工程的基本知识介绍课件

1、机 械 制 造 基 础主讲：刘华利一、本课程的性质和内容1、本课程的性质 2、本课程的内容 生产准备毛坯制造机械加工装配调试（车，铣，刨，磨，钻，镗等）（组装，部装，总装）（铸造，锻造，焊接，冲压等）机电类专业的主干专业基础课机械制造：将原材料制成零件的毛坯，将毛坯加工成机械零件，再将零件装配成机器的整个过程。（市场调查，购买原材料）（1）了解和掌握常用的工程材料；（2）了解和掌握铸造、锻造、焊接、切削加工和特种加工；（3）熟悉机械制造全过程，并了解现代机械制造技术。二、本课程的学习目的工程材料金属材料非金属材料复合材料黑色金属有色金属高分子材料陶瓷材料金属基复合材料非金属基复合材料第一章 工

2、程材料的基本知识工程材料主要性能使用性能工艺性能力学性能物理性能、化学性能铸造性、锻造性、焊接性切削加工性、热处理性第一章 工程材料的基本知识1.1.1金属材料力学性能 金属力学性能是指在外载荷作用下其抵抗变形或破坏的能力。常用的主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 一、强度与塑性 强度指金属材料在外载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 。 强度分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。1.1 金属材料1、两种基本变形 弹性变形 塑性变形 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。当外力去除后不能恢复其原来形状，称为

3、塑性变形F1.1 金属材料2、拉伸试验（GB6397-1986）1.1 金属材料2、试样处于屈服点时，长度不再继续伸长。 （ ）1.1 金属材料拉伸试样表面越粗糙，取样长度就越大。二、材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变性2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。3、s s段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。注意：试样处于屈服点时，长度继续伸长。4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形低碳钢的力伸长曲线1.1 金属材料三、强度的指标2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最

4、大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。1、屈服强度b = Fb / S0 当材料的内应力b 时，材料将产生断裂。b常用作脆性材料的选材和设计的依据。 符号： s 材料产生屈服现象时的最小应力s = Fs / S0 Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm） 条件屈服强度1.1 金属材料四、塑性指标 塑性是金属材料在外载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率指试样 拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。L0:标距（本实验L=100）Lk:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。K应用中：10试

5、样 L0=10d0 5 试样 L0=5d01.1 金属材料1.1 金属材料2、断面收缩率 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=(S0-SK)/S0 x 100%说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。式中 S0试样变形前断面积，mm； Sk试样拉伸缩颈后最小断面积，mm；用卡尺直接量出。1.1 金属材料五、硬度 1、定义：指金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面局部表面的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。 硬度越高,耐磨性越好,强度越高. 2、硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度1.1 金属材料布氏硬度HBS 用于测定软

6、性材料（HBS450）（一）布氏硬度1.1 金属材料1、布氏硬度试验（布氏硬度计） 原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。当F、D一定时，d越小，材料的硬度值越大，被测材料越硬；d越大，硬度值越小，被测材料越软。（1） 压头直径为D： 钢球S或硬质合金球 W；（2）试验力F：保持规定时间t。（3）压痕直径d：用放大镜在互相垂直方向上测两次取平均值； （4）硬度值：压痕单位面积压力F/S。 (硬度值不标单位) 布氏硬度试验原理图1.1 金属材料 2、布氏硬度值

7、用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如： 120HBS 500HBW 3、表示方法 150HBS 10/1000/30 10mm淬火钢球在1000kg载荷作用下保持30s（1015s不标注）测得的硬度值为150；w-硬质合金 5、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等. 4、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁） （2）可测的硬度值不高，HBS适用于测量硬度值小于450的材料；HBW适用于硬度值小于650的材料。 （3）不宜测试成品与薄件 （4）测量费时，效率低1.1 金属材料 洛氏硬度HRC 用于测定硬质表面材料（2067 HRC）（二）洛

8、氏硬度1.1 金属材料1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计） 原理:洛氏硬度用顶角为120的金刚石圆锥或直径为1.588的淬火钢球，在规定的试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。 如图所示，00为金刚石压头还没有和试样接触的位置。11是在初试验力作用下压头所处的位置，压入深度为h1，目的是为了消除由于试样表面不光洁对试验结果的精确性造成的不良影响。图中22在总试验力（初试力主试验力）作用下压头所处位置，压入深度为h2。 33是卸除主试验力后压头所处的位置，由于金属弹性变形得到恢复，此时压头实际压入深度为h3。故由于主试验力所引起的塑性

9、变形而使压头压入深度为hh3h1。1.1 金属材料 洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数k减去h来表示硬度的高低。并用每0.002的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号表示。 HR=K-bd/0.002 金刚石压头K为100；淬火钢球压头K为130.2、表示方法 3、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出 如：50HRC （无单位）1.1 金属材料 上述洛氏硬度的三种标尺中，以应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度与

10、布氏硬度之间关系约为1：10，如40相当于400。如50，表示用标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（为2067）为有效。标尺 压头类型 总试验力 kgf 硬度值有效范围 应用 HRA HRB HRC 120金刚石圆锥体 ( 1.588)钢球 120金刚石圆锥体 600 1000 1500 708525100 2067硬质合金、表面淬火层或渗碳层有色金属、退火、正火钢等 淬火钢、调质钢等 4、常用洛氏硬度标尺及适用范围 1.1 金属材料 5、试验优缺点 优点： 操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值； 压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度； 对于和采用金刚石压头，

11、可测量高硬度薄层和深层的材料。 缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。1.1 金属材料1、维氏硬度试验 原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。 4、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。（三）维氏硬度3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。1.1 金属材料例1、说明下列符号的含义及其所表示的机械性能指标的物理意义： s

12、，b，HRC，180HBS10/1000/30。 答：s（屈服强度）表示金属材料抵抗微量塑性变形的能力。 b（抗拉强度）表示金属材料抵抗最大均匀塑性变形或断裂的能力。 HRC洛氏硬度（c种）试验压头为120金刚石圆锥体。 180HBS10/1000/30表示用直径为10mm的淬火钢球在1000kgf的载荷作用下时间保持30s所测得的布氏硬度值为180。1.1 金属材料冲击韧性金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。（冲击试验测定) 在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。冲击韧性值越大，材料韧性越好；六 冲击韧性低冲击韧性值部分高冲击韧性之部分

13、韧脆转变温度范围kyt冲击韧性值随温度的降低而减小。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性越好、 1.1 金属材料用冲击试验测定冲击韧度 1.1 金属材料 循环基数钢：有色金属：七、 疲劳强度和蠕变强度 1、疲劳强度 金属材料经受无数次交变载荷而不 引起断裂的最大应力值称为材料的疲劳强度。 在交变载荷的作用下，零件所承受的最大应力值虽然远小于其屈服强度 ，但经过多次循环后，零件在无显著的外形变形情况下却会发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。 零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变，降低表面粗糙度以及采用各种表面强化处理提高疲劳强度。1.1 金属材料 2、蠕变强度 金属在高温长时间应力作用下，即使所

14、加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂的现象称为蠕变。 注意：在长期高温载荷的作用下，金属材料对塑性变形的抵抗能力称为蠕变强度。1.1 金属材料八、几种常用金属材料的力学性能 牌 号力 学 性 能 应 用b/MPas%HBSHRCkQ235-A40023526工程结构45钢6101622955（淬火）轴、杆ZG310-570570310153铸钢件ZAlSi2143450活塞HT250250气缸体QT700-27004202270曲轴1.1 金属材料 1、铁碳合金相图表示铁碳合金在不同成分和温度下的成分、组织和性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金状态图或铁碳合

15、金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。 2、铁碳合金在液态时可以无限互溶，在固态下碳可溶于铁中形成固溶体。还可形成固溶体和化合物组成的机械混合物。 3、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。1.1.2 铁碳合金相图 1、固溶体 部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型不变（有一定的畸变）。 1）、铁素体（F）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。 铁素体F 600 0.006%C 727 0.0218%C 力学性能：b = 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。 2）、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高

16、温组织，在大于727（0.77%）时存在。1148（2.11%) 性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。 力学性能： b = 250 350MPa ；= 40%45%。 HBS= 160200； 一、 铁碳合金的基本组织1.1 金属材料1.1.2 铁碳合金相图 （石墨）2、金属化合物 1）、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳(6.69%)形成的金属化合物。 性能-高熔点（1227）、高硬度（9501050HV），脆性大，塑性和韧性几乎为零。铸铁生产 用硬质合金800 HBW 头测定 1.1.2 铁碳合金相图3、同晶粒内的机械混合物 白色F基体中嵌入黑片状

17、Fe 3C 有良好的力学性能： b = 750MPa ； =20 %25% ； k = 30-40（J/cm2）。 1）珠光体 P （F+Fe 3C）F与Fe3C组成的机械混合物。 性能-力学性能介于两者之间。强度较高，硬度适中，具有一定的塑性1.1.2 铁碳合金相图2、莱氏体（ Ld ）： A与Fe3C组成的机械混合物 (0.43% 1148）727以上为高温Ld（A+ Fe 3C）727以下为低温Ld（ P+ Fe 3C ） 力学性能与 Fe 3C 相似，硬而脆，塑性差。1.1.2 铁碳合金相图二、 铁碳合金状态图显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度下组织形态的热分析图形1.1.2 铁碳合

18、金相图一）、铁碳相图分析 1、相图的坐标纵坐标：代表温度。横坐标：代表含碳量。 2、特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度9121.1.2 铁碳合金相图3、特性线 ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。 ES：C在A中的

19、溶解度曲线，又称Acm线。1.1.2 铁碳合金相图 ECF：共晶线（1148）含C量2.11 % -6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。 PSK：共析线，（727）含C量在0.0218 % -6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。包晶部分AL+AA+Fe3C1+LdLd+Fe3C1A+Fe3C1P+Fe3C1P+Fe3C1+LdLd+Fe3C1F+PFe3CLdLd1.1.2 铁碳合金相图 5、铁的分类 纯铁 （0.0218%） 钢 （2.11%） 共析钢 (P） 亚共析钢 (F+P) 过共析钢（P=Fe3C) 共晶白口铸铁

20、亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁铁碳合金相图包晶部分AL+AA+Fe3C1+LdLd+Fe3C1A+Fe3C1P+Fe3C1P+Fe3C1+LdLd+Fe3C1F+PFe3CLdLdLdP+Fe3C1+LdLd+Fe3C1 4、四个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe 3C)。1.1.2 铁碳合金相图2、Fe C合金状态图的特性分析1）共晶线ECF （C点共晶点） 说明：含2.06%6.67%C的 Fe C合金(生铁)都将在1148时发生莱氏体转变，即共晶转变。1148表示共晶反应：1.1.2 铁碳合金相图2）共析线PSK （S点共析点）说明：含0.0218%2

21、.06%C的 Fe C合金(钢)都将在727 时发生珠光体转变，即共析 转变。在热处理中，该线温 度常以A1表示，冷却时用Ar1，加热时用Ac1。727表示共析反应：1.1.2 铁碳合金相图3）两条固溶线GS、ES ES 自高碳奥氏体冷却过程中析出 Fe3C的起始线。温度常以 Acm表示。（冷却：Arm；加热：Acm） GS 自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的起始线，该温度常以 A3表示。（冷却：Ar3；加热：Ac3）1.1.2 铁碳合金相图四、 铁碳合金分类(据C%不同分) 以E点（C2.06 % ）为界，分为钢和生铁两类。生铁结晶时有莱氏体转变，组织中有莱氏体。 钢以S点（0.77%C

22、） 为界，分为： 亚共析钢 C0.77%； 共析钢 C0.77%； 过共析钢 C0.77%。1.1.2 铁碳合金相图生铁以C点（4.3%C）为界，分为： 亚共晶生铁 2.06%C4.3%； 共晶生铁 C4.3% ； 过共晶生铁 C4.3%6.67。 铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，为亚共晶生 铁。C2.8 % 4.0 % 。 注意：含碳量大于6.69%的铁碳合金在工业中没有实用意义。1.1.2 铁碳合金相图相 图 訣温度成分建坐标，铁碳二元要记牢。两平三垂标特点，九星闪耀五狐交。共晶共析液固线，十二面里组织标。基本组织先标好，相间组织共逍遥。分析成分断组织，铸锻处理离不了。1.1.2 铁碳合金相图三、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 1、含碳量对铁碳合金组织的影响 含碳量增加，渗碳体增加，渗碳体形态变化，说明铁碳合金具有不同