《金属材料的性能》PPT课件.ppt

1、同学们好,金 属 工 艺 学 王晓东 徐长思主编武汉大学出版社,绪 论,什么叫金属工艺学？ 是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。 它主要研究： （1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系； （2） 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； （3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。 金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程中的地位。,课程的性质、任务和要求,性质： 研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程 体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程,任务和要求： 了解产品的制造过程 掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用 掌握材料成形的基本原理和工艺特点，

2、能初步运用,如何学好本课程？,即使天上掉馅饼，也只有早起的人才能得到,要付出劳动,是否想学好本课程？,为了应付考试？ 记录老师讲课重点（经常提到） 为了工作需要？ 认真读懂教材和参考书 为了扩大知识面？ 广泛涉及课外书籍、勤于思考,约 定,字迹工整、按时独立完成作业,课堂内不吃东西,关闭通信等能够发出声音的工具,.,做不到的是,不迟到,第一章 金属材料性能,1. 材料工业的重要程度,材料作为能制造有用物品的物质，与能源和信息共同构成了人类社会赖以生存与发展的基本资源，故材料、能源和信息并列为现代科学和现代文明的三大支柱，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。,材料是人类生活与社会发展的主要物质

3、基础，其品种、数量和质量是人类文明和社会进步程度的标志。,1. 材料工业的重要程度,历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。,我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一,2. 工程材料的分类,按属性分类：,金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料,2. 工程材料的分类,材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型的技术也不同。,3. 什么是金属材料,金属材料以金属元素为主要成分、原子通过金属键结合而成的一类固体材料。,公元前6000年：人类发明金属冶炼1 公元前4000年：古埃及人掌握炼铜技术1 公元前2500年：中国人开始使用铁

4、 公元18世纪末：瓦特(JamesWatt,17361819，英国) 发明了蒸汽机以后，大量使用铁轨 和铸铁管 ，铸铁的冶炼才走上工业 化生产的道路。 从此，金属材料在材料工业中就占有了统治性的主导地位。,4. 金属材料的发展历史,4. 金属材料的发展历史,1820年：（英）法拉第开始研究合金钢 1839年：巴比特研制出轴承合金 1856年：（德）贝斯麦在转炉中将生铁精炼成钢 1906年：泰勒和霍特研制出高速钢 1912年：（美）海恩兹发明钨铬钴硬质合金 1923年：克虏伯公司发明钨钴硬质合金 1940年：（日）北圆一郎等发明特超硬铝 1948年：（美）米尔斯研制出球墨铸铁 1959年：福特公

5、司研制出TiC金属陶瓷切削刀具（TiC-Ni-Mo合金） 1970年：美国和瑞典研制出粉末高速钢,5. 金属材料的优越性,自20世纪50年代以后，高分子材料、先进陶瓷材料、复合材料迅速发展，开始出现一些金属材料的“代用品”。那么钢铁材料是否已经进入“夕阳”工业了哪？,否。 金属材料具有其他材料不能完全取代的独特性质和使用性能。,6. 金属材料的研究现状,当前，金属材料的研究领域包括： 高纯材料优异的软磁性、良好的耐腐蚀性、高残余电阻率，用于高真空容器、核反应堆等。 高强度材料可减轻重量，用于航空航天、深海潜艇、原子能等领域。 超易切削钢提高刀具寿命30倍，降低成本、节约能源。 硬质合金与金属陶

6、瓷高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化，用于刀具、磨具、轧辊、轴承等领域。 高温合金与难熔合金超过1300有很高强度，用于飞机发动机等。,6. 金属材料的研究现状,6. 金属基复合材料高比强度、高比弹性模量，用于航空航天等领域。 7. 共晶合金定向凝固材料超高温下呈现更高强度，用于制造涡轮叶片等。 8. 金属非晶及微晶材料通过快速冷凝而得到，如金属玻璃、金属微晶材料。前者具有超耐腐蚀性、高磁导率、低热胀系数等，用于变压器铁心；后者具有高强度、高韧性、高抗疲劳断裂性等。 9. 金属间化合物原子按照金属健与部分共价键结合，高温强度高、抗氧化性好、弹性模量高、密度低，应用于多领域。 10. 纳米金属材料

7、颗粒径100nm的金属材料，具有超导性。用于电子工业、原子能工业、航空航天工业、化学工业等。,第一章 金属材料的性能,教学重点：金属材料的力学性能（表达方式、测定方法、单位量纲、物理意义） 教学难点：拉伸曲线（F-l或-曲线）特点；硬度实验过程,第一节 金属材料的机械性能,金 属 材 料 的 主 要 性 能,使用性能指材料在使用过程中表现出来的性 能。 工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能力。 金属材料的使用性能 力学性能金属材料在外力（载荷）作用下， 所表现的抵抗变形和破坏的能力。,一、强度与塑性,强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而

8、不破坏的能力。 拉伸试验,标准试件,低碳钢拉伸曲线,铸铁拉伸曲线,Fl：载荷伸长量拉伸曲线 ：应力应变曲线,= F/Ao = L / L0 分别以和为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。,屈服极限S,强化阶段,弹性极限P,屈服阶段,强度极限B,颈缩阶段,弹性阶段,强度指标,1.屈服点 在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点， S点对应的应力称屈服点应力。用符号s表示。屈服点应力s可按下式计算： s = Fs / A0 (MPa) 式中：Fs试样屈服时的载荷，N； A0试样原

9、始横截面积，mm2。,2抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号b表示，单位为Mpa，即 b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb试样承受的最大载荷，N； A0试样原始横截面积，mm2。,屈服点应力（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 。 机械零件多以s作为强度设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以b为依据。,塑性指标,(1)伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中： L0试样原标距的长度（mm） L1试样拉断后的标距长度（mm）,(2) 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。 = （A0-A1）/A0

10、 100% 式中：A0试样的原始截面积（mm2） A1试样断面处的最小截面积（mm2） 和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,二、硬度,固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。 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。,布氏硬度,布氏硬度试验原理图,式中：F试验力，N； D压头的直径,mm,HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。 HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。,单位面积所受的力值即为硬度,1.布

11、氏硬度 （1）试验原理： （2）符号 HB （3）表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX （4）应用范围： 测定结果较稳定、准确， 但不宜测薄件或成品件。 HBS用于测小于450 的材料；HBW用测小于650的材料。主要用来 测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处 理的钢材。,洛氏硬度,洛氏硬度试验原理图,试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。,（1）试验原理：用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力F1（98N）及总试验力F作用下

12、，将压头压入试样表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。 （2）符号 HR （3）表示方法 在符号前写出硬度值。 （4）应用范围 可直接测量成品或较薄工件，但结果不够准确。,布氏硬度与洛氏硬度的特点比较,布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。,洛氏硬度的特点： 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处

13、理质量检查中应用最多。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。,三、冲击韧度（ak）,有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。 冲击值对组织

14、缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。,夏比冲击试验 试验原理,标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样 同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较。对于脆性材料试样一般不开缺口。,四、疲劳强度,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 。 零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 。,疲劳的概念:,金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引

15、起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。,疲劳强度的概念,在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即之间的关系曲线，称疲劳曲线,-N 曲线,疲劳曲线,当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号-1表示，即当应力低于-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂 。,无数次应力循环： 对于钢材为107， 有色金属和某些超高强度钢常取108。,-N 曲线,第二节 金属材料的物理性能和化学性能,一、金属的物理性能 1 密度 2 熔点 3 导热性 4 导电性 5 热膨胀性 6 磁性,二、金属的化学性能 它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力， 1. 耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等) 2抗氧化性 3化学稳定性,第三节 金属材料工艺性能,工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等 1、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能