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1、机械制造教研室机械制造教研室课程名称：课程名称：课程名称：课程名称：机械工程材料及成形工艺基础机械工程材料及成形工艺基础第一章第一章 金属材料基础知识金属材料基础知识黎明职业大学机电工程及自动化学院黎明职业大学机电工程及自动化学院 学习目标与学习方法v相关概念、金属材料性能相关概念、金属材料性能v金属材料成形加工的基本过程金属材料成形加工的基本过程v微观结构和微观组织特征、及其对宏观微观结构和微观组织特征、及其对宏观性能的影响性能的影响v日常生活现象日常生活现象本章主要内容 学习目标与学习方法 1、冰冻三尺非一日之寒 学习目标与学习方法水分子结构水分子结构 1、冰冻三尺非一日之寒 学习目标与学
2、习方法水分子结构水分子结构 1、冰冻三尺非一日之寒 学习目标与学习方法冰的结构冰的结构六面体晶格结构六面体晶格结构 1、冰冻三尺非一日之寒 学习目标与学习方法六角棱柱体六角棱柱体 2、雪花是如何形成的？雪花是如何形成的？简单六角棱柱体简单六角棱柱体星形盘状雪花星形盘状雪花 学习目标与学习方法扇形分区盘扇形分区盘状雪花状雪花 雪花形状雪花形状星形树枝有星形树枝有分枝和侧枝分枝和侧枝蕨类星形树枝蕨类星形树枝 学习目标与学习方法空柱体空柱体 雪花是如何形成的？雪花是如何形成的？针状针状 学习目标与学习方法戴帽柱状体戴帽柱状体 雪花是如何形成的？雪花是如何形成的？十二边十二边 学习目标与学习方法三角形
3、晶体三角形晶体 雪花是如何形成的？雪花是如何形成的？霜晶体霜晶体 学习目标与学习方法v高空、低温水汽结晶，形成降雪的必要条件：v一是水汽饱和v二是凝结核 v三是必要的环境温度 3、为什么雪花融化后会形成粉末沉淀现象？固体微粒 学习目标与学习方法金属之最金属之最(1)(1)熔点最高：熔点最高：钨钨（W）3410；最低最低：汞（汞（Hg）-39 (2)(2)密度最大密度最大:锇（锇（Os）22.45g/cm3；最小最小:锂（锂（Li）0.53g/cm3(3)(3)硬度最大：硬度最大：铬（铬（Cr）(4)(4)延展性最好延展性最好:金（金（Au），），可制成万分之一毫米的金箔可制成万分之一毫米的金箔
4、(5)(5)导电导热性最好导电导热性最好:Ag，Cu次之，次之，Au第三。第三。(6)(6)人体内最多的金属：人体内最多的金属：钙钙(7)(7)地壳中含量最多的金属：地壳中含量最多的金属：铝铝(8)(8)人类冶炼最多的金属：人类冶炼最多的金属：铁铁 第一章第一章 金属材料基础知识金属材料基础知识 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二 第三节第三节 机械制造过程概述机械制造过程概述三三1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四 分类（按化学成分分）复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料
5、高分子材料1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一 概念1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一v金属v纯金属v合金v合金钢v钢铁的组成钢铁的组成=95%以上铁以上铁+（0.054%）碳碳+1%杂杂v铁碳合金铁碳合金(按钢铁材料的含碳量的质量分数按钢铁材料的含碳量的质量分数w(C)w(C)含碳量含碳量0.0218%为工业纯铁；为工业纯铁；含碳量含碳量0.02182.11%为为钢钢；含碳量含碳量2.11%为为铸铁（生铁、白口铸铁）铸铁（生铁、白口铸铁）；含碳量含碳量4.3%无实用价值。无实用价值。钢与生铁的区别钢与生铁的区别钢与生铁的区别钢与生铁的区别 钢的分类1第一节第一节金属材料
6、的分类金属材料的分类一一1.钢的分类钢的分类按化学成分分按化学成分分中碳钢中碳钢0.250.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢合金元素总量合金元素总量510%高合金钢高合金钢合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢 钢的分类1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一钢钢类类碳碳素素钢钢合合金金钢钢PSPS普通质量钢普通质量钢0.0450.0450.0450.045优优质质钢钢0.0350.0350.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0300.0250.025特级优质钢特级优质
7、钢0.0250.0200.0250.015按质量分按质量分钢的质量是以钢的质量是以磷、硫磷、硫的含量来划分的。的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：有害物质 钢的分类1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一按用途分按用途分 工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢
8、量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特殊性能钢特殊性能钢第一章第一章 金属材料基础知识金属材料基础知识 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二 第三节第三节 机械制造过程概述机械制造过程概述三三1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四钢铁材料 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v钢铁是使用最多的金属材料钢铁是使用最多的金属材料 原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好v预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例钢铁
9、材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二钢铁冶炼技术发展简史钢铁冶炼技术发展简史p远古至远古至13世纪末：半熔融状态的铁块世纪末：半熔融状态的铁块海绵海绵铁铁(sponge iron)；p13世纪末至世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁世纪中叶：熔融状态的生铁粗钢，形成两步法炼钢；粗钢，形成两步法炼钢；p19世纪中期至今世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；法；1864年法国人发明了平炉炼钢法年法国人发明了平炉炼钢法(OH)；1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；20世纪
10、初发明了电弧炉炼钢世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉（世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。法）。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二全球部分钢厂产量排名 排名排名公司公司国家国家20062006年年(百万吨百万吨)20052005年年(百万吨百万吨)同比增长同比增长20062006200520051 11 1米塔尔米塔尔荷兰荷兰63.6663.6649.8949.8927.627.62 22 2安赛乐安赛乐卢森堡卢森堡54.3254.3246.6546.6516.416.43 33 3新日铁新日铁日本日本33.7033.7032.9
11、032.9012.412.44 44 4JFEJFE日本日本32.0232.0229.5729.578.38.35 55 5浦项浦项韩国韩国31.2031.2031.4231.42-0.7-0.76 66 6宝钢宝钢中国中国22.5322.5322.7322.73-0.9-0.99 92626唐钢唐钢中国中国19.0619.0616.0816.0818.518.516161818鞍钢鞍钢中国中国15.0015.0011.9011.9026.126.117172222沙钢沙钢中国中国14.6314.6312.0212.0221.721.718181616武钢武钢中国中国13.7613.7613.
12、0513.055.55.524242424济钢济钢中国中国11.2411.2410.4310.437.87.825252727马钢马钢中国中国10.9110.919.659.6513.113.126262525莱钢莱钢中国中国10.7910.7910.3410.344.44.427272323首钢首钢中国中国10.5510.5510.4410.441.01.028283131华菱华菱中国中国9.919.918.458.4517.217.2中国年粗钢产量增长情况钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v现代钢铁冶炼的两种基本流程现代钢铁冶炼的两种基本流程钢铁
13、材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v现代钢铁冶炼的两种基本流程现代钢铁冶炼的两种基本流程v烧结烧结/球团球团 高炉高炉转炉转炉连铸机连铸机轧机轧机v直接还原或熔融还原直接还原或熔融还原电炉电炉连铸机连铸机轧机轧机 非高炉炼铁非高炉炼铁高炉炼铁高炉炼铁长流程长流程短流程短流程钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二钢材加工工艺流程钢材加工工艺流程钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v钢铁生产的典型工
14、艺（长流程）钢铁生产的典型工艺（长流程）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v高炉炼铁高炉炼铁(BlastFurnaceIronmaking)钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v高炉冶炼用的原料主要有高炉冶炼用的原料主要有铁矿石铁矿石（天然富（天然富矿和人造富矿）、矿和人造富矿）、燃料燃料(fuel)（焦炭和喷（焦炭和喷吹燃料）、吹燃料）、熔剂熔剂(flux)（石灰石与白云石（石灰石与白云石等）。等）。冶冶炼1t生生铁1.62.0t
15、矿石石0.40.6t焦炭焦炭(coke)0.20.4t熔熔剂钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v高炉冶炼用的原料主要有高炉冶炼用的原料主要有铁矿石铁矿石磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）-magnettie赤铁矿（赤铁矿（Fe2O3）-hematite褐铁矿（褐铁矿（mFe2O3nH2O）-limonite 菱铁矿（菱铁矿（FeCO3）-siderite 钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二黄铁矿黄铁矿FeSFeS2 2磁铁矿磁铁矿FeFe3 3O O4 4褐铁矿褐铁矿2Fe2Fe2 2O O3 33H3H2 2O
16、 O菱铁矿菱铁矿FeCOFeCO3 3赤铁矿赤铁矿-Fe-Fe2 2O O3 3钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二暗红色铁铝榴石晶体，暗红色铁铝榴石晶体，产地奥地利产地奥地利立方体黄铁矿晶立方体黄铁矿晶体，产地西班牙体，产地西班牙祖母绿、黄铁矿、方祖母绿、黄铁矿、方解石共生，产地哥伦解石共生，产地哥伦比亚比亚钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v铁矿石处理工艺流程铁矿石处理工艺流程v矿石矿石(ore)破碎破碎(crush)筛分筛分(screen)富矿富矿(high-gradeore)混匀混匀(mix)高炉；高
17、炉；v矿石矿石破碎破碎筛分筛分贫矿贫矿(leanore)磨矿磨矿(grinding)筛分筛分选矿选矿造块造块人造富矿人造富矿高炉高炉钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二铁水预处理铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。预脱硫：电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂预脱硅：铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂预脱磷：盛铁水容器中喷吹氧化剂铁水预处理按需要可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中时行。简化炼钢过程，提高钢的质量简化炼钢过程，提高钢的质量易引起热脆，铁水脱硫条件比钢水脱硫优越减少转炉石灰消耗量，减少渣量和铁损；预脱磷的需要使钢产生冷脆性Ho
18、tMetalPretreatment钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v铁水预脱硫扒渣工艺铁水预脱硫扒渣工艺钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料金属料金属料p铁水；铁水；p废钢；废钢；p铁合金；铁合金；辅助材料辅助材料p造渣材料；造渣材料；p氧化剂；氧化剂；p冷却剂；冷却剂；p还原剂和增碳剂。还原剂和增碳剂。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料p铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一般占金属铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一
19、般占金属料的料的70100%。p铁水成分铁水成分和和铁水温度铁水温度是否适当和稳定，对简化是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获和稳定转炉操作并获 得良好的技术经济指得良好的技术经济指 标非常重要。标非常重要。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料铁水成分铁水成分pSi：发热元素，转炉热量来源。根据：发热元素，转炉热量来源。根据P，Si一般在一般在0.40.8范围内范围内pMn：有利元素。：有利元素。Mn一般在一般在0.20.4左左右右pP：有害元素，强发热元素。：有害元素，强发热元素。P是高炉不能去除是高炉不能去除的元素，故
20、只能要求的元素，故只能要求P稳定，采用铁水预处稳定，采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除。理脱磷或相应的炼钢方法来去除。pS：有害元素。：有害元素。S0.04。采用铁水预处。采用铁水预处理脱硫，理脱硫，S12001300，且保持稳定，且保持稳定，以利于炉子热行，迅以利于炉子热行，迅 速成渣。速成渣。p有铁水预处理工艺，有铁水预处理工艺，铁水温度应适当提高。铁水温度应适当提高。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料废钢废钢p废钢是废钢是电炉炼钢电炉炼钢的基本原料，用量占钢铁料的的基本原料，用量占钢铁料的7090。对转炉来说，。
21、对转炉来说，既是金属料也是既是金属料也是冷却剂冷却剂。p合金钢废钢应按所含合金分组堆放。合金钢废钢应按所含合金分组堆放。p应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的泥沙、耐火材料和炉渣等。泥沙、耐火材料和炉渣等。p对外形尺寸和单重过大的对外形尺寸和单重过大的 废钢，应预先进行解体和废钢，应预先进行解体和 切割；对轻薄料要打包或切割；对轻薄料要打包或 压块，以缩短装料时间。压块，以缩短装料时间。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料铁合金铁合金p炼钢中广泛使用的各种脱氧和合金化元素与铁炼钢中广
22、泛使用的各种脱氧和合金化元素与铁的合金的合金。如。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金；还有铝、锰、镍等金属。金；还有铝、锰、镍等金属。p铁合金应合理选用以降低成本，使用前应烘烤铁合金应合理选用以降低成本，使用前应烘烤以减少气体带入。另外要纯净，不得混有其它以减少气体带入。另外要纯净，不得混有其它夹杂物，块度要适当。夹杂物，块度要适当。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料辅助材料辅助材料p造渣材料造渣材料p石灰石灰（CaO）。碱性
23、炼钢方法的基本造渣材料，有强的）。碱性炼钢方法的基本造渣材料，有强的脱磷、脱硫能力，对炉衬危害小。石灰要求含有效脱磷、脱硫能力，对炉衬危害小。石灰要求含有效CaO大于大于8085，含，含S和和SiO2低，块度小而均匀，且无低，块度小而均匀，且无细粉；生烧过烧率要小；不能潮解，应保持干燥、新鲜。细粉；生烧过烧率要小；不能潮解，应保持干燥、新鲜。p萤石萤石（CaF2）。熔点低（）。熔点低（1418 ），能使），能使CaO熔点显熔点显著降低，加速化渣，改善渣的流动性。萤石要求：著降低，加速化渣，改善渣的流动性。萤石要求：CaF285%。p白云石白云石（MgO）。增加渣中）。增加渣中Mg含量，以减少炉
24、衬中含量，以减少炉衬中MgO向炉渣中转移，且能促进前期化渣。向炉渣中转移，且能促进前期化渣。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料辅助材料辅助材料p氧化剂氧化剂p氧气氧气。炼钢中氧的重要来源。一般要求氧气纯度。炼钢中氧的重要来源。一般要求氧气纯度应大于应大于98，冶炼低氮钢种时，应大于，冶炼低氮钢种时，应大于99.5。还应脱除水分。还应脱除水分。p铁矿石、氧化铁皮铁矿石、氧化铁皮。铁矿石要求含铁高，铁矿石要求含铁高，SiO2、P和水分少，使用前和水分少，使用前要加热。要加热。氧化铁皮要求杂质少，不含油污和水分，使用前氧化铁皮要求
25、杂质少，不含油污和水分，使用前必须烘烤。必须烘烤。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢用原材料炼钢用原材料辅助材料辅助材料p冷却剂冷却剂p富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮。利用它们所。利用它们所含含FexOy氧化金属中的杂质时，需要吸收大量的氧化金属中的杂质时，需要吸收大量的热而起到冷却的作用。热而起到冷却的作用。p石灰石石灰石。缺少以上冷却剂时，可以使用，。缺少以上冷却剂时，可以使用，CaCO3分解时吸收大量热量。分解时吸收大量热量。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炼钢
26、用原材料炼钢用原材料辅助材料辅助材料p还原剂和增碳剂还原剂和增碳剂p电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极、木电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。p氧气转炉冶炼中、高碳钢时，一般用含灰分很少氧气转炉冶炼中、高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂。的石油焦作增碳剂。钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v转炉炼钢（转炉炼钢（BOS）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v电炉炼钢电炉炼钢(EAF(Electric arc furnace)s
27、teelmaking)钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v电炉炼钢电炉炼钢(EAF(Electric arc furnace)steelmaking)钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v炉外精炼炉外精炼(Secondary Refining)钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v连续铸钢（连续铸钢（Continuous Casting）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v连续铸钢（连续铸钢（Continuous Casti
28、ng）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v连续铸钢（连续铸钢（Continuous Casting）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v热轧（热轧（Hot Rolling）钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v钢铁生产中产生的污染物钢铁生产中产生的污染物(1)钢铁材料生产过程 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二v钢铁生产中产生的污染物钢铁生产中产生的污染物(2)第一章第一章 金属材料基础知识金属材料基础知识 第二节第二节 钢铁材料生产过程概
29、述钢铁材料生产过程概述 二二 第三节第三节 机械制造过程概述机械制造过程概述三三1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四第一章第一章 金属材料基础知识金属材料基础知识 第二节第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 二二 第三节第三节 机械制造过程概述机械制造过程概述三三1第一节第一节金属材料的分类金属材料的分类一一 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四 机械工程材料的常用性能包括两方面包括两方面材料材料使用性能使用性能材料材料工艺性能工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、
30、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四 机械工程材料的常用性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四本章重点本章重点v重点了解金属材料的重点了解金属材料的力学性能指标和测试力学性能指标和测试方法，以及各个指标方法，以及各个指标的物理意义。的物理意义。教学要求：教学要求：了解金属材料的性能及测试方法。了解金属
31、材料的性能及测试方法。金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四强度：强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。=【(L-L0)/L0 】%=F/S弹性极限弹性极限 屈服点屈服点 抗拉强度抗拉强度 塑性：塑性：塑性是指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力塑性是指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：(l(l）弹性极限）弹性极限(2(2）屈服点）屈服点(3)(3)抗拉强度抗拉强度 铸铁、陶瓷等脆性材料：只有弹性变形铸铁、陶瓷等脆性材料：只有弹性变形阶段，中、高碳钢：没有屈
32、服阶段。阶段，中、高碳钢：没有屈服阶段。ee、ss、bb是机械零件和构件设计是机械零件和构件设计和选材的主要依据。和选材的主要依据。应力与应变的比值称为材料的应力与应变的比值称为材料的弹性模量弹性模量E(MPaE(MPa）（刚度）（刚度）或或 数值越大，表数值越大，表示材料的塑性愈好。示材料的塑性愈好。一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0LF0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：纵坐标为应力纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mm
33、)MPa(MN/mm)，横坐标为应变横坐标为应变 其中：其中：=F/S=F/S 表示材料抵抗变表示材料抵抗变形和断裂的能力形和断裂的能力 （L L1 1-L-L0 0）/L/L0 03.曲线分为四阶段：1）阶段I（ope）弹性变形阶段 p:Fp，e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）op段：L P 直线阶段 pe段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)2）阶段II（ess）段屈服变形 S:屈服点 Fs 3）阶段III（sb）段均匀塑性变形阶段 b:Fb材料所能承受的最大载荷 4）阶段IV(bK)段局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段二、拉伸曲线所确定的
34、力学性能指标及意义二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 1刚度和弹性刚度和弹性 刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。E=/E=/杨氏弹性模量杨氏弹性模量 GPa,MPaGPa,MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。织不敏感的力系指标。弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。的最大应力。比例极限：比例极限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线应变保持线性关系的极限应力值性关系的极限应力值弹性极限：e=Fe/Ao
35、不产永久变形的最大抗力。2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。s0.23.3.3.3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。延伸率 延伸率与
36、试样尺寸有关；5、10(L0=5d,10d)断面收缩率=A/Ao=(Ao-Ak)/Ao 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四硬度：硬度：金属材料受压时抵抗局部变形，特别金属材料受压时抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力是塑性变形、压痕的能力 （1）布氏硬度（HBS）（2）洛氏硬度（HRC）金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四（1）布氏硬度（HBS）1.原理原理布氏硬度布氏硬度=F A凹凹=2FDD-（D-d）金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的
37、性能金属材料的性能四四（1）布氏硬度（HBS）测量比较软的材料。测量比较软的材料。测量范围测量范围 HBS450 HBS450、HBW650HBW650的金属材料。的金属材料。3.优缺点优缺点2.应用应用 压痕大，测量准确，压痕大，测量准确，但不能测量成品件。但不能测量成品件。金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四（2）洛氏硬度（HRC）1.原理原理加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四（2）洛氏硬度（HRC）20671500N120金刚石圆锥体HRC251001000N
38、1.588mm钢球HRB7085600N120金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四（2）洛氏硬度（HRC）优点：操作简便、迅速，效率优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件高，可直接测量成品件及高硬度及高硬度的材料。的材料。3.优缺点优缺点缺点：压痕小，测量不准确，缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。需多次测量。金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四冲击韧度：冲击韧度：材料在冲击载荷作用下材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力抵抗变形和断裂的能力。冲击韧度：
39、冲击韧度：ak=冲击破坏所消耗的功冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断标准试样断口截面积口截面积S；(J/cmJ/cm2 2)金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四在试样上开缺口的目的：在试样上开缺口的目的：在缺口附近造成应力集中在缺口附近造成应力集中V型缺口比型缺口比U型缺口更容易被冲断。型缺口更容易被冲断。因此，不同类型的冲击试样，测出的吸收能量因此，不同类型的冲击试样，测出的吸收能量不能直接比较。不能直接比较。金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四吸收能量与温度的关系吸收能量与温度的关系有些材料在室温时有些材料在室温时不显示脆性不显示
40、脆性在较低温度是在较低温度是可能发生脆断。可能发生脆断。金属材料的吸收能量与试金属材料的吸收能量与试验温度有关。验温度有关。v高吸收能区v过度区v低吸收能区金属材料的力学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四疲劳强度：疲劳强度：金属材料在交变应力作用下金属材料在交变应力作用下不会发生疲劳破不会发生疲劳破坏坏，疲劳强度以，疲劳强度以-1-1 v1.密度密度v单位体积物质的质量称为该物质的密单位体积物质的质量称为该物质的密度。度。v密度小于密度小于5103kg/m3的金属称为的金属称为轻轻金属金属,如铝、镁、钛及它们的合金。如铝、镁、钛及它们的合金。v密度大于密度大于5103kg/m
41、3的金属称为的金属称为重重金属金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。天航空器上。金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v2.熔点熔点-v金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。v纯金属都有固定的熔点。纯金属都有固定的熔点。v熔点高的金属称为熔点高的金属称为难熔金属难熔金属，如钨、钼、钒，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。v熔点低的金属称为熔点低的金属称
42、为易熔金属易熔金属如锡、铅等，可如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。用于制造保险丝和防火安全阀零件等。v金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v3.导热性导热性v导热性通常用热导率来衡量。导热性通常用热导率来衡量。v热导率越大热导率越大,导热性越好。导热性越好。v金属的导热性以银为最好金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。铜、铝次之。v合金的导热性比纯金属差。合金的导热性比纯金属差。v在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以防止材料在加热或冷却过程中形成过大的
43、内应力，以免零件变形或开裂。免零件变形或开裂。v导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。v金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v4.导电性v传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。v电阻率越小，金属材料导电性越好。v金属导电性以银为最好，铜、铝次之。v合金的导电性比纯金属差。v电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。v电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。vv金属材料的物理性能 第四节第四节 金属
44、材料的性能金属材料的性能四四v5.热膨胀性热膨胀性v金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。称为热膨胀性。v由膨胀系数大的材料制造的零件由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变在温度变化时化时,尺寸和形状变化较大。尺寸和形状变化较大。v轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；隙尺寸；v在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响影响,以减少工件的变形和开裂。以减少工件的变形和开裂。金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v6.磁性磁性v铁磁性
45、材料铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。v顺磁性材料顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。v抗磁性材料抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。如铜、锌等。v铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。罗盘。v铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺铁
46、磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770。金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v 主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。v 1.耐腐蚀性 v 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。v 碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；v 钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。v 铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。v金属材料的化学性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v 2.抗氧化
47、性v 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。v 加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。v 如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v 金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。金属材料的物理性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v一、铸造性能一、铸造性能v 金属材料铸造成形获得优良铸件的能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。偏析来衡量。铸造金属材料的工艺性能 第四节
48、第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v1.流动性 v 熔融金属的流动能力称为流动性。v 流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。v 2.收缩性 v 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。v 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。v 3.偏析 v 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。v 偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。金属材料的工艺性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v二、锻造性能-v 金属材料用锻压加工方
49、法成形的适应能力称锻造性。v 锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属材料的工艺性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v三、焊接性能v 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。v 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。金属材料的工艺性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v四、切削加工性能v 切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。
50、v 金属材料具有适当的硬度(170 HBS230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。v 改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。v铜有良好的切削加工性能。金属材料的工艺性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v五、热处理工艺性能v 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好,碳钢的淬透性较差。v 铝合金的热处理要求较严。v 铜合金只有几种可以用热处理强化。金属材料的工艺性能 第四节第四节 金属材料的性能金属材料的性能四四v9、静夜四无邻，