机械制造基础1.1工程材料ppt课件

1、机械制造根底机械制造根底第第1 1章章 工程资料工程资料1.11.1金属资料的力学性能金属资料的力学性能 金属资料的性能包含运用性能和工艺性能。金属资料的性能包含运用性能和工艺性能。运用性能运用性能 是指金属资料在运用条件下所表现出来的性是指金属资料在运用条件下所表现出来的性能。如：力学能。如：力学( (机械机械) )性能、物理性能、化学性能、物理性能、化学性能性能工艺性能工艺性能 是指制造工艺过程中资料顺应加工的性能。是指制造工艺过程中资料顺应加工的性能。 如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处置工艺性热处置工艺性金属资料的力学性能金属资料的力学

2、性能 金属资料的力学性能是指金属资料在外力作金属资料的力学性能是指金属资料在外力作用时表现出来的性能。资料用于构造零件用时表现出来的性能。资料用于构造零件时，其力学性能是机械设计、资料选择、时，其力学性能是机械设计、资料选择、工艺评定及资料检验的主要根据。工艺评定及资料检验的主要根据。外力载荷方式主要有：外力载荷方式主要有： 拉伸、紧缩、弯曲、剪切、改动等拉伸、紧缩、弯曲、剪切、改动等常用的力学性能目的有：常用的力学性能目的有： 强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等1.1.1强度强度1、拉伸实验、拉伸实验 资料接受静拉伸时的力学性能目的是经过资料接受静拉伸时的力

3、学性能目的是经过拉伸实验测定的。其过程为：将被测资料拉伸实验测定的。其过程为：将被测资料按按GBT2282021要求制成规范拉伸试要求制成规范拉伸试样，在拉伸实验机上夹紧试样两端，缓慢样，在拉伸实验机上夹紧试样两端，缓慢地对试样施加轴向拉伸力，使试样被逐渐地对试样施加轴向拉伸力，使试样被逐渐拉长，最后被拉断。经过实验可以得到拉拉长，最后被拉断。经过实验可以得到拉伸力伸力F与试样伸长量与试样伸长量L之间的关系曲线之间的关系曲线(称称为拉伸曲线为拉伸曲线)。 1 1拉伸试样拉伸试样 在国家规范中，对拉在国家规范中，对拉伸试样的外形、尺寸伸试样的外形、尺寸及加工要求均有规定。及加工要求均有规定。右图

4、为圆柱形拉伸试右图为圆柱形拉伸试样。其中样。其中d0d0为试样直为试样直径，径，L0L0为试样标距长为试样标距长度。度。2 2拉伸曲线拉伸曲线 经过对拉伸曲线经过对拉伸曲线的分析，可以直的分析，可以直接在曲线上读出接在曲线上读出一系列强度目的一系列强度目的并可根据实验结并可根据实验结果计算出塑性目果计算出塑性目的值。右图为退的值。右图为退火低碳钢的火低碳钢的R-R-曲线。曲线。 拉伸曲线分析：拉伸曲线分析：拉伸曲线中，拉伸曲线中，Oe段为直线，即在应力不超越只段为直线，即在应力不超越只Re时，应力与应变成正比关系，此时，将外力去除时，应力与应变成正比关系，此时，将外力去除后，试样将恢复到原来的

5、长度。这种可以完全恢后，试样将恢复到原来的长度。这种可以完全恢复的变形称为弹性变形；复的变形称为弹性变形；当应力超越当应力超越Re后，试样的变形不能完全恢复而产生后，试样的变形不能完全恢复而产生永久变形，这种永久变形称为塑性变形。永久变形，这种永久变形称为塑性变形。当应力增大至当应力增大至H点后，曲线呈近似程度直线状，即点后，曲线呈近似程度直线状，即应力不增大而试样伸长量在添加，这种景象称为应力不增大而试样伸长量在添加，这种景象称为屈服。屈服。屈服后试样产生均匀的塑性变形，应力增大到屈服后试样产生均匀的塑性变形，应力增大到m点点后，试样产生不均匀的塑性变形，即试样发生部后，试样产生不均匀的塑性

6、变形，即试样发生部分直径变细的分直径变细的“颈缩景象。颈缩景象。至至k点时，试样在颈缩处被拉断。点时，试样在颈缩处被拉断。 3 3、弹性和刚性、弹性和刚性 资料的弹性目的主要是指弹性极限，刚性目的那资料的弹性目的主要是指弹性极限，刚性目的那么是指资料的弹性模量。么是指资料的弹性模量。1 1弹性极限弹性极限ReRe 弹性极限是指在产生完全弹性变形时资料所能接弹性极限是指在产生完全弹性变形时资料所能接受的最大应力，即：受的最大应力，即： 式中式中FeFe试样完全弹性变形时所能接受的最大载荷，试样完全弹性变形时所能接受的最大载荷，N N ； So So试样原始截面积，试样原始截面积，mm2mm2。o

7、eeSFR 实践上实践上ReRe只是一个实际上的物理定义，对于实践只是一个实际上的物理定义，对于实践运用的工程资料，用普通的丈量方法很难测出准运用的工程资料，用普通的丈量方法很难测出准确而独一的弹性极限数值，因此，为了便于实践确而独一的弹性极限数值，因此，为了便于实践丈量和运用，普通规定以剩余应变量丈量和运用，普通规定以剩余应变量( (即微量塑性即微量塑性变形量变形量) )为为0 00101时的应力值作为时的应力值作为“规定弹性极规定弹性极限限( (或称或称“条件弹性极限条件弹性极限) )。工程上，对于服。工程上，对于服役条件不允许产生微量塑性变形的弹性元件役条件不允许产生微量塑性变形的弹性元

8、件( (如汽如汽车板簧、仪表弹簧等车板簧、仪表弹簧等) )均是按弹性极限均是按弹性极限ReRe来进展设来进展设计选材的。计选材的。2 2弹性模量弹性模量E E 弹性模量是指在应力应变曲线上完全弹性变形弹性模量是指在应力应变曲线上完全弹性变形阶段，应力与应变的比值，即：阶段，应力与应变的比值，即： 在工程上E(单位Nmm2)称为资料的刚度，是资料的重要力学性能目的之一，它表征资料对弹性变形的抗力。其值愈大，资料产生一定量的弹性变形所需求的应力愈大，阐明资料不容易产生弹性变形，即资料的刚度大。 实践工件的刚度首先取决于其资料的弹性模量E，不同的资料，其刚度差别很大。陶瓷资料的刚度最大，金属资料与复

9、合资料次之，而高分子资料最低。 金属资料的弹性模量E主要决议于基体金属的性质。 RE4 4、强度、强度 强度指金属资料在外力作用下抵抗塑性变强度指金属资料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的才干。形或断裂的才干。 常用的资料强度目的有：常用的资料强度目的有：屈服强度屈服强度抗拉强度等。抗拉强度等。1 1屈服强度屈服强度 屈服强度是指当资料呈现屈服景象时，在屈服强度是指当资料呈现屈服景象时，在实验期间到达塑性变形发生而力不添加的实验期间到达塑性变形发生而力不添加的应力点，分为上屈服强度和下屈服强度。应力点，分为上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度上屈服强度(ReH)(ReH)是试样发生屈服而力初次是试

10、样发生屈服而力初次下降前的最高应力；下屈服强度下降前的最高应力；下屈服强度(ReL)(ReL)是指是指在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。即：应力。即：式中式中FeHFeH试样发生屈服而力初次下降前接受的最大载荷，试样发生屈服而力初次下降前接受的最大载荷，N N ； FeL FeL试样发生屈服时接受的最小载荷，试样发生屈服时接受的最小载荷，N N； SO SO试样原始截面积，试样原始截面积，mm2mm2。oLeLeSFRoeHHeSFR2 2抗拉强度抗拉强度RmRm 抗拉强度是指资料在拉伸过程中，相应最大力的抗拉强度是指资料在拉伸过程中，相应最大力的应

11、力。即：应力。即：式中式中FmFm试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力，对于无明试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力，对于无明显屈服显屈服( (延续屈服延续屈服) )的金属资料，为实验期间的最大力，的金属资料，为实验期间的最大力，N N ；SOSO试样原始截面积，试样原始截面积，mm2mm2。ommSFR 抗拉强度是工程上最重要的力学性能目的之一。对塑性较好的资料，Rm表示了资料对最大均匀变形的抗力；而对塑性较差的资料，一旦到达最大载荷，资料迅即发生断裂，故Rm也是其断裂抗力(断裂强度)目的。Rm是高分子资料和陶瓷资料选材的重要根据。对塑性变形要求不严而仅要求不发生断裂的金属零件如钢丝绳、建筑构造

12、件等，为减轻自重，Rm也常作为其设计与选材根据。此外，因Rm易于测定，适于作为产品规格阐明或质量控制目的，广泛出如今规范、合同、质量证明等文件资料中。1.1.21.1.2塑性塑性 塑性是指资料在外力作用下可以产生永久变塑性是指资料在外力作用下可以产生永久变形而不破坏的才干。常用的塑性目的有断形而不破坏的才干。常用的塑性目的有断后伸长率和断面收缩率。后伸长率和断面收缩率。1 1断后伸长率断后伸长率A A 断后伸长率是指断后试样标距与原始标距之断后伸长率是指断后试样标距与原始标距之比的百分率。即：比的百分率。即：式中式中LuLu试样断裂后的标距，试样断裂后的标距，mmmm； Lo Lo试样的原始标

13、距，试样的原始标距，mmmm。%100OOuLLLA 因此，对于同一资料而具有不同长度或截面积的因此，对于同一资料而具有不同长度或截面积的试样要得到比较一致的试样要得到比较一致的A A值，或者对于不同资料的值，或者对于不同资料的试样要得到可比较的试样要得到可比较的A A值，必需使值，必需使L0L0 的比值的比值为一常数。国家规范规定，此值为为一常数。国家规范规定，此值为11.3(11.3(相当于相当于L0L010d010d0的试棒的试棒) )或或5.65(5.65(相当于相当于L0=5d0L0=5d0的试棒的试棒) ) oS资料伸长率的大小与试样原始标距资料伸长率的大小与试样原始标距L0L0和

14、原始截面积和原始截面积SOSO亲密相关，亲密相关，在在SOSO一样的情况下，一样的情况下，L0L0愈长那么愈长那么A A愈小，反之亦然。愈小，反之亦然。2 2断面收缩率断面收缩率Z Z 断面收缩率是指断后试样横截面积的最大缩减量断面收缩率是指断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率。即：与原始横截面积之比的百分率。即：式中式中SuSu试样断裂处的最小横截面积，试样断裂处的最小横截面积，mm2mm2； SO SO试样的原始横截面积，试样的原始横截面积，mm2mm2。断后伸长率断后伸长率A A和断面收缩率和断面收缩率Z Z越大，资料的塑性越好。越大，资料的塑性越好。普通以为，普通以为

15、，A5A5的资料为脆性资料。的资料为脆性资料。%100ouoSSSZ 资料的塑性目的普通不直接用于机械设计资料的塑性目的普通不直接用于机械设计计算，但资料具有一定的塑性，当零件蒙计算，但资料具有一定的塑性，当零件蒙受不测过载或冲击时，经过塑性变形和应受不测过载或冲击时，经过塑性变形和应变硬化的配合可防止发生忽然断裂。资料变硬化的配合可防止发生忽然断裂。资料具有一定的塑性可保证某些成形工艺具有一定的塑性可保证某些成形工艺(如冷如冷冲压、轧制、冷弯、校直、冷铆冲压、轧制、冷弯、校直、冷铆)和修复工和修复工艺艺(如汽车外壳或挡泥板受碰撞而凹陷如汽车外壳或挡泥板受碰撞而凹陷)的顺的顺利进展；对于金属资

16、料，塑性目的还能反利进展；对于金属资料，塑性目的还能反映资料冶金质量的好坏，是资料消费与加映资料冶金质量的好坏，是资料消费与加工质量的标志之一。工质量的标志之一。 1.1.31.1.3硬度硬度 硬度是指资料在外表上的不大体积内抵抗部硬度是指资料在外表上的不大体积内抵抗部分塑性变形或破坏的才干，是表征资料性分塑性变形或破坏的才干，是表征资料性能的一个综合参量，可以反映出金属资料能的一个综合参量，可以反映出金属资料在化学成份、金相组织和热处置形状上的在化学成份、金相组织和热处置形状上的变化，是检验产质量量、研制新资料和确变化，是检验产质量量、研制新资料和确定合理的加工工艺所不可短少的检测性能定合理

17、的加工工艺所不可短少的检测性能方法之一。同时硬度实验是金属力学性能方法之一。同时硬度实验是金属力学性能实验中最简便、最迅速的一种方法。实验中最简便、最迅速的一种方法。 硬度实验方法很多，普通可分三类：压入法 如布氏硬度、洛氏硬度、和维氏硬度和显微硬度；划痕法 如莫氏硬度；有回跳法，如肖氏硬度等。 目前机械制造消费上运用最广泛的硬度是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1 1、布氏硬度、布氏硬度 布氏硬度实验原理如右图布氏硬度实验原理如右图所示。按所示。按GB/T231.1-2021GB/T231.1-2021的规定，对一定直径的硬的规定，对一定直径的硬质合金球施加工实验力压质合金球施加工实验力压入试

18、样外表，经规定的坚入试样外表，经规定的坚持时间后，卸除实验力，持时间后，卸除实验力，丈量试样外表的压痕直径。丈量试样外表的压痕直径。将单位面积接受的平均应将单位面积接受的平均应力乘以一常数后定义为布力乘以一常数后定义为布氏硬度。氏硬度。 )(2102. 0102. 022dDDDFSFHBW式中式中 F F实验力实验力(N)(N)； S S压痕外表积压痕外表积(mm2)(mm2)； d d压痕直径压痕直径(mm)(mm)； D D硬质合金球直径硬质合金球直径(mm)(mm)；布氏硬度的计算公式：布氏硬度的计算公式：例如：例如： 350HBW5350HBW5750750表示用直径表示用直径5mm

19、5mm硬质合金球在硬质合金球在7.355KN7.355KN实验力作用下坚持实验力作用下坚持101015s15s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为350350。布氏硬度值的表示表示方法为：布氏硬度值的表示表示方法为：硬度值硬度值+HBW +HBW +球直径球直径+ +实验力实验力+ +与规定时间与规定时间 实验力坚持时间实验力坚持时间(10(1015s15s不标注不标注) ) 布氏硬度目前主要用于铸铁、非铁金属以及经退布氏硬度目前主要用于铸铁、非铁金属以及经退火、正火和调质处置的钢材。火、正火和调质处置的钢材。 布氏硬度实验的优点是测出的硬度值准确可靠，布氏硬度实验的优点是测出的硬度值准确可靠

20、，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的丈量因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的丈量误差；布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比误差；布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系。但同时压痕大，不宜丈量废品件，也不宜关系。但同时压痕大，不宜丈量废品件，也不宜丈量薄件；丈量速度慢，测得压痕直径后还需计丈量薄件；丈量速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表。算或查表。2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 洛氏硬度实验原理如右图洛氏硬度实验原理如右图所示，按所示，按GB/T230.1-GB/T230.1-20212021规定，将压头金规定，将压头金刚石圆锥、钢球和硬质刚石圆锥、钢球和硬质合金压入试样外表，合金压入试样

21、外表，经规定坚持时间后，卸经规定坚持时间后，卸除主实验力，测得在初除主实验力，测得在初实验力下的剩余压痕深实验力下的剩余压痕深度度h h。 洛氏硬度计算公式：洛氏硬度计算公式：ShN 洛氏硬度式中式中 N N给定标尺的硬度值；给定标尺的硬度值； h h卸除主实验力后，在初实验力下压痕残留的深度剩余压痕卸除主实验力后，在初实验力下压痕残留的深度剩余压痕 深度，深度，(mm)(mm)； S S给定标尺的单位给定标尺的单位(mm)(mm)；002.0100hHRDHRCHRA002. 0130hHRKHRHHRGHRFHREHRB001.0100hHRTHRN 实践检测时，实践检测时，HRHR值可从

22、硬度计的百分度盘上直接值可从硬度计的百分度盘上直接读出，标志时硬度值位于读出，标志时硬度值位于HRHR之前，如之前，如HRC60HRC60、75HRA75HRA等。等。 HRAHRA主要主要用于高硬度外表、硬质合金的硬度测主要主要用于高硬度外表、硬质合金的硬度测试，试，HRBHRB主要用于退火钢、铸铁、有色金属的硬度主要用于退火钢、铸铁、有色金属的硬度测试，测试，HRCHRC主要用于淬火钢的硬度测试。主要用于淬火钢的硬度测试。 洛氏硬度实验操作简便，可以测定软、硬金属的洛氏硬度实验操作简便，可以测定软、硬金属的硬度，也可测定较薄工件的硬度；压痕小，可用硬度，也可测定较薄工件的硬度；压痕小，可用

23、于废品检验。但由于压痕小，丈量组织不均匀的于废品检验。但由于压痕小，丈量组织不均匀的金属硬度时，反复性差，而且不同标尺测得硬度金属硬度时，反复性差，而且不同标尺测得硬度值既不能直接进展比较，又不能彼此互换。值既不能直接进展比较，又不能彼此互换。 3 3、维氏硬度、维氏硬度 维氏硬度按维氏硬度按GB/T4340.1-GB/T4340.1-20212021进展，进展，其实验原理与布氏硬度一其实验原理与布氏硬度一样，如右图所示。同样是样，如右图所示。同样是根据压痕单位面积上所受根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成

24、的锥面夹采用金刚石制成的锥面夹角角为的金刚石正四棱为的金刚石正四棱锥体。锥体。 硬度值硬度值+HV+HV+实验力数字实验力数字+ +与规定时间与规定时间101015S15S不同的实验力坚持时间不同的实验力坚持时间例如：例如：640HV30/20640HV30/20表示在表示在294.3N294.3N作用下坚持作用下坚持20s20s后测得的维氏硬度值为后测得的维氏硬度值为640640。维。维氏硬度的单位为氏硬度的单位为N/mm2N/mm2，但普通不标出。，但普通不标出。维氏硬度的表示方法为：维氏硬度的表示方法为： 维氏硬度实验具有前两种硬度实验的优点而丢弃维氏硬度实验具有前两种硬度实验的优点而丢

25、弃了它们的缺陷，负荷大小可恣意选择，测定范围了它们的缺陷，负荷大小可恣意选择，测定范围宽，适宜各种软、硬不同的资料，特别适用于薄宽，适宜各种软、硬不同的资料，特别适用于薄工件或薄外表硬化层的硬度测试。其缺陷是消费工件或薄外表硬化层的硬度测试。其缺陷是消费率比洛氏硬度实验低，不宜于成批消费检验。率比洛氏硬度实验低，不宜于成批消费检验。4 4、显微硬度、显微硬度 显微硬度实验本质上就是小载荷维氏硬度显微硬度实验本质上就是小载荷维氏硬度实验，是实验负载在实验，是实验负载在1000g1000g以下、压痕对角以下、压痕对角线长度以线长度以mm计时得到的维氏硬度值，同样计时得到的维氏硬度值，同样用符号用符

26、号HVHV表示，用于资料微区硬度如单表示，用于资料微区硬度如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等的测试。个晶粒、夹杂物、某种组成相等的测试。 1.1.41.1.4冲击吸收能量冲击吸收能量 许多机件，如枪管、炮管、冷冲模、锤头等许多机件，如枪管、炮管、冷冲模、锤头等都是在冲击载荷都是在冲击载荷( (载荷以很快的速度作用于载荷以很快的速度作用于机件机件) )下任务。实验阐明，载荷速度添加，下任务。实验阐明，载荷速度添加，资料的塑性、韧性下降，脆性添加，易发资料的塑性、韧性下降，脆性添加，易发生忽然性破断。因此，运用的资料就不能生忽然性破断。因此，运用的资料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必需用抵抗用静载

27、荷下的性能来衡量，而必需用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的才干，即冲击冲击载荷的作用而不破坏的才干，即冲击韧性来衡量。韧性来衡量。1 1、冲击吸收能量测定、冲击吸收能量测定 工程上常用一次摆锤冲工程上常用一次摆锤冲击弯曲实验来测定资料击弯曲实验来测定资料抵抗冲击载荷的才干，抵抗冲击载荷的才干，即测定冲击载荷试样被即测定冲击载荷试样被折断而实践吸收能量折断而实践吸收能量KVKV，单位为焦耳，单位为焦耳J J。 将被测的资料按国标将被测的资料按国标GB/T229-GB/T229-20072007做成试样，实验原理是将规做成试样，实验原理是将规定几何外形的缺口试样置于实验定几何外形的缺口试样置于实验机两

28、支座之间，缺口背向打击面机两支座之间，缺口背向打击面放置如下图，然后把质量为放置如下图，然后把质量为m m的摆锤提到的摆锤提到h1h1高度，然后释放摆高度，然后释放摆锤，用摆锤一次打击试样，测定锤，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量，冲断试样后摆试样的吸收能量，冲断试样后摆锤上升到锤上升到h2h2高度。高度。冲击实验原理冲击实验原理1-1-支座支座 2- 2-试样试样 3- 3-指针指针 4- 4-摆锤摆锤 冲击实践吸收能量KV是用实验机进展实验时，冲断试样所需的总能量。它等于摆锤在初始位置的势能与试样断裂后完成第一个半周期时的势能之差。 冲击实践吸收能量KV值的大小，代表了资料的韧性高低

29、。1.1.51.1.5疲劳强度疲劳强度 许多零件是在交变应力作用下任务的，如轴许多零件是在交变应力作用下任务的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。它们断裂类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。它们断裂时的应力远远低于该资料的屈服强度时的应力远远低于该资料的屈服强度, ,这种这种景象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不景象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，在断裂前无明显塑性变形情况下忽然同，在断裂前无明显塑性变形情况下忽然断裂断裂, ,因此因此, ,具有更大的危险性。据统计，大具有更大的危险性。据统计，大约有约有8080机件的破断是由于金属疲劳呵斥机件的破断是由于金属疲劳呵斥的。因此，研讨疲劳破断的缘由的。因此，研讨疲劳破断的缘由, ,提高疲劳提高疲劳抗力，防止疲劳事故发生是非常重