1、.金属工艺学金属工艺学 邓文英邓文英 第四版第四版任课教师任课教师 万淑敏万淑敏.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。 .绪论绪论n什么叫金属工艺学？什么叫金属工艺学？ 它是一门研究有关制造金属零件工艺方它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。法的综合性技术基础课。n主要
2、研究：主要研究：（1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制）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；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；）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；）常用金属材料性能对加工工艺的影响；（4）工艺方法的综合比较）工艺方法的综合比较.产品制造的过程产品制造的过程.课程性质、任务和学习要求课程性质、任务和学习要求课程性质课程性质 技术基础课技术基础课学习任务和要求学习任务和要求 1）掌握常用金属材料的主要性能；掌握常用金属材料的主要性能； 2 2）掌握零件的加工工艺知识；）掌握零件的加工
3、工艺知识； 3 3）培养工艺分析的基本能力）培养工艺分析的基本能力。 .第一篇第一篇 金属材料导论金属材料导论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
4、、热处理性能、机加工性能等。n 2、较好的使用性能，包括物理性能、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。.第一章第一章 金属材
5、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：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.第一节第一节 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 .拉伸过程经历四个阶段：拉伸过程经历四个阶段：1
6、. 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（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
7、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 0一、强度一、强度（strength）. 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
8、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(plasticity)塑性塑性: :是指金属产生塑性变形而不被破坏的能力。是指金属产生塑性变形而不被破坏的能力。(1) 伸长率伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：式中：L0试样原标距的长度（试样原标距的长度（mm） L1试样拉
9、断后的标距长度（试样拉断后的标距长度（mm） .2、塑性（、塑性（2）(2) 断面收缩率断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积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。的相对收缩值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中：A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2） A1试样断面处的最小截面积（试样断面处的最小截面积（mm2） 和和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金愈大，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。属材料进行塑性加工的必要条件。.二、硬度二、硬度（hardness）n硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性硬度是衡量金属材料软硬程度的一种
10、性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。切削加工性。n硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。高度法等。n金属材料的硬度可用专门仪器来测试，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。常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。 .布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验原理图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。适用于未经淬火的钢、铸铁、有色适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。金属或
11、质地轻软的轴承合金。.根 据 压 头 形 式 和 载 荷 不 同 有 三 种 标 度 （根 据 压 头 形 式 和 载 荷 不 同 有 三 种 标 度 （ H R A , HRB,HRC） ，能够测试从软到硬各种硬度的材料，能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC应用最广，可用于测硬度很高的材料。应用最广，可用于测硬度很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002当硬度在当硬度在200600HB, HRC1/10HB硬度一般不标单位，如硬度一般不标单位，如200HB, 55HRC2洛氏硬度洛氏硬度(HR) （以压痕深度表示）（以压痕深度表示）.布氏硬度与布氏硬度与洛氏硬度洛氏硬度的特点比
12、较的特点比较 布氏硬度的特点：布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，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，一般在的材料，一般在HB450以上的就不能使用。以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。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。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：洛氏硬度的特点： 洛氏硬度洛氏硬度HRHR可以用于硬度很高的
13、材料，而且压痕很小，几乎不损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。伤工件表面，故在钢件热处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。偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。 .冲击韧度（冲击韧度（ak） n金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲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冲击韧度(
14、 (大能量、一次冲断）大能量、一次冲断）。n 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料试验表明，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。承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。n冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上冲击值对组织缺陷很敏感，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用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。方法。.n夏比冲击试验夏比冲击试验 1. 1.试验原理试验原理 式中：式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（折断试样所消耗的冲击功（J） A试样断口处的原始截面积（试样断口处的原始截面积（cm2） 对于脆性
15、材料试样一般对于脆性材料试样一般不开缺口不开缺口冲击韧度冲击韧度K =AK/A .疲劳强度疲劳强度 n 当金属材料在当金属材料在无数次重复无数次重复或交变载荷作或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。疲劳强度。n 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。曲疲劳试验机上测定。 n在在循环载荷循环载荷作用下，材料承受一定的循作用下，材料承受一定的循环应力环应力和断裂时相应的循环次数和断裂时相应的循环次数N N之之间的关系可以用曲线来描述间的关系可以用曲线来描述 .- -N N曲线曲线 无数次应力循环，对于钢材
16、为无数次应力循环，对于钢材为107，有色金属和某些超高强度钢常取，有色金属和某些超高强度钢常取108。 .二、金属材料的物理、化学及二、金属材料的物理、化学及工艺性能工艺性能 一、金属的物理性能一、金属的物理性能1 密度密度2 熔点熔点3 导热性导热性4 导电性导电性5 热膨胀性热膨胀性6 磁性磁性.二、金属的化学性能二、金属的化学性能 它是金属材料在它是金属材料在室温或高温室温或高温时抵抗各种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作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力。化学侵蚀能力。 1. 耐腐蚀性耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等如耐酸性、耐碱性等) 2抗氧化性抗氧化性 3
17、化学稳定性化学稳定性.金属的工艺性能金属的工艺性能 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，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可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等 一、铸造性能一、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。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。 二、锻造性能二、锻
18、造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。抗力越小，金属的锻造性能越好。 .三、焊接性能三、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。要求的能力。四、切削加工性能四、切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的难切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。易程度。.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5
