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1、金属材料与热处理金属材料与热处理金属材料的力学性能金属材料的力学性能2一、金属材料与热处理的发展史一、金属材料与热处理的发展史n四千多年前，我国开始使用青铜器；n三千年前，接触了铁，冶炼生铁；n战国时期，开始采用脱碳退火处理；n秦汉以后，表面淬火开始广泛应用；n现在，我国在工程材料科学方面与发达国家比，有一定差距。3秦代铜车马45勇气号火星探测器6二、设立本课程的意义（二、设立本课程的意义（1）金属材料是最重要的机械工程材料，广泛应用在工业、农业、国防和科技领域。机械性能、物理性能和化学性能；工艺性能7二、设立本课程的意义（二、设立本课程的意义（2）实际需要（用途）选择材料（成分）制定加工工艺
2、（内部组织结构）n金属材料与热处理，就是研究金属材料的金属材料与热处理，就是研究金属材料的性能性能与与它的它的成分成分以及以及内部组织结构内部组织结构和和用途之间的关系用途之间的关系、改变改变金属材料金属材料性能的途径性能的途径，以及各种，以及各种常用金属材常用金属材料料的介绍。的介绍。 成品（具有一定性能）8三、课程内容和学习要求三、课程内容和学习要求n1、金属学的基本知识：力学性能、晶体结构、铁碳合金相图等；n2、熟悉金属材料成分、组织结构、性能之间的关系和变化规律；n3、掌握常用金属材料的牌号、性能及应用，初步具有合理选择材料的技能；n4、了解热处理的原理、特点、工艺过程及应用，初步具有
3、选定热处理方法及工序位置的能力；n5、具有一定的分析问题和解决问题的能力。9四、本课程的学习与考核四、本课程的学习与考核n1、课程内容的规律： 成分组织性能n2、课程特点： 名词多，总结多，实践性强，密切联系实际；n3、考核方式： 期末试卷 （50%）+ 平时综合（50%） 平时综合包括：到课情况、上课回答问题、课后作业的完成情况等等。10金属材料的性能金属材料的性能 使用使用性能：（力学性能、物理性能、化学性能等） 工艺工艺性能：（铸造性能、锻压性能、热处理性能、切削加工性能等）11金属的力学性能 是指金属在外力作用下在外力作用下，抵抗变形与抵抗变形与断裂的能力及发生变形的能力断裂的能力及发
4、生变形的能力。这种能力的大小、强弱用力学性能指标来衡量和比较。 常用力学性能指标： 强度、塑性、硬度、韧性及疲劳极限强度、塑性、硬度、韧性及疲劳极限等。模块一 金属的力学性能12【知识点】1.理解常用力学性能指标的含义力学性能指标的含义：强度、硬度、塑性、韧性及疲劳极限强度、硬度、塑性、韧性及疲劳极限等。2.了解常用物理性能和化学性能对材料的应用范围、产品质量及工艺性能的影响。1、掌握硬度硬度的测试方法及其应用；2、了解强度、塑性、冲击韧度及疲劳极限等力学性能指标的测试方法及其应用；指标的测试方法及其应用；3、能根据机件的工作条件，分析对其制造材料力学性能的要求。【技能点】13课题课题1 强度
5、与塑性强度与塑性141、载荷载荷：金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力受到的各种外力统称为载荷，符号F，可分为： 静载荷：大小和方向不变，或变化很慢 冲击载荷：短时间内作用于材料 变动载荷：大小甚至方向随时间变化一、载荷、变形与应力【任务提出】：钢丝绳的选择【任务分析】：钢丝绳能承受的载荷取决于钢丝绳的材质和粗细。152 2、变形变形：金属受到载荷作用而产生的几几何变形和尺寸的变化何变形和尺寸的变化。弹性变形：载荷存在而产生，载荷去除而消失塑性变形：载荷去除后，仍不能恢复3 3、应力应力：单位面积上的内力单位面积上的内力称为 应力能够准确反映材料内部的受力状态，强度指标都是用应力表示的。
6、16二、金属室温静拉伸实验1.拉伸试样 为使实验结果具有可比性，拉伸试样的形状、尺寸、取样和制样都应符合相应的标准。2、拉伸曲线 外力外力F F与试样绝对伸长量之间的关系曲线与试样绝对伸长量之间的关系曲线称为力-伸长曲线17 o-p-e e-s-s s-b b-k k弹性变形弹性变形屈服屈服均匀塑性变形均匀塑性变形缩颈缩颈断裂断裂低碳钢的拉伸曲线18 拉伸曲线的物理意义：描绘出了材料的变形特征及各阶段受力与变形间的关系，可以从拉伸曲线的形状来判断材料弹性与塑性的好坏，断裂时的韧性及脆性程度及不同变形下的承载能力。 不同材料有不同类型的拉伸曲线，同一材料在不同条件下的力拉伸曲线也不相同。19 将
7、力-伸长曲线的横、纵坐标分别用拉伸试样的原始标距和原始横截面积去除，就得到应力-应变曲线。 在应力-应变曲线上，可以确定几个主要的力学性能指标。3、应力-应变曲线20思考题1、变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的（ ）性能指标。 A、强度 B、硬度 C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为哪几个阶段？21思考题1、塑性变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的（ A ）性能指标。 A、强度 B、硬度 C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为：弹性变形、屈服、均匀塑性变形、缩颈和断裂5个阶段。22三、金属的弹性变形1.1.弹性模量弹性模量 表示材料对弹性变形的抵抗能力,符号EE
8、=E=/ 在应力-应变曲线上，E就是直线（op段）的斜率。E越大，材料发生弹性变形的难度就越大。刚度刚度：机件在载荷作用下，抵抗弹性变形的能力。 刚度的大小，取决于机件的几何形状和材料的弹性模量。在机件横截面积一定的情况下，机件的刚度就取决于材料的弹性模量。232.弹性极限弹性极限 金属材料在外力作用下，金属材料在外力作用下，只发生弹性变形只发生弹性变形而不发而不发生塑性变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。生塑性变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。相当于相当于e e点所对应的应力值，用点所对应的应力值，用e表示。表示。 在实际工程测试中，是测量规定非比例延伸率时在实际工程测试中，是测量
9、规定非比例延伸率时的应力，延伸率的大小用脚注说明。如测定试样的应力，延伸率的大小用脚注说明。如测定试样标距标距部分的非比例延伸率部分的非比例延伸率0.001%0.001%时的应力，记为时的应力，记为R RP0.001 物理意义：是弹性零件的失效抗力指标。物理意义：是弹性零件的失效抗力指标。243.弹性比功弹性比功 是表示金属材料吸收弹性变形功的能力。是表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 e=2e/2E式中：式中： e e -弹性比功弹性比功 e e -弹性极限弹性极限 E E -弹性模量弹性模量 可知，可知，提高材料的弹性比功：一是提高弹性极限提高材料的弹性比功：一是提高弹性极限 二是降低弹性
10、模量二是降低弹性模量对于具体的零件，还可以增加零件的体积。对于具体的零件，还可以增加零件的体积。25四、强度与强度指标1.1.强度强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。2 2、屈服强度、屈服强度：拉伸试样发生屈服现象时，力所对应的点称为屈服点，对应的应力就是屈服强度。用符号s或ReL。 s= Fs/ So式中：s -屈服强度（MPa） Fs -试样屈服时的载荷（N） So -试样原始横截面积（mm2)26 屈服强度的物理意义：屈服强度的物理意义： 材料开始产生明显塑性变形的最小应力，金属抵抗初始塑性变形的抗力。 对于无明显屈服现象的材料，则用规定条件的屈服强度
11、来表示，称为条件屈服强度，符号：0.2或Rr0.2。273.3.抗拉强度抗拉强度是指试样在断裂前所能承受的最大应力。符号b或Rm表示。 b=Fb/So式中： Fb -试样承受的最大载荷（N） So -试样原始横截面积（mm2)物理意义：是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力， 是脆性材料的断裂强度。屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。 屈强比越小，说明材料的塑性越好。 合理范围是0.6-0.75。屈服强度和抗拉强度都是机械零件设计和选材的依据屈服强度和抗拉强度都是机械零件设计和选材的依据28五、塑性与塑性指标2.断后伸长率 符号：或A 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。 =(L=(L1
12、 1-L-Lo o)/L)/Lo o x 100% x 100% L1-试样拉断后的标距(mm) Lo-试样的原始标距(mm)1.塑性塑性：金属材料断裂前产生塑性变形的能力。 评定指标是断后伸长率和断面收缩率 通过单向静拉伸试验测得293.断面收缩率 符号：或Z指试样拉断处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 =(S=(So o-S-S1 1)/S)/So o x 100% x 100%式中：S1 -试样拉断处的最小横截面积(mm2) So -试样的原始横截面积（mm2）30 根据和的相对大小，可以判定材料塑性的高低 。 和越大，材料的塑性就越好。 加工时：容易通过塑性加工，制成形状复
13、杂的零构件； 使用时：偶尔过载，能产生塑性变形增加承载能力，不至于突然发生断裂，比较安全。金属的强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。 通过细化金属的显微组织，可同时提高其强度与塑性。31【任务实施】 1.首先，在使用中的应力1289直径2mm的钢丝绳工作时的应力：=F/S=(510009.8)/(22/420)=780MPa 11601289可知：20股直径2mm的钢丝绳所受应力屈服强度断面收缩率，无缩颈，是低塑性材料；断后伸长率在本试验中，载荷F与压头直径D平方的比值（0.102F/D2）应是30、15、10、5、2.5、1中的一个。见表1-1.试验尺寸允许时，优先选用直径为10mm的球压头
14、。在图样文件中，一般不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如200230HBW。393）特点及适用范围优点：压痕面积大，能较好反应材料的平均硬度值，数据稳定，重复性好；缺点：测试麻烦，压痕较大，对材料表面的损伤较大，不适合测量成品件及薄件材料；适用：铸铁、非铁金属及退火、正火或调质处理后的钢材等，尤其适用软金属。403.3.布氏硬度试验过程布氏硬度试验过程1）试样：表面光滑，厚度至少为压痕深度的10倍。2）设备：HB-3000B型数显布氏硬度计。3）过程： 放样品加载荷保持时间去载荷取下试样读压痕直径查硬度值。 41二、洛氏硬度实验HR=N-h/S1.1.实验原理：实验原理：洛氏
15、硬度是用压痕的深度表示洛氏硬度值的，符号HR：式中：N常数,K=100（金刚石圆锥体压头）， K=130（钢球压头） h残余压痕深度（mm) S 常数，分别为0.001和0.00242 采用不同的压头与总试验力，组合成15种不同的洛氏硬度标尺。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值.1）表示方法：58 HR C 表面硬度：70 HR 30T W2.2.洛氏硬度规范洛氏硬度规范432）试验条件及应用范围：见表1-2和1-3。3）优点：测量迅速、简便；压痕较小，可测量成品件。 缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试三次，取其平均值来代表材料的硬度
16、。 各标尺之间没有对应关系。441）试样： 表面粗糙度Ra0.8微米。2）设备： HR-150型洛氏硬度计3）过程： 放样加初始力调表针加主实验力保持读硬度值多次重复，取平均值。3.3.洛氏硬度试验过程洛氏硬度试验过程45练习题1.常用的三种硬度测试方法是？2.简述布氏硬度的原理。46思考题1.布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。2.简述布氏硬度的原理。答：单位压痕面积上的平均压力。47 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。 三、维氏硬度实验1.1.实验原理实验原理压头：136金刚石四棱椎体符号：HVHV=F/S=0.189F/d2式中，d压痕两对角线的平均长度（mm)481）表示方法：
17、640 HV 30/20 在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（1015s不标出）的顺序用数字表示试验条件。2)优点：压痕浅，适用范围宽，尤其适合测量表面处理过的零件，只用一种标尺，可以直接通过维氏硬度比较材料硬度的大小。 缺点：对试样表面要求高，测量麻烦，不适合大批次的测试。2.2.维氏硬度规范维氏硬度规范491）试样： 表面粗糙度、厚度2）设备：维氏硬度计3）过程： 放样品加载荷保持时间去载荷读压痕对角线长度查硬度值 （与布氏硬度的测量过程类似）3.3.维氏硬度试验过程维氏硬度试验过程50硬度小结（1）符号符号压头压头表示方法表示方法布氏硬度布氏硬度HBWHBW
18、硬质合金球硬质合金球200HBW10/1000/30200HBW10/1000/30洛氏硬度洛氏硬度HRHR钢球，或钢球，或120120金刚石圆锥金刚石圆锥体体50HRC50HRC70HR30TW70HR30TW维氏硬度维氏硬度HVHV136 136 正四棱椎体正四棱椎体金刚石金刚石640HV30/20640HV30/2051符号符号优缺点优缺点适用范围适用范围布氏硬度布氏硬度HBWHBW测量麻烦测量麻烦结果准确结果准确损害表面损害表面铸铁、非铁金属及退火、正火铸铁、非铁金属及退火、正火或调质后的钢材。或调质后的钢材。主要是半成品或毛坯主要是半成品或毛坯洛氏硬度洛氏硬度HRHR测量简单测量简单
19、精度较低精度较低不伤工件不伤工件淬火、回火钢件淬火、回火钢件主要是成品件。主要是成品件。维氏硬度维氏硬度HVHV测量麻烦测量麻烦精确可靠精确可靠效率低下效率低下薄件薄件渗碳、渗氮等表面硬化层渗碳、渗氮等表面硬化层硬度小结（2）52综合训练1.下列零件和材料，用何种方式测量为好：A：淬火钢B：仪表小黄铜齿轮 C：渗碳工件的表面硬度 2.有甲、乙两个工件，甲工件的硬度是230HBW,乙工件的硬度是34HRC，是否说明甲比乙硬度高？531.下列零件和材料，用何种方式测量为好：A：淬火钢 HRCB：仪表小黄铜齿轮 HBWC：渗碳工件的表面硬度 HV2.有甲、乙两个工件，甲工件的硬度是230HBS,乙工
20、件的硬度是34HRC，是否说明甲比乙硬度高？答：不是。不同硬度之间不能直接比较，需换成同一种硬度和标尺。54第一章 第3节 冲击韧性与疲劳极限 55一、冲击韧性56建造中的船体57 Titanic Titanic号是由号是由1010张张3030英尺长的高含硫英尺长的高含硫量钢板焊接成量钢板焊接成300300英尺的船体。当船撞击冰英尺的船体。当船撞击冰山时，船体上这些长长的焊缝无异于一条山时，船体上这些长长的焊缝无异于一条300300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突
21、出例证。材韧性与人身安全的一个突出例证。 58碰撞瞬间碰撞瞬间59船体断裂过程示意图60 上图是两个冲击试验结果，左面的试样取上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的自海底的TitanicTitanic号，右面的是近代船用钢板号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的的冲击试样。由于早年的Titanic Titanic 号采用了号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。性。61 金属材料在使
22、用和加工过程中，会受到多种载荷的作用。所以在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 拉伸试验和硬度试验都属于静载荷试验，还需要冲击载荷试验和疲劳载荷试验及其相应的力学性能指标。62一、冲击韧性冲击载荷：在很短时间内作用在金属材料上的载荷称为 其对材料的破坏能力大于静载荷。冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。物理意义：材料在断裂前变形吸收能量的能力。631.冲击试验：测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小。1）冲击试样： 标准试样有U形缺口和V形缺口两种。 韧性材料：尖锐缺口和深缺口 脆性材料：无缺口 试样必须标准化制造，图1
23、-9。642）冲击试验原理 摆锤的位能损失就是冲断试样所需要的能量，也就是试验变形和断裂所消耗的功，称为冲击能量冲击能量，符号符号A Ak k:AK=mg(H-h)Aku:U形缺口；Akv：V形缺口65Titanic Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板66A Ak k越大，材料的韧性就越好越大，材料的韧性就越好。Ak低，脆性材料，断裂前无明显塑性变形；Ak高，韧性材料，断裂前有明显的塑性变形。 Ak是表征材料强度和塑性的综合力学性能指标，是零构件设计的重要参考。A Ak k是
24、材料韧性的判断依据。是材料韧性的判断依据。672、冲击试验的实际应用1） 测定韧脆转变温度 概念：使材料从韧性转变为脆性的温度范围。 韧脆温度越低，材料的低温冲击性能就越好。 用途：冷库、寒冷地区。2） 检测质量 多用于衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量。 68思考题1.承受冲击载荷的零构件，对其 性能要求高。2.韧性高的材料，在任何温度下都可以一样使用。（ ）69思考题1.承受冲击载荷的零构件，对其韧性要求高。2.韧性高的材料，在任何温度下都可以一样使用。（）70712007.11.2 美国一战斗机训练时，突然解体。后查明是因为飞机的支撑构件出现了金属疲劳问题。721983.6.3 德国一
25、列高速列车脱轨，100多人死亡。73 后经查明，是列车车轮出现了疲劳现象。7475金属疲劳现象 据150多年来的统计，金属部件中有80%以上的断裂时由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。76二、二、 疲劳疲劳1.疲劳的概念循环应力：变动载荷在单位面积上的平均值为变动应力，按照一定规则周期的变动应力，称为循环应力。其中：大小和方向都随时间发生周期性变化的，为交变应力 只大小变化而方向不变的，称为重复循环应力。疲劳断裂：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往的工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲
26、劳断裂。它是因损伤累计而引起的。77发动机上的轴承部件上的疲劳裂纹78疲劳断裂与静载荷、冲击载荷断裂的对比静载荷断裂冲击载荷断裂变动载荷断裂（疲劳断裂）断裂应力 大于抗拉强度大于冲击能量小于抗拉强度，甚至小于屈服强度断裂前变形情况塑性材料有缩颈，脆性材料无。韧性材料有明显塑性变形，脆性材料无。无预兆，裂纹产生、扩展直至突然断裂静载荷、冲击载荷断裂、疲劳断裂，危害性依次增大。792.2.疲劳曲线和疲劳强度疲劳曲线和疲劳强度疲劳曲线：描述金属承受的循环应力R和断裂时应力循环 周次N之间的关系。是确定疲劳强度和疲劳应力的基础。疲劳强度：当试样承受的应力低于某一值时，材料可经无数次循环而不断裂，这个应
27、力称为疲劳强度。工程意义：在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。 其中，钢铁材料的循环次数：107 有色金属的循环次数：108803.提高材料的疲劳强度的途径1）设计方面：尽量避免尖角、缺口和截面突变。2）材料方面3）机械加工方面4）零件的表面强化方面81力学性能力学性能 小结小结82思考题1、断裂前金属材料产生 的能力称为塑性。金属材料的 和 数值越大，表示材料的塑性越好。2、拉断一根钢丝很难，但如果用手捏住，在钢丝的某一点反复弯曲，多次之后，就可以将其折断。这是为什么？ 83思考题1、断裂前金属材料产生 塑性变形 的能力称为塑性。金属材料的 断后伸长率 和 断面收缩率 数值越大，表示材料
28、的塑性越好。2、拉断一根钢丝很难，但如果用手捏住，在钢丝的某一点反复弯曲，多次之后，就可以将其折断。答:只有超过钢丝的拉伸强度才能将其拉断。但多次弯折后，钢丝会产生疲劳断裂。 8485金属材料的性能金属材料的性能 使用使用性能：（力学性能、物理性能、化学性能等） 工艺工艺性能：（铸造性能、锻压性能、热处理性能、切削加工性能等）86第一章 第四节 金属材料的工艺性能87金属的工艺性能金属的工艺性能工艺性能工艺性能： 指金属材料加工制造时的难易程度影响零件制造的工艺质量和成本是选材和制定工艺路线时的考虑因素。88机械零件的基本加工工艺流程机械零件的基本加工工艺流程（粗加工）（粗加工）（细加工）（细
29、加工）铸造锻造冲压焊接切削加工热处理原材料毛坯半成品成品89一、铸造性 是指金属材料铸造成型过程中获得优良铸性的能力，如外形准确、无内部缺陷。影响因素：1.流动性：熔融金属的流动能力2.收缩性：凝固冷却过程中，体积和尺寸缩小3.偏析：凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象。 （视频）90压力加工成型的难易程度。一般分热加工和冷加工影响因素：塑性和变形抗力。 塑性越好，压力加工性能越好； 纯金属的压力加工性能比合金好。二、压力加工性9192五金冲压件93三、焊接性 对焊接加工的适应性，获得优质焊接接头的难易程度。 影响钢焊接的因素： 钢的化学成分 焊接时的热循环9495四、切削加工性和热处理性能1.切削加工性 用切削刀具从工件上切除多余材料的难易程度。常用的切削加工方法有：车削加工、刨削加工、插削加工、钻削加工、磨削加工等等。2.热处理性能改善钢切削加工性能改善材料力学性能96思考题1.金属材料工艺性能的主要影响是什么？2.说出几个金属加工工艺的名称。97思考题1.金属材料工艺性能的主要影响是什么？答：零构件的工艺质量和成本。2.说出几个金属加工工艺的名称。答：铸造、锻造、焊接、冲压等等98第一章 小结 金属材料的性能 使用使用性能：（力学性能、物理性能、化学性能等） 工艺工艺性能：（铸造性能、锻压性能、热处理性能、切削加工性能等）99100101