 台 湾 省 2 0 2 1 万 吨万 吨 )2008年钢产量达到年钢产量达到5.02亿吨，居全球钢产量首位。亿吨，居全球钢产量首位。 在钢铁材料发展的同时，有色金属也得到发展。人类自在钢铁材料发展的同时，有色金属也得到发展。人类自 1866年发明电解铝生产工艺以来，铝已成为用量仅次于钢铁的年发明电解铝生产工艺以来，铝已成为用量仅次于钢铁的 金属。金属。1910年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求。 钢铁材料的发展

6、钢铁材料的发展 5 2008年，亚洲地区生产年，亚洲地区生产7.7亿吨，亿吨， 占世界钢总量占世界钢总量57.9 ；中国钢；中国钢 产量占世界总量产量占世界总量37.75 ，占亚，占亚 洲总量洲总量65.19。 马钢马钢股份股份(600808)是国内九家千是国内九家千 万吨级钢铁生产厂商之一万吨级钢铁生产厂商之一,2008年年 粗粗钢产量钢产量1503万吨万吨,名列国内第名列国内第7、 全球第全球第19名名。 非金属材料及复合材料的发展非金属材料及复合材料的发展 非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进 入到入到20世纪后，更是取得了重大

7、的进展。人工合成高分子材世纪后，更是取得了重大的进展。人工合成高分子材 料从料从20世纪世纪20年代至今年代至今,发展最快、产量之大、应用之广可发展最快、产量之大、应用之广可 与钢铁材料相比。与钢铁材料相比。20世纪世纪60年代到年代到70年代，有机合成材料生年代，有机合成材料生 产量每年以产量每年以14%的速度增长，而金属材料年生产增长率仅的速度增长，而金属材料年生产增长率仅 4%。1986年世界高分子材料年产量为年世界高分子材料年产量为9840万吨，其中万吨，其中5850 万吨为塑料，合成橡胶为万吨为塑料，合成橡胶为540万吨，合成纤维万吨，合成纤维1140万吨。万吨。20 世纪世纪90年

8、代，塑料产量已逾亿吨。年代，塑料产量已逾亿吨。2002年我国塑料产量达到年我国塑料产量达到 2200万吨，出口量达到万吨，出口量达到1228万吨。万吨。 6 陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。 陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高 温、耐腐蚀的结构材料和多种功能材料的主要用材。温、耐腐蚀的结构材料和多种功能材料的主要用材。 随着航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业随着航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业 的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材的发展，对材

9、料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材 料已不能满足使用要求，复合材料的研究和应用引起了人们的料已不能满足使用要求，复合材料的研究和应用引起了人们的 重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航 空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。 7 随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备 和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都 把人类改造自然的能力提

10、高到一个新的水平。把人类改造自然的能力提高到一个新的水平。 新材料的发展趋势新材料的发展趋势 动画2 材料比强度的进展 工程材料目前正朝工程材料目前正朝高高比强比强 度度（单位密度的强度）、（单位密度的强度）、高高比模比模 量（单位密度的模量）、耐高温、量（单位密度的模量）、耐高温、 耐腐蚀的方向发展。动画耐腐蚀的方向发展。动画2为材为材 料比强度（强度与密度之比）随料比强度（强度与密度之比）随 时间的进展，由图可知当代先进时间的进展，由图可知当代先进 材料强度比早期材料增长材料强度比早期材料增长50倍。倍。 8 新材料主要在以下几方面获得发展：新材料主要在以下几方面获得发展： 9 (1) (

11、1)先进复合材料。由基体材料（高分子材料、金属或陶先进复合材料。由基体材料（高分子材料、金属或陶 瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异 性能的新型材料。性能的新型材料。 (2)(2)光电子信息材料。包括量子材料、生物光电子材料、光电子信息材料。包括量子材料、生物光电子材料、 非线性光电子材料等。非线性光电子材料等。 (3)(3)新型金属材料。如镍基高温合金、非晶态合金、微晶新型金属材料。如镍基高温合金、非晶态合金、微晶 合金、合金、Al-Li合金金属间化合物等。合金金属间化合物等。 (4)(4)纳米材料。又称超微细材料，指至少

12、在一维方向上受纳米材料。又称超微细材料，指至少在一维方向上受 纳米尺度（纳米尺度（0.1100nm）调制的各种固体超细材料。）调制的各种固体超细材料。 工业生产中所使用的材料属于工业生产中所使用的材料属于工程材工程材 料料，主要包括：，主要包括： 金属材料金属材料是现代机械制造的最主要材是现代机械制造的最主要材 料，被称为现代工业的骨架。料，被称为现代工业的骨架。 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料复合材料 从工程技能培养角度来看：从工程技能培养角度来看： 在今后的设计和制造活动中，保证未来的工程在今后的设计和制造活动中，保证未来的工程 师们

13、能够合理地选择工程材料及其加工方法。师们能够合理地选择工程材料及其加工方法。 为什么要学习工程材料及成形技术为什么要学习工程材料及成形技术? ? 从课程学习阶段连续性角度来看：从课程学习阶段连续性角度来看： 是材料力学、机械设计、课程设计、毕业设计是材料力学、机械设计、课程设计、毕业设计 等教学和实践环节学习的基础。等教学和实践环节学习的基础。 工程材料（钢铁）生产过程及机工程材料（钢铁）生产过程及机 器制造过程器制造过程 钢铁钢铁是怎样炼成的是怎样炼成的 热加 工 采矿 矿石 炼铁炼钢轧钢 铸造 生铁 炼钢 生铁 钢锭 钢坯 钢材 铸造锻造冲压焊接 铸钢件铸铁件 锻件 冲压件 机械零件 热处

14、理热处理 机械加工机械加工 装配机器 焊接件 机 器 是 怎 样 造 成 的 ? 机械加工工艺方法机械加工工艺方法 常用：常用： 热加工热加工铸、锻（轧）、焊、热处理、粉末冶金铸、锻（轧）、焊、热处理、粉末冶金 冷加工冷加工切削加工（车、铣、刨、镗、磨、钻、插等）切削加工（车、铣、刨、镗、磨、钻、插等） 铸造铸造 锻造锻造 焊接焊接 轧制轧制 粉末冶金粉末冶金 金属材料金属材料毛坯毛坯热处理热处理切削加工切削加工零件零件 本课程的基本内容和任务本课程的基本内容和任务 基基 本本 内内 容容 工程材料工程材料 成形技术成形技术 工程材料基础理论工程材料基础理论 工业常用工程材料工业常用工程材料

15、铸造铸造 压加压加 焊接焊接 热处理热处理 热加工热加工 铸造铸造 锻锻 造造 板板 料料 冲冲 压压 焊接焊接 本课程的主要任务本课程的主要任务： 1、建立工程材料和材料成形工艺的完整概、建立工程材料和材料成形工艺的完整概 念，培养良好的念，培养良好的工程意识工程意识； 2、掌握必要的材料科学及相关的成形技术、掌握必要的材料科学及相关的成形技术 的的基础理论基础理论； 3、掌握选择零件材料及成形工艺的、掌握选择零件材料及成形工艺的基本原基本原 则和方法步骤则和方法步骤； 4、掌握零件的、掌握零件的结构工艺性结构工艺性； 5、了解相关的新材料、新技术、新工艺。、了解相关的新材料、新技术、新工艺

16、。 本课程的性质和要求本课程的性质和要求 本课程性质：本课程性质： 内容广内容广、实践性强实践性强、技术基础课技术基础课。 因此，在学习中要多联系自己在金属因此，在学习中要多联系自己在金属 材料及成形方面的感性知识，结合金工材料及成形方面的感性知识，结合金工 实习时的所见、所闻、所做，注重理论实习时的所见、所闻、所做，注重理论 联系实际，这样才能学好书中的有关理联系实际，这样才能学好书中的有关理 论知识。论知识。 本课程的性质和要求本课程的性质和要求 考核方式：闭卷闭卷 参考书目： 1 1、邓文英、邓文英. .金属工艺学金属工艺学（第三版）上册（第三版）上册. .北京：高等教育出版社北京：高等

17、教育出版社 2 2、崔忠圻、崔忠圻. .金属学与热处理金属学与热处理. .北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 3 3、詹武、詹武. .工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础. .北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社 4 4、任福东、任福东. .工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础. .北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社 第一章第一章 工程材料主要性能工程材料主要性能 金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类： 使用性能使用性能 工艺性能工艺性能 1.使用性能使用性能 反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。反映金属

18、材料在使用过程中所表现出的特性。 包括：包括： 力学性能力学性能 （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能物理性能 （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等）磁性等） 化学性能化学性能 （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧（抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧 化等化等 2. 工艺性能工艺性能 反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。 包括：铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性、切包括：铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性、切 削加工性等。削加工性

19、等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首 先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要 以力学性能（机械性能）为主。作为本章讨论的重点。以力学性能（机械性能）为主。作为本章讨论的重点。 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在受外力学性能是指金属材料在受外力力（静、冲击、（静、冲击、 交变）作用时所反映出来的性能。交变）作用时所反映出来的性能。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重力学性能指标，是选择、使用金属材料的重 要要依据依据。 金属材料的力学性能主要有：强度、

20、塑性、金属材料的力学性能主要有：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。 一、强度和塑性（静）一、强度和塑性（静） 塑性：塑性：金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力 强度：强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力金属抵抗永久变形和断裂的能力 强度指标有：强度指标有：屈服强度（屈服强度（S S） 、抗拉强度（抗拉强度（b b ） ） 塑性指标有：塑性指标有：伸长率伸长率 、断面收缩率、断面收缩率 强度和塑性通过拉伸试验方法测得 19 动画4 低碳钢的应力应变图 拉伸试验应力应变图拉伸试验应力应变图 拉伸曲线图（FL曲线图） 式中：式中：

21、Fs Fs 试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷 F Fb b 指试样被拉断前所承受的最大外力指试样被拉断前所承受的最大外力 A A0 0 试样的原始截面积（试样的原始截面积（mmmm2 2） 0 A Fs s 0A Fb b（1 1）屈服强度）屈服强度：（2 2）抗拉强度）抗拉强度： 单位：单位：MPaMPa 金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示 （1 1）伸长率）伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：式中： L0试样原标距的长度（试样原标距的长度（mm） L1试样拉断后的标距长度（试样拉断后

22、的标距长度（mm） （2 2）断面收缩率）断面收缩率 = = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中： A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2） A1试样断面处的最小截面积（试样断面处的最小截面积（mm2） 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。 二、硬度二、硬度 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的 能力，叫硬度。能力，叫硬度。 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用 的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。 常用硬度指标：布氏硬度（常用

23、硬度指标：布氏硬度（HBHB）、洛氏硬度（）、洛氏硬度（HRHR） （1 1）布氏硬度）布氏硬度 布氏硬度的特点：（布氏硬度的特点：（HBSHBS HBW HBW） 布氏硬度因压痕面积较大，布氏硬度因压痕面积较大，HBHB值的代表性较全值的代表性较全 面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球 本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在 HB450HB450以上的就不能使用。以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。由于压痕较大，成品检验也有困难。 布氏硬度一般适用于硬度较低的材料。如：铸布氏硬度

24、一般适用于硬度较低的材料。如：铸 铁、有色金属、低合金结构钢等材料。铁、有色金属、低合金结构钢等材料。 注意：一般用于注意：一般用于HBS450HBS 220HBS 220时：时：HBS/HRC10HBS/HRC101 1 低碳钢：低碳钢： b b 0.36 HBS 0.36 HBS 高碳钢：高碳钢： b b 0.34 HBS 0.34 HBS 调质钢（中碳钢）：调质钢（中碳钢）： b b 0.325 HBS 0.325 HBS （3 3）维氏硬度（）维氏硬度（HVHV） 特点：加载负荷小特点：加载负荷小 原理：将方锥形金刚石压入材料表面原理：将方锥形金刚石压入材料表面,保持保持 规定时间后，

25、用测量压痕对角线长度，再规定时间后，用测量压痕对角线长度，再 按公式来计算硬度的大小。按公式来计算硬度的大小。 适用范围：维氏硬度有小负荷维氏硬度，适用范围：维氏硬度有小负荷维氏硬度， 试验负荷试验负荷1.96149.03N，它适用于，它适用于较薄工较薄工 件件、工具表面或、工具表面或镀层镀层的硬度测定；的硬度测定； 三、韧性三、韧性 （动载荷）（动载荷） 常用韧性指标：冲击韧度（常用韧性指标：冲击韧度（a ak k） 冲击韧度冲击韧度: :金属材料抵抗金属材料抵抗冲击载荷冲击载荷作用而不破坏作用而不破坏 的能力。的能力。 金属材料的冲击韧度常用一次摆锤冲击金属材料的冲击韧度常用一次摆锤冲击 试验来测定金属材料的冲击韧度。试验来测定金属材料的冲击韧度。 将带有缺口的标准冲击试样，将带有缺口的标准冲击试样， 安放在冲击试验机的支座上安放在冲击试验机的支座上,把重把重 量为量为G的摆锤从一定高度的摆锤从一定高度H 落下，落下， 将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动 升至高度升至高度h，设，设 ：