金屬工藝學(xué)課件

1、2021/8/141金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué) 鄧文英鄧文英 第四版第四版任課教師任課教師 萬淑敏萬淑敏2021/8/142金屬材料的作用n材料材料與人類的出現(xiàn)和進(jìn)化有著密切的聯(lián)系，因而它們的名字已經(jīng)作為人類文明的標(biāo)志。例如，石器時代、青銅時代和鐵器時代。n公元前16世紀(jì)以前的殷商時代，已大量使用青銅，并已具有高超的冶鑄技術(shù)和精湛的藝術(shù)造詣；公元前4世紀(jì)以前的春秋戰(zhàn)國時期出現(xiàn)了鐵器，鑄鐵的生產(chǎn)比歐洲約早一千多年。 n我國的鋼產(chǎn)量在1996年突破了一億噸，達(dá)到世界第一。 2021/8/143緒論緒論n什么叫金屬工藝學(xué)？什么叫金屬工藝學(xué)？ 它是一門研究有關(guān)制造金屬零件工藝方它是一門研究有關(guān)制造金屬零件工

2、藝方法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。n主要研究：主要研究：（1）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制）各種工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制 造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；（2）金屬機(jī)件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；）金屬機(jī)件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；（3）常用金屬材料性能對加工工藝的影響；）常用金屬材料性能對加工工藝的影響；（4）工藝方法的綜合比較）工藝方法的綜合比較2021/8/144產(chǎn)品制造的過程產(chǎn)品制造的過程2021/8/145課程性質(zhì)、任務(wù)和學(xué)習(xí)要求課程性質(zhì)、任務(wù)和學(xué)習(xí)要求課程性質(zhì)課程性質(zhì) 技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)任務(wù)和要求學(xué)習(xí)任務(wù)和要求 1）掌握常用金屬材料

3、的主要性能；掌握常用金屬材料的主要性能； 2 2）掌握零件的加工工藝知識；）掌握零件的加工工藝知識； 3 3）培養(yǎng)工藝分析的基本能力）培養(yǎng)工藝分析的基本能力。 2021/8/146第一篇第一篇 金屬材料導(dǎo)論金屬材料導(dǎo)論n工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料主要包括金屬材料、無機(jī)工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料主要包括金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四大類。非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四大類。n金屬材料金屬材料是現(xiàn)代制造機(jī)械的最主要材料。主要是由是現(xiàn)代制造機(jī)械的最主要材料。主要是由于它具有制造機(jī)器所需要的物理、化學(xué)和力學(xué)性能：于它具有制造機(jī)器所需要的物理、化學(xué)和力學(xué)性能： 1、優(yōu)良的工藝性能，

4、包括鑄造性能、鍛造性能、優(yōu)良的工藝性能，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、機(jī)加工性能等。焊接性能、熱處理性能、機(jī)加工性能等。n 2、較好的使用性能，包括物理性能、化學(xué)性能、較好的使用性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能力學(xué)性能等。（第一章）等。（第一章） 2021/8/147n金屬材料以合金為主，很少使用純金屬。金屬材料以合金為主，很少使用純金屬。 n合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其它方法制或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其它方法制成的具有金屬特性的材料。成的具有金屬特性的材料。n最常用的合金，有以鐵為基礎(chǔ)的最常用的合

5、金，有以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金鐵碳合金；有以銅或鋁為基礎(chǔ)的銅合金和鋁合金。有以銅或鋁為基礎(chǔ)的銅合金和鋁合金。2021/8/148第一章第一章 金屬材料的主要性能金屬材料的主要性能n教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能 n教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)：-曲線特點(diǎn)曲線特點(diǎn)2021/8/149第一節(jié)第一節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 n力學(xué)性能力學(xué)性能是指金屬材料在受外力作用時是指金屬材料在受外力作用時所反映出來的性能。力學(xué)性能指標(biāo)，是所反映出來的性能。力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。 n金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑金屬材料的力學(xué)性能

6、主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。 2021/8/1410一、強(qiáng)度與塑性一、強(qiáng)度與塑性 2021/8/1411拉伸過程經(jīng)歷四個階段：拉伸過程經(jīng)歷四個階段：1. 彈性變形（彈性變形（OS）Oe段：直線階段，完全彈性變形段：直線階段，完全彈性變形eS段：極微量塑性變形段：極微量塑性變形 2屈服（屈服（s點(diǎn)點(diǎn)）彈性變形：彈性變形：去除外力后能完全恢去除外力后能完全恢 復(fù)到原來的形狀。復(fù)到原來的形狀。塑性變形：塑性變形：外力消除后仍存在的外力消除后仍存在的 永久變形。永久變形。3均勻塑性變形階段：（均勻塑性變形階段：（sbsb）4 4縮頸（縮頸（bkbk）

7、- -局部集中塑性變形局部集中塑性變形應(yīng)力應(yīng)力:=F F/ /A A0 0 （MPa）應(yīng)變應(yīng)變:= =L L/ /L L0 02021/8/1412抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b：金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。b=F b/A 0強(qiáng)度強(qiáng)度:是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s：材料開始明顯塑性變形的抗力材料開始明顯塑性變形的抗力 ，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。應(yīng)力。 s=F s/A 0 彈性極限彈性極限e：材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。e=F e/

8、A 0一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度（strength）2021/8/1413 中、高碳鋼和其他脆中、高碳鋼和其他脆性金屬材料無明顯屈服性金屬材料無明顯屈服現(xiàn)象，國家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生現(xiàn)象，國家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力塑性變形的應(yīng)力來表示屈服強(qiáng)度，即：來表示屈服強(qiáng)度，即：0.20.2= =F F0.20.2/ /A A0 02021/8/1414 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計機(jī)械和選擇、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計機(jī)械和選擇、評定金屬材料時有重要意義評定金屬材料時有重要意義 。 機(jī)械零件多機(jī)械零件多s以作為強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)。對于脆性材料以作為強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)。對于脆性材料在強(qiáng)度計算時，則以在強(qiáng)度計算時，則以b為依據(jù)。為

9、依據(jù)。2021/8/14152、塑性塑性(plasticity)塑性塑性: :是指金屬產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。是指金屬產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1) 伸長率伸長率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：式中：L0試樣原標(biāo)距的長度（試樣原標(biāo)距的長度（mm） L1試樣拉斷后的標(biāo)距長度（試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm） 2021/8/14162、塑性（、塑性（2）(2) 斷面收縮率斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對收縮值。的相對收縮值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：式中：A0試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mm

10、2） A1試樣斷面處的最小截面積（試樣斷面處的最小截面積（mm2） 和和愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。2021/8/1417二、硬度二、硬度（hardness）n硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。切削加工性。n硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。高度法等。n金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，金屬材料的硬度可用專門儀器來測試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏

11、硬度機(jī)等。常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。 2021/8/1418布氏硬度布氏硬度布氏硬度試驗原理圖布氏硬度試驗原理圖 式中：F試驗力，N； D壓頭的直徑,mm HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測出的硬度值。HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測出的硬度值。適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。2021/8/1419根 據(jù) 壓 頭 形 式 和 載 荷 不 同 有 三 種 標(biāo) 度 （根 據(jù) 壓 頭 形 式 和 載 荷 不 同 有 三 種 標(biāo) 度 （ H R A , HRB,HRC） ，能夠測試從軟到硬各種硬度的材料，能夠測試從軟到

12、硬各種硬度的材料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測硬度很高的材料。應(yīng)用最廣，可用于測硬度很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002當(dāng)硬度在當(dāng)硬度在200600HB, HRC1/10HB硬度一般不標(biāo)單位，如硬度一般不標(biāo)單位，如200HB, 55HRC2洛氏硬度洛氏硬度(HR) （以壓痕深度表示）（以壓痕深度表示）2021/8/1420布氏硬度與布氏硬度與洛氏硬度洛氏硬度的特點(diǎn)比較的特點(diǎn)比較 布氏硬度的特點(diǎn)：布氏硬度的特點(diǎn)： 布氏硬度因壓痕面積較大，布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實(shí)驗數(shù)值的代表性較全面，而且實(shí)驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太據(jù)的重

13、復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般在硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。以上的就不能使用。 由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。 通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。 洛氏硬度的特點(diǎn)：洛氏硬度的特點(diǎn)： 洛氏硬度洛氏硬度HRHR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。 但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料

14、中有但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復(fù)性也差。 2021/8/1421沖擊韌度（沖擊韌度（ak） n金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度沖擊韌度( (大能量、一次沖斷）大能量、一次沖斷）。n 試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。承受多次重復(fù)沖擊的能力，

15、主要取決于強(qiáng)度。n沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產(chǎn)上沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。方法。2021/8/1422n夏比沖擊試驗夏比沖擊試驗 1. 1.試驗原理試驗原理 式中：式中：Ak折斷試樣所消耗的沖擊功（折斷試樣所消耗的沖擊功（J） A試樣斷口處的原始截面積（試樣斷口處的原始截面積（cm2） 對于脆性材料試樣一般對于脆性材料試樣一般不開缺口不開缺口沖擊韌度沖擊韌度K =AK/A 2021/8/1423疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 n 當(dāng)金屬材料在當(dāng)金屬材料在無數(shù)次重復(fù)無數(shù)次重復(fù)或交變載荷

16、或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度。做疲勞強(qiáng)度。n 材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對稱彎曲疲勞試驗機(jī)上測定。曲疲勞試驗機(jī)上測定。 n在在循環(huán)載荷循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循作用下，材料承受一定的循環(huán)應(yīng)力環(huán)應(yīng)力和斷裂時相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)和斷裂時相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N N之之間的關(guān)系可以用曲線來描述間的關(guān)系可以用曲線來描述 2021/8/1424- -N N曲線曲線 無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)，對于鋼材為無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)，對于鋼材為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼常取，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼常取108。 2021/8/1425二、金屬材料

17、的物理、化學(xué)及二、金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能工藝性能 一、金屬的物理性能一、金屬的物理性能1 密度密度2 熔點(diǎn)熔點(diǎn)3 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性4 導(dǎo)電性導(dǎo)電性5 熱膨脹性熱膨脹性6 磁性磁性2021/8/1426二、金屬的化學(xué)性能二、金屬的化學(xué)性能 它是金屬材料在它是金屬材料在室溫或高溫室溫或高溫時抵抗各種時抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力。的化學(xué)侵蝕能力。 1. 耐腐蝕性耐腐蝕性(如耐酸性、耐堿性等如耐酸性、耐堿性等) 2抗氧化性抗氧化性 3化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性2021/8/1427金屬的工藝性能金屬的工藝性能 工藝性能工藝性能是物理、化

18、學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等 一、鑄造性能一、鑄造性能 金屬在鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為金屬在鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動性、吸氣性、收縮性和偏析等。在鑄造性能。鑄造性能包括流動性、吸氣性、收縮性和偏析等。在金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。 二、鍛造性能二、鍛造性能 金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形性能的好壞主要同金屬的塑性和變形