1-ch1金属材料的性能.ppt

1、工程材料学,王孝义,二一一年八月,机械工程学院,副教授、博士,绪论,为什么要学习工程材料及成形技术? 工程材料（钢铁）生产过程及机器制造过程 本课程的基本内容和任务 本课程的性质和要求,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,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“石器时代 ”、“青铜器时代”和“铁器时代”。 当前，材料总数有50万余种之多，而且新材料每年以5%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，

2、需用800多种材料，下面动画是轿车车身部分所采用的材料。,动画 轿车车身部分的材料,2,人类早在6000年以前就掌握了金属冶炼。公元前4000年，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（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍7.5%的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。 铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了蒸汽机的发明以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪到18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。,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，推动了钢铁工业的大步发展

3、，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。 从1949年到2010年，全世界的钢产量由1.58亿吨增加到14.12亿吨。而我国(不包括台湾省)2010年钢产量达到6.267亿吨，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金属。1910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,5,2010年，亚洲地区生产7.95亿吨，占世界钢总量65 ；中国钢产量占世界总量45 ，占亚洲总量71.44。,马钢股份(600808)是国内九家千万吨级钢铁生产厂商之一,2010年粗钢产量1540万吨,名列国内第10、全球第

4、19名。,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。进入到20世纪后，更是取得了重大的进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今,发展最快、产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代，有机合成材料生产量每年以14%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9840万吨，其中5850万吨为塑料，合成橡胶为540万吨，合成纤维1140万吨。20世纪90年代，塑料产量已逾亿吨。2002年我国塑料产量达到2200万吨，出口量达到1228万吨。,6,陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。,陶瓷材料在冶金、建筑、化工和

5、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。 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高到一个新的水平。,新材料的发展趋势,动画2 材料比强度的进展,工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐

6、高温、耐腐蚀的方向发展。动画2为材料比强度（强度与密度之比）随时间的进展，由图可知当代先进材料强度比早期材料增长50倍。,8,新材料主要在以下几方面获得发展：,9,(1)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性能的新型材料。 (2)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。 (3)新型金属材料。如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。 (4)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（0.1100nm）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程材料，主要包括

7、：,金属材料是现代机械制造的最主要材料，被称为现代工业的骨架。,金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料,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?,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）生产过程及机器制造过程,钢铁是怎样炼成的,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,热处理 机械加工,装配,机器,焊接件,机器是怎

8、样造成的 ?,机械加工工艺方法 常用： 热加工铸、锻（轧）、焊、热处理、粉末冶金 冷加工切削加工（车、铣、刨、镗、磨、钻、插等）,本课程的基本内容和任务,基 本 内 容,工程材料,成形技术,工程材料基础理论,工业常用工程材料,铸造,压加,焊接,热处理,铸造,锻造,板料冲压,焊接,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念，培养良好的工程意识； 2、掌握必要的材料科学及相关的成形技术的基础理论； 3、掌握选择零件材料及成形工艺的基本原则和方法步骤； 4、掌握零件的结构工艺性； 5、了解相关的新材料、新技术、新工艺。,本课程的性质和要求,本课程性质： 内容广、实践性强、技术基础课

9、。 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论知识。,本课程的性质和要求,考核方式：闭卷 参考书目： 1、邓文英.金属工艺学（第三版）上册.北京：高等教育出版社 2、崔忠圻.金属学与热处理.北京：高等教育出版社 3、詹武.工程材料及机械制造基础.北京：机械工业出版社 4、任福东.工程材料及机械制造基础.北京：机械工业出版社,第一章 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： 使用性能 工艺性能 1.使用性能 反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。 包括： 力学性能 （强度、塑性

10、、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能 （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能 （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等,2. 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。 包括：铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性、切削加工性等。 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,力学性能是指金属材料在受外力（静、冲击、交变）作用时所反映出来的性能。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。 金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧

11、度和疲劳强度等。,一、强度和塑性（静）,塑性：金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力,强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力,强度指标有：屈服强度（S） 、抗拉强度（b ）,塑性指标有：伸长率 、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,拉伸曲线图（FL曲线图）,式中：Fs 试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷 Fb 指试样被拉断前所承受的最大外力 A0 试样的原始截面积（mm2）,（1）屈服强度：,（2）抗拉强度：,单位：MPa,金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示 （1）伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中： L0试样原

12、标距的长度（mm） L1试样拉断后的标距长度（mm） （2）断面收缩率 = （A0-A1）/A0 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） 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,二、硬度 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力，叫硬度。,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。,常用硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）,（1）布氏硬度,布氏硬度的特点：（HBS HBW） 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HB4

13、50以上的就不能使用。 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：铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料。,注意：一般用于HBS450,测量压头为淬火球,测量压头为硬质合金球,（2）洛氏硬度,洛氏硬度的特点：（HRC HRB HRA） 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，故在钢件热处理质量检查中应用最多。,标尺 压头 总载荷/N 使用测试材料 有效值 HRA 金刚石（圆锥体） 600 硬质合金、表面淬火钢 7085 HRB 淬火钢球(1.588mm) 1000 退火钢、非铁合金 25100 HRC 金刚石（圆锥体） 1500 一般淬火

14、钢 2067,注意：一般适用于硬度较高的材料。如：淬火钢等,动画 洛氏硬度测量,24,动画 布氏硬度测量,HBS与HRC的关系:,硬度与强度的关系:,当HBS 220时：HBS/HRC101,低碳钢： b 0.36 HBS 高碳钢： b 0.34 HBS 调质钢（中碳钢）： b 0.325 HBS,（3）维氏硬度（HV）,特点：加载负荷小 原理：将方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。 适用范围：维氏硬度有小负荷维氏硬度，试验负荷1.96149.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；,HV与HBS的关系:,HV/HBS11 同样

15、的材料，HV略高于HBS,三、韧性 （动载荷）,常用韧性指标：冲击韧度（ak）,冲击韧度:金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,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。,将带有缺口的标准冲击试样，安放在冲击试验机的支座上,把重量为G的摆锤从一定高度H 落下，将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动升至高度h，设 ： AkG（Hh）。 冲击韧度值： ak=Ak / S (J/cm2)。,式中S 为试样缺口处的截面积(cm2)。,27,动画 冲击试验,冲击韧度用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，如动画所示。,冲击试验,冲击韧度： ak = AK/S （Jcm-2） 式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（J） S试样断口处的原始截面积（mm2）,影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。,ak不能直接