第一章 金屬性能(模具材料與熱處理)

1、講師：蔣謹伶緒緒 論論為什么要學習模具材料和熱處理？ 模具材料與熱處理是模具設計與制造專業(yè)的一門專業(yè)基礎模具材料與熱處理是模具設計與制造專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，也是專業(yè)核心課程。學生在從事模具設計和制造的課程，也是專業(yè)核心課程。學生在從事模具設計和制造的工作時，都會遇到模具材料的選用，模具材料的性能及改工作時，都會遇到模具材料的選用，模具材料的性能及改善材料性能的問題，所以學習該課程是非常重要的。善材料性能的問題，所以學習該課程是非常重要的。 該課程知識內(nèi)容是學習其他專業(yè)課程的基礎，該課程的專該課程知識內(nèi)容是學習其他專業(yè)課程的基礎，該課程的專業(yè)基礎能力培養(yǎng)是模具專業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)的重要組成部分。

2、業(yè)基礎能力培養(yǎng)是模具專業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)的重要組成部分。什么是材料？ 材料是人類生活和生產(chǎn)所必需的物質(zhì)基礎。材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。為什么材料要進行熱處理？ 在機械制造的生產(chǎn)過程中，一般是先用鑄造、壓力加工或焊接等成形方法將材料制作成零件的毛胚（或半成品），再經(jīng)過切削加工制成尺寸精確的零件，最后將零件裝配稱機器。但在制造過程中，我們未來改善毛胚和工件的性能，使其達到所需的性能要求，常需要在制造過程中穿插進行熱處理。教學目標與基本要求：建立模具材料與熱處理的完整概念掌握必要的材料科學和有關成形技術的理論基礎熟悉各類常用的模具材料掌握熱處理工藝

3、方法的特點和應用范圍了解與本課程有關的新材料、新技術、新工藝內(nèi)容介紹：金屬的性能碳素鋼鋼的熱處理合金鋼和硬質(zhì)合金模具材料概論冷作模具材料熱作模具材料塑料模具材料模具表面強化技術學習方法： 聯(lián)系實際生活，思考理論問題，再去解決實際問題，多看、多想、多問，多實踐。第一章 金屬的性能第一節(jié) 金屬材料的分類金屬：由單一元素構(gòu)成的具有特殊的光澤、延展性、導電性、導熱性的物質(zhì)。合金：由一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結(jié)合成的具有金屬特性的材料。金屬材料：金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的，并具有金屬特性的物質(zhì)，即金屬及其合金的總稱。金屬材料：強韌性好，塑金屬材料：強韌性好，塑性變形能力

4、強，導電、導性變形能力強，導電、導熱性好，為主要的工程材熱性好，為主要的工程材料。料。第一章 金屬的性能金屬可分為黑色金屬和有色金屬。第一節(jié) 金屬材料的分類 黑色金屬（以鐵或以它為主）碳素鋼合金鋼鑄鐵 有色金屬（除黑色金屬以為）輕金屬重金屬貴金屬稀有金屬放射性金屬第一章 金屬的性能第一節(jié) 金屬材料的分類第一章 金屬的性能 金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能：金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，包括物理性能（密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性等）、化學性能（耐腐蝕性、抗氧化性等）和力學性能（強度、硬度、塑形、韌性等）。工藝性能：金屬材料在制造加工過程中表現(xiàn)出來的各種性能。第二節(jié)

5、金屬的力學性能第一章 金屬的性能一、基本概念力學性能：材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。（1）載荷載荷：金屬材料在加工和使用過程中所受的外力。第二節(jié) 金屬的力學性能靜載荷靜載荷：大小不變或變化過程緩慢的載荷。 沖擊載荷沖擊載荷：短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。交變載荷交變載荷：大小、方向或大小和方向隨時間周期性變化的載荷。載載 荷荷第一章 金屬的性能一、基本概念（2）變形變形：受到載荷作用而產(chǎn)生的幾何形狀和尺寸的變化?？煞譃閺椥宰冃魏退苄巫冃?。彈性變形：卸去載荷后，能恢復到原狀的變形。塑形變形：卸去載荷后，不能恢復到原狀的變形，即留有殘余變形。（

6、3）內(nèi)力內(nèi)力：材料受外部載荷作用時，為保持其不變形，材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對抗的力。應力：單位面積上的內(nèi)力。 單位：MPaMPa應變：單位伸長量。 SF0LL第二節(jié) 金屬的力學性能第一章 金屬的性能二、強度與塑性（1 1）定義）定義強度金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，通常用應力的表示。（可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗扭強度和抗彎強度）塑性在外力作用下，金屬材料產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。(2)(2)試驗方法：拉伸試驗試驗用標準試樣：長試樣（L0=10d0）和短試樣（L0=5d0）第二節(jié) 金屬的力學性能第一章 金屬的性能二、強度與塑性（3）拉伸試驗所得（F-L）拉伸曲線

7、拉伸過程可分為彈性變形、屈服、強化和頸縮四個階段。opop：彈性變形階段（F與L成線性正比）pepe，：屈服階段（塑性變形）e e，m m：強化階段（m載荷最大值）mzmz：頸縮階段（截面面積縮小，截面處繼續(xù)變形）z z 拉伸曲線終點，此時試樣已經(jīng)斷裂。第二節(jié) 金屬的力學性能第一章 金屬的性能二、強度與塑性（3）拉伸試驗所得（F-L）拉伸曲線（F-L）拉伸曲線可變?yōu)椋?）應力應變曲線。彈性極限e：材料完全彈性變形時承受的最大應力。e=Fe/S0； Fe產(chǎn)生完全彈性變形的最大載荷（N）屈服強度e，:載荷恒定而試樣仍能伸長時的應力。抗拉強度b：材料在斷裂前承受的最大應力。第二節(jié) 金屬的力學性能0e

8、eSFRLL0SFRmm第一章 金屬的性能第二節(jié) 金屬的力學性能二、強度與塑性二、強度與塑性 塑性塑性材料材料-在拉伸試驗中具有屈服現(xiàn)象的金在拉伸試驗中具有屈服現(xiàn)象的金屬材料。屬材料。 脆性脆性材料材料-沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料。沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料。如，鑄鐵；可用如，鑄鐵；可用0.20.2( (試樣卸除拉伸力后，其標試樣卸除拉伸力后，其標距長度部分的伸長率達到距長度部分的伸長率達到0.2%0.2%時的應力時的應力) )表示其表示其屈服強度。屈服強度。屈強比屈強比-s s/b b；屈強比高，則；屈強比高，則材料強度的有效利用率高，但過高材料強度的有效利用率高，但過高也不好，一般以也不好

9、，一般以0.750.75左右為宜。左右為宜。 鑄鐵的拉伸曲線鑄鐵的拉伸曲線二、強度與塑性（4）塑性伸長率A定義：試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。（5）斷面收縮率Z定義：試樣拉斷后，縮頸處橫截面積縮減量與原始橫截面積的百分比。第一章 金屬的性能%100001LLLA第二節(jié) 金屬的力學性能%100001SSSZA A和和Z Z越大，越大，塑性越好。塑性越好。第一章 金屬的性能三、硬度硬度材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 第二節(jié) 金屬的力學性能 (1) (1)布氏硬度布氏硬度HB ( Brinell-hardness ) HB ( Brinell-hardness ) 布氏硬度計

10、布氏硬度計 第一章 金屬的性能三、硬度第二節(jié) 金屬的力學性能 (2) (2)洛氏硬度洛氏硬度( Rockwll hardness) ( Rockwll hardness) 洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度洛氏硬度計計壓頭是頂角為壓頭是頂角為120120的金剛的金剛石圓錐體或石圓錐體或1.588mm1.588mm的淬火的淬火鋼球。鋼球。洛氏硬度常用標尺有：洛氏硬度常用標尺有： HRB HRB 輕金屬，未淬火鋼輕金屬，未淬火鋼 HRC HRC 較硬，淬硬鋼制品較硬，淬硬鋼制品 HRA HRA 硬、薄試件硬、薄試件第一章 金屬的性能三、硬度第二節(jié) 金屬的力學性能 (3)(3)維氏硬度維氏

11、硬度 維氏硬度的壓力一般可選維氏硬度的壓力一般可選5 5，1010，2020，3030，5050，100100，120kg120kg等，等，小于小于10kg10kg的壓力可以測定顯微組織的壓力可以測定顯微組織硬度。硬度。四、沖擊韌性沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力。沖擊吸收功AK-試樣被沖斷時所吸收的能量即是擺錘沖擊試樣所做的功。沖擊韌度K-沖擊試樣缺口處單位橫截面面積上的沖擊吸收功，公式為 ： K= AK/ S0 K沖擊韌度， J/cm2; AK沖擊吸收功， JS0試樣缺口處橫截面積,cm2第一章 金屬的性能21GHGHAK第二節(jié) 金屬的力學性能第一章 金屬的性能五、疲勞強度（1

12、）模具的主要失效形式 第二節(jié) 金屬的力學性能失效形式失效形式變形失效變形失效斷裂失效斷裂失效表面損傷失效表面損傷失效彈性變形失效塑性變形失效塑性斷裂失效疲勞斷裂失效低應力脆斷失效應力腐蝕斷裂失效腐蝕失效磨損失效表面疲勞失效疲勞破壞疲勞破壞是是零件失效的零件失效的主要原因！主要原因！第一章 金屬的性能五、疲勞強度（2）疲勞斷裂在較低的應力作用下，經(jīng)多次使用而在表面產(chǎn)生裂紋，裂紋緩慢擴展后發(fā)生的斷裂，其斷口為纖維狀。（3）疲勞強度定義：金屬材料抵抗交變應力作用而不產(chǎn)生破壞的能力。金屬材料的疲勞強度金屬材料在無限多次交變應力作用下而不破壞的最大應力。疲勞強度數(shù)值越大，材料抵抗疲勞破壞的能力越強。應力循環(huán)次數(shù)黑色金屬：107周次有色金屬、不銹鋼：108周次第二節(jié) 金屬的力學性能第一章 金屬的性能第三節(jié) 金屬的工藝性能工藝性能金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力。（1）鑄造性能鑄造成型過程中獲得外形準確、內(nèi)部完整的鑄件的能力。影響因素：流動性、收縮性、偏析傾向（2）鍛造性能用鍛壓成型方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度。影響因素：金屬的塑性和變形抗力。（3）焊接性能金屬材料對焊接加工的適應性。影響因素：金屬材料的化學成分（碳）（4）切削加工性能金屬材料切削加工的難