工程材料及成形技术


    主讲:江星莹联系方式: Cell:18960871818 QQ:40341178 Email:fzujxy@fzu.edu.cn课 程 内 容 ➢工程材料学 ➢成形技术 工程材料及成形技术引: 热处理 热处理 机械制造的一般生产过程: 工程材料 成形(半成品) 精加工 机械零件 装配使用一、材 料 ➢制造物品所需的原料。 ➢经过某种加工(开采、运输),具有一定的组分、结 构和性能,适用于一定用途的物质。 ➢材料的利用和发展构成了人类文明史的里程碑。 ➢材料、信息和能源是现代科技的三大支柱。二、工程材料及分类 ➢工程技术中应用的材料,工程机械装备的重要构成。 分类:金属(钢铁、非铁) 非金属(塑料、陶瓷……) 复合材料 尼龙齿轮 镁合金汽车轮毂三、成形技术 ➢通过一定工艺、手段使材料具备某种形状,以便加工 成装备部件的方法。 ➢液态成形、塑性成形、连接成形……四、课程的学习要求 能根据机器零件的形状尺寸、使用条件和技术要求, 合理选择材料,确定科学的成形方法,拟定经济的制造 工艺。 例:齿轮……教材及参考资料 工程材料及成形技术(教材) 林建榕 2009 工程材料及其成形技术基础 申荣华,丁 旭 2008 机械工程材料及其成形技术 赵程,杨建民 2009 工程材料及成形工艺 王爱珍 2010.9金属材料及其应用 ➢金属材料的主要性能 ➢金属材料的组织结构 ➢钢铁材料的改性处理 ➢钢铁材料的应用 第 一 篇第一章 金属材料的主要性能 (1)使用性能: ➢力学性能 ➢物理性能 ➢化学性能 (2)工艺性能: ➢ 切削加工性能 ➢ 液态成形性能 ➢ 塑性成形性能 ➢ 焊接成形性能 ➢ 热处理性能 材料的性能:使用性、工艺性第一节 金属材料的力学性能 ➢力学性能:金属在外力作用下所表现出的性能。 加载方式 加载速度 加热环境 强度 硬度 塑性 韧性 疲劳强度一、强度 概念:外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 抗拉强度——拉应力 抗压强度——压应力 抗弯强度——弯曲应力 抗扭强度——扭转应力 抗剪强度——剪切应力 类型? 疲劳强度——循环、交变应力 高温强度——高温环境 低温强度——低温环境15 1、材料拉伸时的力学性能——静力拉伸试验 (一)试验条件及试验仪器 1、试验条件:常温(20℃);静载(极其缓慢地加载); 2、试验对象:标准试件——圆棒型、板件标准试样 。 d l16 标准试件:圆截面试件 长试样 短试样 dL 100 = dL 50 = ,标准试件:板试件 长试样 短试样 00 3.11 SL = 00 65.5 SL =17 试验设备:万能试验机 详见国家标准 《金属材料 室温拉 伸试验方法》(GB/T 228),该标准详细规 定了实验方法和各项 要求。材料 试验机 An universal testing machine19 测量变形的传感器 硬塑料的物性关系曲线20 EEA P L L  === (二)低碳钢试件的拉伸图(P—L图) EA PLL =O1 O2 f1(f)  (MPa) 200 400  0.1 0.2O a E=tga c(s 下)(e) a b(s 上) B(b) k 冷作硬化 线弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 低碳钢拉伸应力应变曲线 颈缩阶段 d (三) 低碳钢 试件的 应力-- 应变曲 线( --  图)22 (1) 低碳钢拉伸的弹性阶段 (oa段) 1、op -- 比例段: p -- 比例极限 E  = atg=E 2、pe --曲线段: e -- 弹性极限 )( nf  = a b23 (2) 低碳钢拉伸的屈服(流动)阶段 (bd 段) 滑移线24 2、卸载定律: 1、b---强度极限 3、冷作硬化: (3)低碳钢拉伸的强化阶段 (dB 段) 25 卸载规律:试样加载到超过屈服强度后卸载,卸 载线平行OP;若再次加载,加载线沿卸载线上升, 因此加载的应力应变关系符合虎克定律。 冷作硬化:材料被预拉到强化阶段,然后卸载, 当再次加载时,比例极限提高但使 塑性降低的现象称为冷作硬化。 如经冷拉处理的钢筋26 1、延伸率: 001 100−= L LL 2、截面收缩率: 001 100−= A AA 3、脆性、塑性及相对性 为界以 005= (4)低碳钢拉伸的颈缩(断裂) 阶段 (B f 段) 屈服极限: 0A Ps s = 0A Pb b =抗拉强度:σe,E 1)弹性阶段 2)屈服阶段 3)强化阶段 2、强度指标 屈服点σs和抗拉强度σb是反 映材料强度的两个性能指标, 也是拉伸试验中需要测定的 重要数据。σ0.2——对应于试样产生 0.2%的塑性应变时的应力值 为材料的屈服强度 1)对塑性低的材料(如铸 铁),没有明显的屈服点 3、其他材料的屈服极限29 2)无明显屈服现象的塑性材料 此类材料 与低碳钢共同 之处是断裂破 坏前要经历大 量塑性变形, 不同之处是没 有明显的屈服 阶段。 图 规定非比例延伸强度30 3)脆性材料在拉伸时的力学性能 1)灰口铸铁拉伸时的应力- 应变关系,它只有一个强 度指标且抗拉强度较低; 2)在断裂破坏前,几乎没 有塑性变形; 3)关系近似服从虎克定律, 并以割线的斜率作为弹性模 量。3、动载疲劳强度 ➢金属材料抵抗循环、交变外力而不破坏的能力 ➢疲劳极限(疲劳强度):材料经N次应力循环而不发 生疲劳断裂的最高应力值(σ-1)。 σ-1 ——对称弯曲疲劳强度4、高温下材料的力学性能 ➢高温短时工作——高温瞬时强度 ➢高温长期小应力工作——高温蠕变 ➢蠕变——是指在高温长时间应力作用下,即使 所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的现象 ➢高温长期外力作用——高温持久强度材料在高温下的力学性能指标: 蠕变极限:在高温下载荷长期作用时, 材料对塑性变形的抗力 ,t t:温度,:稳态蠕变速率 5 500 1 10 500MPa − =如: 在规定温度t(500℃)下,使试样在规定时间内(如 10000h)产生的稳态蠕变速率ε不超过规定值的最大应力。持久强度:在高温下载荷长期作用时, 材料对断裂的抵抗能力 t:t , 温度,:持续时间 在规定实验温度下达到规定的持续时间而不发生断裂 的最大应力值。 MPa500500 105 =二、塑性 概念:金属材料在外力作用下产生塑性变形而不 破坏的能力 标定:延伸率、断面收缩率>5%——塑性材料 如低合金钢、碳素钢和青铜等  <5%——脆性材料 如铸铁、混凝土、石料等 n——长试样和短试样的标志。延伸率与试样尺寸有关, δ5>δ10( δ) %L LLδn 100 0 01 −=延伸率: %100 0 10 −= A AA断面收缩率:38 新标准来自 GB/T228— 2002《 金属 材料 室温 拉伸试验方 法》 性能名称 旧标准 新标准 断面收缩率 ψ Z 断后伸长率 δ5 δ10 A A11.3 上屈服强度 σsU ReH 下屈服强度 σsL ReL 屈服强度 σs —— 抗拉强度 σb Rm ◼ 室温拉伸试验新旧标准符号对照三、硬度 概念:材料抵抗局部塑性变形的能力 标定:布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度压头材料 淬火钢球 硬质合金球 符 号 HBS HBW 适用范围 <450 450~650 1、布氏硬度(HB)——根据压痕直径 布氏硬度计 查表 )dDD(D F204.0HB 22 −− = 标 注 ◆150HBS10/1000/30: 10mm淬火钢球在1000kgf载荷作用下,保持30s测得 的布氏硬度 为150 ◆200HBS: 10mm淬火钢球在3000kgf载荷作用下,保持10s测得 的布氏硬度 为200优点: ◆ 代表性全面,主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁 的硬度测试,特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金 等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料 ; ◆ 试验数据稳定,重复性强。 缺点: ◆ 对不同材料需要更换压头直径和改变试验力; ◆ 压痕直径的测量也比较麻烦,用于自动检测受到限 制; ◆ 另外当压痕直径较大时不宜在成品上进行试验,也 不宜于薄件试验 。2、洛氏硬度(HR) ——根据压痕深浅 HR 测量原理图 洛氏 硬度计加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值 原理: 002.0 )(HR 01 hhk- −= k=0.2(金刚石) 或0.26(淬火钢球) 0-0为压头与试样不接触位置; 1-1为压头受初载P0后压入试样深度h0的位置; 2-2为加主载P1后压头压入试样的位置; 3-3为去主载荷后压头由于试样弹性变形的恢 复而略提高的位置,此时实际压入试样深度为 h1, 则压头受主载荷而压入试样深度为h1-h0。 h1-h0的数值越大,表示试样越软,反之越硬。符号 压 头 总载荷 (kgf) 表盘上刻 度颜色 应用 范围 应 用 举 例 HRA 120°金刚石 圆锥体 60 黑 线 60~85 碳化物、硬质合金、 表面硬化工件 HRB Φ1.588淬火 钢球 100 红 线 25~10 0 软退火、正火钢、 有色金属 HRC 120°金刚石 圆锥体 150 黑 线 20~67 淬火钢、调质钢 钢球压头与 金刚石压头优点: 1)因有硬质、软质两种压头,故适于各 种不同硬质材料的检验,不存在压头变 形问题; 2)压痕小,不伤工件表面; 3)操作迅速,立即得出数据,生产效率 高,适用于大量生产中的成品检验。 缺点:压痕较小,代表性差;若材料 中有偏析及组织不均匀等缺陷,则所 测硬度值重复性差,分散度大;用不 同标尺测得的硬度值彼此没有联系不 能直接比较。3、维氏硬度(HV) ——根据压痕的表面积 12 2 ddd += 压头:两相对间夹角为 136°的金刚石四棱锥体640HV30/20:30kgf载荷保持20s(10~15s不 标注),测得的维氏硬度值为640 因为压痕尺寸较小,为了提高测量精度,需要配用 显微放大装置,这就是显微维氏硬度(显微硬度)。 22 8544.12 136sin2 d P d P HV ==优点:具有另外两种试验的优点而摒弃了它们的缺 点(不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径 D之间所规定条件的约束,也不存在洛氏硬度试验时 不同标尺的硬度值无法统一的弊端);试验力可任 意选取;压痕测量的精度较高,硬度值较为精确。 压痕深度浅,适于测定经表面处理零件表面层的硬 度或薄件硬度。 缺点:硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能 进行计算或查表,工作效率比洛氏硬度法低得多。常用硬度的比较 单位 压头 载荷 /kgf 硬度范围 HBS 钢球 ≤3000 ≤ 450 HBW 硬质合金球 ≤3000 450~650 HRA 金刚石圆锥 60 20~88 HRB 钢球 100 20~100 HRC 金刚石圆锥 150 20~70 HRD 金刚石圆锥 100 40~77 类别 布氏硬度 洛氏硬度 HV 金刚石棱锥 5~120 <1300维氏硬度 应用 有色合金,退正火调质钢 淬火、调质钢 碳化物、硬质合金 有色合金,退正火钢 淬火、调质钢 薄钢板、表面硬化工件 各种硬度工件常用硬度的换算 硬度换算公式 HB和HV: HB≤400时, HB≈HV HB>400时, HB<HV HR和HB、HV :钢材硬度换算 σb≈3.4HB (HB=125~175) σb≈3.6HB (HB>175) HRC≈2HRA-104 (HRC=20~60) HB≈10HRC (HRC=20~60) HB≈2HRB 钢材强度、硬度换算四、冲击韧度 概念:金属材料抵 抗冲击载荷的能力。 摆锤式冲击试验机冲 击 试 样夏比冲击试验机示意图ak值低——脆性材料,断裂时无明显变形,金属 光泽,呈结晶状 ak值高——韧性材料 ,明显塑变,断口呈灰色纤 维状,无光泽 )(标准试样断口截面积 冲击破坏所消耗的功 2/ cmJF Aa K K = Ak=G(H-h) Titanic 近代船用钢板温度 对冲 击韧 度的 影响 ❖ ★材料的冲击韧性随温度下降而下降 ❖ ★韧脆转变温度:在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变,发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度 ❖ ★材料的使用温度应高于韧脆转变温度常见金属力学性能 元素符号 Al Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn 抗拉强度σb /MPa 80~ 110 200 ~ 240 200 400 ~ 500 250 ~ 330 250 ~ 300 18 20 伸长率δ/% 32~ 40 45~ 50 11.5 35~ 40 25~ 55 50~ 70 45 40 断面收缩率ψ/% 70~ 90 65~ 75 12.5 60~ 70 70~ 85 76~ 88 90 90 布氏硬度/HB 20 40 36 80 65 100 4 5五、物理性能 元素符号 Al Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn 密度,kg/m3×103 2.70 8.94 1.74 8.9 7.86 4.51 11.34 7.3 熔点,℃ 660 1083 650 1455 1539 1660 327 232 相对导电率,% 60 95 34 23 16 3 7 14 导热系数, W/(m·℃) 2.09 3.85 1.46 0.59 0.84 0.17 ——六、化学性能 ➢金属在常温或高温抵抗各种介质化学作用的能力。 抗氧化性(热稳定性):材料在加热时抵抗氧化作 用的能力。(Cr、Si等可提高钢的抗氧化性。) 耐腐蚀性:常温下材料抵抗氧、水蒸气及其它化学 介质腐蚀的能力。(C钢、铸铁的耐蚀性较差;Ti合 金、不锈钢、Al、Cu合金的耐蚀性较好。)七、工艺性能 ➢金属材料适应加工工艺要求的能力 ➢可铸性——流动性、收缩性、偏析 ➢可锻性——塑性、变形抗力 ➢可焊性——碳当量 ➢切削性——表面粗糙度、刀具寿命 ➢热处理性能——淬透性重点难点分析: ➢低碳钢的单向静载拉伸应力-应变曲线 ➢金属的力学性能指标 ➢衡量强度、塑性、硬度的指标 ➢强度与刚度的区别,材料的刚度和零件的刚度的 区别 ➢名词解释:疲劳强度、蠕变、复合材料……金属材料力学性能的 影响因素?思考 Eg. 1、室温下铁、铜、镁谁的硬度高? 2、钢和铁谁的硬度高? ……

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