单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,China University of Geosciences,金属材料及零件加工,11/15/2024,金属材料及零件加工10/8/2023,1,材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。,复合材料,工程材料,金属材料,陶瓷材料,高分子材料,11/15/2024,材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料工程材料金,2,零件的生产工艺过程,选材,选毛坯,预先热处理,机械加工,最终热处理,检验,应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：,其中选材：,金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。,11/15/2024,零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验,3,毛坯选择,车削,传统的有,现代的有,有液态成形毛坯,塑性成形毛坯,连接成形毛坯,粉末冶金成形,型材等毛坯,车削、刨 削、铣削,拉削、镗削、磨削等,数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法,机械加工方法,11/15/2024,毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成,4,一个具体零件的加工往往可用,多种不同的加工方法,，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。,预先热处理,：,为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。,最终热处理：,使材料的性能达到要求。,11/15/2024,一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工,5,参考书目,1,邓文英、郭晓鹏，金属工艺学（第四版）（上、下），北京：高等教育出版社，2000,2,戴枝荣，工程材料及机械制造基础（1）工程材料，北京：高等教育出版社，1998,3,张万昌，工程材料及机械制造基础（2）热加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000,4,吴桓文，工程材料及机械制造基础（3）机械加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000,5,傅水根，机械制造工艺基础，北京：清华大学出版社，1998,6,王俊彪，材料的先进成形技术，北京：高等教育出版社，2002,7,翁世修、吴振华，机械制造技术基础，上海：上海交通大学出版社，1999,8,卢秉恒，机械制造技术基础，北京：机械工业出版社，1999,9,吉卫喜，机械制造技术，北京：机械工业出版社，2001,1,0,施江澜，材料成形技术基础，北京：机械工业出版社，2001,1,1,宋昭祥，机械制造基础，北京：机械工业出版社，2002,1,2,孔德音，机械加工工艺基础，北京：机械工业出版社，2001,11/15/2024,参考书目1 邓文英、郭晓鹏，金属工艺学（第四版）（上、下,6,一、金属材料的历史地位,1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类,社会文明程度,的标志之一。,金属材料是现代文明的基础。,石器时代（公元前10万年）,青铜器时代(公元前3000年),铁器时代（17世纪）,2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,11/15/2024,一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它,7,金属材料,二、金属材料的分类,黑色,金属,有色,金属,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢),轻金属(铝,镁,钛),重金属(铜,锌,铅,镍),贵重金属(金,银),稀有金属(钨钼钒铌钴),放射金属(镭铀钍),结构金属材料,功能金属材料,11/15/2024,金属材料二、金属材料的分类黑色 有色 铸铁 钢 工程构件用钢,8,三、金属材料的发展热点,1,继续重视高性能的新型金属材料,具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。,2,非晶（亚稳态）材料日益受到重视,非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。,3,特殊条件下应用的金属材料,低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。,4,材料的设计及选用科学化,按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。,11/15/2024,三、金属材料的发展热点1继续重视高性能的新型金属材料 10,9,四、本课程的内容,金属材料的性能,金属材料的热处理,碳钢、合金钢,铸铁、有色金属及合金,金属材料的加工,11/15/2024,四、本课程的内容 10/8/2023,10,第一章 金属材料材料的性能,金属材料性能,使用性能,工艺性能,力学性能,物理和化学性能,铸造性,可锻造性,焊接性,切削加工性能,材料在使用过程中所表现的性能,材料在加工中所表现的性能,11/15/2024,第一章 金属材料材料的性能金属材料性能使用性能工艺性能力学,11,第一节 力学性能,指材料在,外力或能量,以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性,力学性能,载荷,主要力学性能,指标,弹性、塑性、强度、硬度,冲击韧性、疲劳特性、耐磨性,变 形,材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化,弹性变形,外力去除后可以恢复的变形,塑性变形,外力去除后不能够恢复的变形,11/15/2024,第一节 力学性能指材料在外力或能量以及环境因素作用下表现出的,12,拉伸试验及曲线,拉伸试验,评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸试验,11/15/2024,拉伸试验及曲线拉伸试验评价材料力学性能最简单和最有效的方法就,13,低碳钢应力-应变曲线,=P/F,应 力,应 变,=L/L,0,A,A,D,弹性极限载荷,极限载荷,E,比例极限载荷,屈服强度,b,s,p,C,B,11/15/2024,低碳钢应力-应变曲线=P/F应 力应 变=,14,1、弹性与刚度,指不产生永久变形的能力,材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力,E,标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚度；,E,越大，材料越不易发生弹性变形,弹性模数,E,衡量,弹性,刚度,刚度由,E,=,/,决定,零件刚度,零件抵抗弹性变形的能力,材料在弹性范围内应力与应变的比值/,零件刚度是材料,E,和零件形状与截面尺寸的函数。提高零件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状,11/15/2024,1、弹性与刚度指不产生永久变形的能力材料在外力作用下抵抗弹性,15,2、强 度 与 塑 性,强 度,材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力,屈服强度,试件,屈服,时承受的最小应力,s,；,基本上所有的机械零件都不允许塑性变形，所以强度计算常用屈服极限,s,根据外力的作用方式，有多种强度指标，如：抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等等。其中以拉伸试验所得的强度指标应用最为广泛,屈 服,应力不增加，但应变增加的现象,注：,工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的,0.2,%时所对应的应力值为材料的屈服强度，用,0.2,表示,屈服极限是具有屈服现象的材料所特有的强度指标，除低碳钢、中碳钢等少数合金钢之外，大多数合金都没有屈服现象。,在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一,11/15/2024,2、强 度 与 塑 性强 度材料在外力作用下抵抗塑性变形和,16,CD段位均匀塑性变形阶段，在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化D点以后，试样的局部截面积开始急剧缩小，形成缩颈。试样承受拉伸力的能力逐渐下降，当到达E点时，试件断裂。,抗拉强度,定义,试件断裂前所承受的最大拉力，用,b,表示,抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，说明材料抵抗断裂的能力越强,塑 性,材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力,塑性的常用指标,伸长率,(L,1,-,L,0,),/L,0,100%,L,0,为原长，,L,1,为断裂后长度；,断面收缩率,(F,0,-F,1,)/F,0,100%,F,0,为试件原始截面积,，F,1,为断口处的截面积,和愈大,，材料的塑性愈好，通常更接近真实应变,11/15/2024,CD段位均匀塑性变形阶段，在这一阶段，应力随应变增加而增加，,17,3、硬 度,定义：,材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标；多用压入法测定,硬度,布氏硬度,(HB),洛氏硬度,(HR),维氏硬度,(HV),根据测定,方法的不同,注,：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度对照表换算,硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，它是标志产品质量的重要依据,硬度测试设备和方法都非常简单，在生产中得到广泛应用，而且一般还可在零件上直接试验而不破坏零件，在零件图纸上，已成为为一项重要技术指标。,11/15/2024,3、硬 度定义：材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软,18,布氏硬度,(HB),试验用压头为一淬火钢球,过硬材料会使钢球变形甚至破坏,它的使用范围不能超过,HB450,对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度,缺点,：,优点,：,测量误差小，数据稳定,压痕大，不能用于太薄件或成品件,11/15/2024,布氏硬度(HB)试验用压头为一淬火钢球过硬材料会使钢球变,19,洛氏硬度,(HR),优 点,根据压头的材料及压头所加的负荷,HRA、HRB、HRC,HRA,适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层,HRB,适用于测量有色金属和退火、正火钢等,HRC,适用于调质钢、淬火钢等,HR,操作简便、迅速,压痕小，可测量成品件,硬度值可直接从表盘上读出,注：,因压痕小，受材料组织不均匀因素很大，所以对同一测试件，应在不同部位测取三点后取平均值,11/15/2024,洛氏硬度(HR)优 点根据压头的材料及压头所加的负荷HR,20,维氏硬度,(HV),维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同,不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小,优点,：,2、,维氏硬度值比布氏、洛氏精确,1、,深度浅,3,、改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度,11/15/2024,维氏硬度(HV)维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同不同点是压,21,4、冲击韧性,定义：,材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力,k,是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲击功，单位,J/cm,2,表示方法：,特 点：,k,值愈大，材料韧性愈好,k,值低的材料称为脆性材料,k,值随温度的下降而下降,冷脆现象,材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象,摆锤式冲击试验,11/15/2024,4、冲击韧性定义：材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不,22,5,、疲 劳,定义：,材料在,交变载荷,的作用下，在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象,特 点：,突发性，没有先兆,疲劳极限,材料在规定次数（钢材为,10,7,次，有色金属及合金取,10,8,次）交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力,用,r,表示,提高疲劳强度的方法,1,、选择合适的材料；,2,、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙度，进行表面强化。,大小或方向随时间而变化的载荷,11/15/2024,5、疲 劳定义：材料在交变载荷的作用下，在远低于其屈服强度,23,第二节 材料的物理、化学性能,化学性能,物理性能,密度,熔点,热膨胀性,导热性,导电性,磁性,耐腐蚀性,抗氧化性,11/15/2024,第二节 材料的物理、化学性能化学性能物理性能密度耐腐蚀性10,24,物理性能,密 度,熔 点,热膨胀性,材料单位体积的质量,密度小于,5,10,3,Kg/m,3,的金属称为,轻金属,密度大于,5,10,3,Kg/m,3,的金属称为,重金属,材料的熔化温度,陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点,高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点,材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示,对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标,11/15/2024,物理性能密 度熔 点热膨胀性材料单位体积的