金工第123章金属材料性能晶格状态图课件.ppt

1、金属工艺学金属工艺学金属工艺学是一门研究金属性质、铸造、锻压、焊接和切削加工的综合性的专业基础课。通过对金属工艺学内容学习，了解和掌握金属材料及机械零件加工工艺的基础知识，为学习后续有关课程，并为以后从事涉及机械设计与制造方面的工作打下良好的基础。工科院校学生学习本课程的目的和意义工科院校学生学习本课程的目的和意义:金属工艺学金属工艺学的主要内容金属材料与热处理铸造、锻压与焊接切削加工、表面加工工业技术学课程基本要求工业技术学课程基本要求n1、了解机械产品的生产过程和机械制造厂的、了解机械产品的生产过程和机械制造厂的生产结构。生产结构。n2、了解常用金属材料的性能、用途和牌号。、了解常用金属材

2、料的性能、用途和牌号。n3、了解各种主要加工方法的工艺特点及其基、了解各种主要加工方法的工艺特点及其基本原理。本原理。n4、了解机械制造厂各种主要设备和工具的工、了解机械制造厂各种主要设备和工具的工作原理和应用范围。作原理和应用范围。机械的种类n机器：由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用的机器：由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用的功的装置。功的装置。n机械：利用力学原理组成的各种装置、杠杆、滑轮、机机械：利用力学原理组成的各种装置、杠杆、滑轮、机器以及枪炮等都是机械。器以及枪炮等都是机械。n机械按其功能可分为三类：机械按其功能可分为三类：n1、产生机械能的机械、产生机械能的机械。它可

3、将其它种类的能转变为机械。它可将其它种类的能转变为机械能，称为原动机，例如蒸汽机、柴油机、电动机等。能，称为原动机，例如蒸汽机、柴油机、电动机等。n2、转变机械能的机械、转变机械能的机械。和前者相反，它可将机械能转变。和前者相反，它可将机械能转变为其它种类的能，称为变换机，例如发电机、空气压缩为其它种类的能，称为变换机，例如发电机、空气压缩机等。机等。n3、利用机械能的机械、利用机械能的机械。它用来改变原材料或工件的性质、。它用来改变原材料或工件的性质、状态、形态和位置等，称为工作机，例如各种机床、锻状态、形态和位置等，称为工作机，例如各种机床、锻锤、农业机械、采掘机、汽车等。锤、农业机械、采

4、掘机、汽车等。机械产品制造的过程机械产品制造的过程n设计设计 真正的设计是一门艺术真正的设计是一门艺术 设计是一种构思。设计一般是根据用户设计是一种构思。设计一般是根据用户的需要，由技术部门来完成的一项先行的需要，由技术部门来完成的一项先行工作。对机械产品的设计要求，必须是工作。对机械产品的设计要求，必须是技术要先进，机械化（尽量不用手工操技术要先进，机械化（尽量不用手工操作）和自动化（数控、自动线、流水线）作）和自动化（数控、自动线、流水线）程度要高；性能要好（无噪音、平稳）；程度要高；性能要好（无噪音、平稳）；工作可靠和安全；以及成本低工作可靠和安全；以及成本低设计过程一般有三个阶段：na

5、、确定极限参数；例如设计一部车床，首先、确定极限参数；例如设计一部车床，首先就要确定最大车削长度，和最大回转直径两个就要确定最大车削长度，和最大回转直径两个重要参数。重要参数。nb、受力分析和计算；确定参数后，就要进行、受力分析和计算；确定参数后，就要进行草图设计，根据草图进行受力部分的分析和计草图设计，根据草图进行受力部分的分析和计算，以便选取不同的材料，保证受力零件在工算，以便选取不同的材料，保证受力零件在工作过程中安全可靠。作过程中安全可靠。nc、绘制机械总图、各个部件装配图和零件工、绘制机械总图、各个部件装配图和零件工作图，编制技术说明书。作图，编制技术说明书。课程性质、任务和学习要求

6、课程性质、任务和学习要求1.课程性质课程性质 专业基础课专业基础课(为学习管理等专业课打基础为学习管理等专业课打基础)2.学习任务和要求学习任务和要求 1）掌握常用金属材料的掌握常用金属材料的主要性能主要性能；2 2）掌握零件的）掌握零件的加工工艺加工工艺知识；知识；3 3）了解）了解零件加工工艺所涉及的零件加工工艺所涉及的基本设备基本设备。材料导论材料导论n金属材料的作用n材料材料与人类的出现和进化有着密切的联系，因而它们的名字已经作为人类文明的标志。例如，石器时代、青铜时代和铁器时代。n公元前16世纪以前的殷商时代，已大量使用青铜，并已具有高超的冶铸技术和精湛的艺术造诣；公元前4世纪以前的

7、春秋战国时期出现了铁器，铸铁的生产比欧洲约早一千多年。n我国的钢产量在1996年突破了一亿吨，达到世界第一。世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥(如生产一根如生产一根“轴轴”)材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。现在新

8、材料现在新材料-纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱 材料按材料按物质结构物质结构不同分不同分：金属材料金属材料、非金属材料非金属材料（有机高分子材料和陶瓷（有机高分子材料和陶瓷料料)、复合材料复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分：机械工程材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按材料按功能功能不同分不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等材料发展概括材料发展概括 天工开物天工开物明朝科学家：宋应星明朝科学家：宋应星 箸箸 石器时代石器

9、时代陶器时代陶器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）世纪）1130113078078011001100战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具）铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T,50T,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等本草纲目本草纲目农政全书

10、农政全书李时珍李时珍徐光启徐光启 智能材料智能材料 n工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。n金属材料金属材料是现代制造机械的最主要材料。主要是由是现代制造机械的最主要材料。主要是由于它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能：于它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能：1、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等。焊接性能、热处理性能、机加工性能等。n 2、较好的使用性能，包括物理

11、性能、化学性能、较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能力学性能等。（第一章）等。（第一章）n金属材料以合金为主，很少使用纯金属。金属材料以合金为主，很少使用纯金属。n合金是以一种金属为基础，加入其它金属合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料。成的具有金属特性的材料。n最常用的合金，有以铁为基础的最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。第第1章章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能n教学重点：金属材料的力学性能教学重点：

12、金属材料的力学性能 n教学难点：教学难点：-曲线特点曲线特点第第1节节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 n力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。力学性能指标，是所反映出来的性能。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。选择、使用金属材料的重要依据。n金属材料的力学性能主要有：强度、塑金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。一、强度与塑性一、强度与塑性 L0LKd0拉断拉断前前试样试样拉拉断断后后试样试样试样按试样按GB639786制取，制取，分长试样分长试样L0=10d0短短试

13、样试样 L0=5d0说明说明：bkse拉伸力拉伸力 F O伸长量伸长量 LFsFbFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线FF0AFbb%10000 LLLk 0AFss 拉伸过程经历四个阶段：拉伸过程经历四个阶段：1.弹性变形弹性变形（OS）Oe段：直线阶段，完全弹性变形段：直线阶段，完全弹性变形eS段：极微量塑性变形段：极微量塑性变形 2屈服（屈服（s点点）弹性变形：弹性变形：去除外力后能完全恢去除外力后能完全恢 复到原来的形状。复到原来的形状。塑性变形：塑性变形：外力消除后仍存在的外力消除后仍存在的 永久变形。永久变形。3均匀塑性变形阶段：（均匀塑性变形阶段：（sbsb）4 4缩颈（缩颈

14、（bkbk）-局部集中塑性变形局部集中塑性变形应力应力:=F F/A A0 0 （MPa）应变应变:=L L/L L0 0抗拉强度抗拉强度b：金属材料被拉断前所能承受的最大应力。金属材料被拉断前所能承受的最大应力。b=F b/A 0强度强度:是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。屈服强度屈服强度s：材料开始明显塑性变形的抗力材料开始明显塑性变形的抗力，即产生屈服现象时的，即产生屈服现象时的应力。应力。s=F s/A 0 弹性极限弹性极限e：材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。e=F e/A 01、强度、强度（stre

15、ngth）说明说明：单位面积上的内力称应力单位面积上的内力称应力。读sigmsigmL长度长度 Length 单位单位：mmmmA截面积截面积 Area Area 单位单位：mmmm2 2 F外力外力 Force 单位单位：N s屈服点的值（选择锻压设备外力的依据）屈服点的值（选择锻压设备外力的依据）单位：MPa（兆帕）mega pascal 屈服点屈服点概念：力不增加仍能继续伸长时的应力力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：s 表示抗拉强度抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力试样拉断前所承受的最大拉应力。用b表示 补充：bb 表示抗弯强度抗弯强度注：s 、b 是设计与选材的重要依据是设计与选

16、材的重要依据 b校核零件安全的依校核零件安全的依据据 另：e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。MPaAFbb0 中、高碳钢和其他脆中、高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服性金属材料无明显屈服现象，国家标准以产生现象，国家标准以产生0.2%塑性变形的应力塑性变形的应力来表示屈服强度，即：来表示屈服强度，即：0.20.2=F F0.20.2/A A0 0 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、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评定金属材料时有重要意义。机械零件多机械零件多s以作为强度设计的依

17、据。对于脆性材料以作为强度设计的依据。对于脆性材料在强度计算时，则以在强度计算时，则以b为依据。为依据。2、塑性塑性 plasticityplasticity概念概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据判据：断后伸长率断后伸长率 、断后断面收缩率、断后断面收缩率断后伸长率断后伸长率 Percentage elongation after fracture概念概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比试样断后标准的伸长量与标准的百分比。用符号用符号 表示，读作 代儿特%100XLoLoLk 其中：其中：L Lk k断后试样长度断后试样长度 L Lo

18、o试样原始长度试样原始长度断后断面收缩率断后断面收缩率概念概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。用符号用符号 表示，读作扑洒哎说明说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小表示塑性大小。、越越大，材料的塑性越好。通常认为大，材料的塑性越好。通常认为 0.9%后，其后，其HB，b、ak二、二、状态图中的特状态图中的特性点、线、区域组性点、线、区域组织织钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的的关系关系特性特性点点：特性特性线线：1、ACD线；线；2、AECF线线固相线固相线液相线

19、液相线（其中其中AEAE线是线是碳钢碳钢固线）固线）3、ECF线线共晶转变线共晶转变线 LLd4、GS线线（又称（又称A3线）线）5、ES线（又称线（又称Acm线）线）6、PSK线线共析转变线共析转变线 A p（又称（又称A1线）线）三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过过共析钢共析钢AF+ALEA+Fe3CL+A三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析AEGPQSFeLAL+AFF+A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.772.11、共析钢、共析钢 WC=0.77%123P、亚共析钢、亚共析钢123412344LL+AAF+AAPP+F冷却曲线冷却曲线过过共析钢共析钢 WC=1.0%状态图的应用：状态图的应用：参看参看P27Fe-Fe3C状态图的应用状态图的应用n（1）确定合适的浇注温度）确定合适的浇注温度 n（2）可以选择适于铸造的合金成分，接近）可以选择适于铸造的合金成分，接近共晶成分共晶成分4.3左右为好左右为好 n（3）可以确定不同含碳量的钢的轧制和锻）可以确定不同含碳量的钢的轧制和锻造的加热温度造的加热温度 n（4）是选择热处理加热工艺的理论依据）是选择热处理加热工艺的理论依据 习题习题n强度的概念，n工程上衡量强度、塑性的常用指标。n复习题