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1、金属材料及热处理金属材料及热处理 Material of mechanical engineeringw总学时：总学时：32w实验学时：实验学时：6w讲课学时：讲课学时：26材料学院材料学院 林晓娟林晓娟1问题问题 1 1：请说出在请说出在金工实习金工实习中操作过哪些设备中操作过哪些设备 和钳工工具？和钳工工具？答：车床、铣床、磨床、电焊机，台虎钳、手工锯、锉等。答：车床、铣床、磨床、电焊机，台虎钳、手工锯、锉等。问题问题 2：（1）车床车床床身是何种材料？床身是何种材料？灰铸铁灰铸铁（HT200）（2）锉锉是何种材料制做？是何种材料制做？碳素工具钢（碳素工具钢（T12）（3）车刀刀体、刀尖分
2、别是什么材料？）车刀刀体、刀尖分别是什么材料？车刀刀体是车刀刀体是45钢钢，刀尖是，刀尖是硬质合金硬质合金为什么是这些材料，而不是用别的材料制做呢？为什么是这些材料，而不是用别的材料制做呢？2绪绪 论论常用的材料常用的材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥 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
3、合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料料。现在新材料现在新材料-纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料3 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材料材料)、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4一、什么是材料？一、什么是材料？材料是人类用以制作有用物件的物质。材料是人类用以制作有用物件的物质。最近发
4、展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料叫新材料。材料叫新材料。二、材料是人类进步的里程碑。二、材料是人类进步的里程碑。5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 石器时代石器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11161116世纪）世纪）1130780110011307801100战国编钟战国编钟（前前475221475221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝 铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年
5、 ）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、纳米等钢铁时代钢铁时代18-2018-20世纪世纪6 旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。骨 针7 (新石器时代新石器时代山东龙山文化，山东龙山文化，约约48004800年年)高高29.729.7厘米，厘米，19601960年山东潍坊年山东潍坊市出土，现藏山市出土，现藏山东省博物馆东省博物馆。白白 陶陶8 旧石器时旧石器时代早期，北京代早期，北京市房山区周口市房山区周口店第一地点店第一地点出出土土石锤、石钻石锤、石钻9
6、石镰 长20.6厘米 新石器时代晚期10人人面面鱼鱼纹纹彩彩陶陶盆盆 (新石器时代仰韶文化，约5000年)高16.5厘米,口径39.5厘米。20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土,现藏中国历史博物馆。1112越王勾践剑，春秋晚期，距今2400多年13 青花牡丹纹水注14 秦始皇陵出土的铜车马(公元前200多年),车通长3.17米，高1.06米，相当于真车马的一半,总重量为1241公斤。15 永乐大钟通高永乐大钟通高5.55.5米，口径米，口径3.33.3米，重约米，重约4646吨，以吨，以“五绝五绝”荣获荣获“钟王钟王”之誉：之誉：1.1.形大量重、历史悠久、历形大量重、历史悠久、历史内涵最为
7、丰富；史内涵最为丰富；2.2.钟身内外整齐地铸有钟身内外整齐地铸有2323万万多字的汉文、梵文佛经铭文，是多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟；铭文字数最多的大钟；3.3.有世界第一流的声学特性有世界第一流的声学特性,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮洪亮,钟声悠雅感人钟声悠雅感人,益寿延年益寿延年,钟钟声可传声可传40405050公里；公里；4.4.钟体力学结构设计合理。钟体力学结构设计合理。5.5.铸造工艺精美绝伦而又朴实铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一。无华，天人合一。1617 沧州铁狮铸造于公元沧州铁狮铸造于公元953953年。年。铁狮子通
8、高铁狮子通高5.785.78米，身长米，身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨18商晚期，是我国现已发现的较大的方尊，高五十八点六厘米，重近三十四点五公斤。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。19本课程的性质和目的本课程的性质和目的是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术基础课。基础课。2、目的目的：a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它 们之间成分
9、、组织、性能、热处理的关系。们之间成分、组织、性能、热处理的关系。c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。d 为后续课程和从事技术工作打下基础。为后续课程和从事技术工作打下基础。1、性质性质：本课本课学习学习方法方法是是：预习预习、笔记、笔记、复习、讨论问题、复习、讨论问题本教材的本教材的重点重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理：常见的材料牌号及应用，钢的热处理20第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能Mechanics properties of metals材料的性能材料的性能使用性能使用性能力学、物理、化学力学、物
10、理、化学工艺性能工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工铸造、锻压、焊接、切削加工力学性能力学性能：受外力作用下所表现出的性能受外力作用下所表现出的性能。判据判据 如：如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节第一节 强强 度度 与与 塑塑 性性一、强度一、强度 strength 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂和断裂 的能力的能力。通过拉伸试验测得大小。强度判据：屈服点屈服点（屈服强度）、（屈服强度）、抗拉强度抗拉强度2122试验试验前前试样试样LK试验试验后后试样试样试样按试样按GB/T228-2002制制取，
11、分长试样取，分长试样L0=10d0短短试样试样 L0=5d0说明说明：d0L0FF伸长量伸长量 L拉伸力拉伸力 F FbbkseOFsFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线23分析拉伸曲线分析拉伸曲线、弹性变形阶段：、弹性变形阶段：e、弹塑性变形阶段：、弹塑性变形阶段：es、屈服点屈服点 载荷增加到载荷增加到S点时，拉伸曲线出现锯齿形平台，即载荷点时，拉伸曲线出现锯齿形平台，即载荷在基本保持不变的情况下在基本保持不变的情况下试样继续产生塑性伸长，试样继续产生塑性伸长，这种现象叫屈服。点叫屈服点。这种现象叫屈服。点叫屈服点。屈服极限屈服极限 脆性材料脆性材料 伸长量伸长量 L拉伸力拉伸力 F
12、FbbkseOFsFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线弹性模量弹性模量24、颈缩现象、颈缩现象抗拉强度抗拉强度、断裂颈缩产生后，金属材料继续变形，所需载荷下降，、断裂颈缩产生后，金属材料继续变形，所需载荷下降，时试样在颈缩处断裂。时试样在颈缩处断裂。、塑性变形阶段、塑性变形阶段 sb伸长量伸长量 L拉伸力拉伸力 F FbbkseOFsFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线25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。L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屈服点的值屈服
13、点的值 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概念：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。用符号：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材的重要依据 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。26二、二、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
14、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 A表示。其中：其中：L Lk k断后试样长度断后试样长度 L Lo 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Z表示。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A表示塑性大
15、小表示塑性大小。A、Z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A5%脆性材料脆性材料。A=27注意：注意：GB/T2282002金属材料金属材料 室温拉伸试室温拉伸试验方法验方法 规定：断后伸长率规定：断后伸长率 A 表示；表示；断面收缩率断面收缩率 Z 表示；表示；屈服强度屈服强度 Re 表示；表示；抗拉强度抗拉强度 Rm 表示；表示；此规定代替此规定代替GB228-87，从从2002年年7月执行月执行。28第第 二二 节节 硬硬 度度 Hardness硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力。划痕的能力
16、。硬度是衡量材料硬度是衡量材料软硬软硬程度的判据程度的判据。一、一、布氏硬度布氏硬度 BrinellBrinell Hardness Hardness用符号：用符号：HB 表示表示N/mm2 (Kgf/mm2)。说明：说明：1、压头为硬质合金，用、压头为硬质合金，用 HBW 表示，数值表示，数值4506502、表示法：数字在前、字母在后。如、表示法：数字在前、字母在后。如 500HBW 550HBW575HBW；标注时不要写成标注时不要写成HBW=600HBW=600，或或 HBW=450HBW=450475475，不要出现单位；数值差不要超过不要出现单位；数值差不要超过3030。3、不宜测量
17、薄件、成品件。因压痕大。、不宜测量薄件、成品件。因压痕大。FD工件工件压头：钢球或压头：钢球或硬质合金硬质合金 d2930二、二、洛氏硬度洛氏硬度 Rockwell Hardness 原理是用原理是用120120的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。硬度值大小。常用的是用符号常用的是用符号 HRC HRC 表示表示。没有单位。没有单位。注：注：GB/T23091规定规定 有有15种表示硬度方法，常见的有种表示硬度方法，常见的有A、B、C三
18、种，如三种，如HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等，因施加压力等，因施加压力和压头材料不同而出现了不同的标尺和压头材料不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等等说明：说明：1、数字在前、字母在后，如、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC38HRC 2、HRC适用范围数值适用范围数值2070；小于或大于这个范围均；小于或大于这个范围均 为标注错误！如为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=1519等。等。3、在图纸标注时注意数值差应、在图纸标注时注意数值差应 5，否则为标注错误。，否则为标注错误。4、适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量成、适用于测量硬度较高的材料，如淬
19、火钢件；测量成 品件或半成品件。因压痕较小。压头直径品件或半成品件。因压痕较小。压头直径1.588mm。3132洛氏硬度的分类洛氏硬度的分类 HRA HRB HRC 压头:金刚石 直径直径 金刚石 圆锥体 1.5875钢球钢球 圆锥体 总载荷/N:588.37 980.67 1471.07应用：高硬度 较软材料，淬火钢 材料，如 如退火钢，等硬材 硬质合金 铜铝等 料范围：70-85HRA 25-100HRB 20-67HRC33维氏硬度(英国的维克斯Vickers公司)维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理相同，但维氏硬度试验的压头不是钢球，而是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头。试
20、验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以F/A的数值表示维氏硬度值。34维氏硬度载荷小（49.1，98.1，196.2，294.3，490.5，981N 五种），压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。HV=1.8544F/d2(MPa)640HV400HV35压痕面积大，能反映金属在较大范围的组成的平均性能，数据稳定，重复性强布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度特点特点缺点缺点硬度值可直接读出，压痕小，可在关键表面进行实验。代表性差压痕清晰，数据精确可靠。硬度值的测定麻烦压痕直径的测量麻烦，不宜
21、在成品上实验36韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。或指材料抵抗裂纹扩展的能力合表现。或指材料抵抗裂纹扩展的能力。1.2 动载时材料的力学性能动载时材料的力学性能韧度是衡量材料韧性的力学性能指标。韧度是衡量材料韧性的力学性能指标。常用韧性指标常用韧性指标：（1）冲击韧度）冲击韧度 （2）断裂韧度）断裂韧度37 定义定义：冲击韧度是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的，它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力。指标指标：冲击吸收功AK(单位J)；冲击韧度ak(ak
22、=AK/断裂面截面积，单位J/cm2)。意义意义：用来反映材料对一次或少次数大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。冲击韧度冲击韧度3839第四节第四节 疲劳性能疲劳性能疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 零件在交变载荷作用下经较长时间工作而发生断裂的现象(交变载荷交变载荷大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷。)40 (1)断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度,疲劳断裂属低应疲劳断裂属低应力脆断力脆断。(2)断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点41疲劳断裂的基本过程疲劳断
23、裂的基本过程(1)裂纹的产生裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。(2)裂纹扩展裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。(3)最后断裂最后断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断 裂韧度时，发生快速断裂。42l疲劳抗力指标疲劳抗力指标 疲劳极限疲劳极限(疲劳强度疲劳强度)-材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。当交变应力循环对称时，疲劳极限用1表示。注注：试验时，钢材的循环次数以107为基数。l影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素43(1)材料本质材料
24、本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳极限有显著影响。(2)零件表面状况零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳极限。(3)载荷类型载荷类型：载荷类型不同，疲劳极限不一样。(4)工作温度工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳极限。(5)腐蚀介质腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳极限明显降低。44补充标准补充标准：国家标准工程建设（国家标准工程建设（GBJ）；）；国家计量技术法规（国家计量技术法规（JJG）；）；山东省企业标准山东省企业标准（Q/）；城建行标城建行标 （CJ、CJJ）；）；建材行标建材行标 （JC）；）；建工行标建工行标 （J
25、G、JGJ）；）；山东省地方标准山东省地方标准（DB37）；）；冶金行标冶金行标 （YB、YBJ）；）；国际标准化组织标准（国际标准化组织标准（ISO）；）；International Standards Organization 120Fh工件工件压头压头45第第 三三 节节 冲冲 击击 韧韧 性性 与与 疲疲 劳劳 强强 度度Impact hardness and fatigue strength一、韧性一、韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判据通过冲击实验来测定。判据通过冲击实验来测定。1.摆锤式一次冲击实验摆锤式一次冲击实验
26、GB22994规定：将材料制成带有规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样。型缺口标准冲击试样。用符号：AKV 表示 J/cm2 说明说明：韧性值与温度有关；在韧性值与温度有关；在20左右左右 可不显脆性，温度可不显脆性，温度 降低后韧降低后韧 性值减小，易脆断。如性值减小，易脆断。如：碳钢：碳钢 20以下，易发生脆断。此时的温度以下，易发生脆断。此时的温度称称脆性转变温度脆性转变温度。2.多次冲击试验多次冲击试验小能量多次冲击小能量多次冲击注：冲击能量小时，取决于材料的强度；注：冲击能量小时，取决于材料的强度；冲击能量大时，取决于材料塑性。冲击能量大时，取决于材料塑性。二、疲劳强度二、疲劳强
27、度用符号：用符号：-1 （教材教材P10 自己看）自己看）46复习与思考题：1、某厂购进一批钢材，从中制取某厂购进一批钢材，从中制取d d0 0=10=10mm的圆形截面短试样，经拉伸实验后，的圆形截面短试样，经拉伸实验后，测得测得 F Fb b=33.81KN,Fs=20.68KN,=33.81KN,Fs=20.68KN,L Lk=65=65mm,d dk=6 6mm.试问这批钢材的力学性能试问这批钢材的力学性能是否合格？（注：是否合格？（注：GB69988GB69988规定此种钢材的力学性能判据：规定此种钢材的力学性能判据：b b=375=375 MPa；s=225=225 MPa;5=2
28、7=27%;=55=55%)。2 2、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？（1 1）HRC12HRC121717；（；（2 2）HRC=50HRC=5060 Kgf/60 Kgf/mm2；（3 3）500500530 HBS 530 HBS；（4 4）70HRC70HRC75HRC 75HRC；（；（5 5）230 HB230 HBW；3 3、整体硬度要求整体硬度要求230HBS230HBS250HBS250HBS的轴类零件，精加工后再抽查，应选用什么的轴类零件，精加工后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？硬度计测量硬度较合适？4 4、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺钉材料的力学性能哪、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足？一判据的值不足？5 5、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较薄工件？为什么？、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较薄工件？为什么？47