中南大学金工实习ppt 金属材料导论

6、冲击韧度（impact hardness）
• 冲击韧度——金属材 料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。 • 冲击韧度的测定在冲 击实验机上进行。
• ak=Ak/F
•意义：① 用于受较大冲击载荷的零件；
•
② 检验热加工工艺质量。
7、疲劳强度（ fatigue
strength）
• 疲劳破坏____受交变载荷作用的零件，发生断裂 时的应力，远低于材料的屈服强度，这种破坏现 象，叫做疲劳破坏 • 疲劳强度——当金属材料在无数次重复或交变载 荷作用下而不致引起断裂的最大应力,叫做疲劳强 度。 •疲劳强度通常在旋转对称弯 曲试验机上进行。
碳素钢的力学性能与含碳量的关系:
当 C% ↑ 则 σb ↑ HBS ↑ δ↓ ψ↓
1、工业用钢(steel products)
②按冶金质量分类 普通钢： S≤0.050% P≤0.045% 优质钢: S≤0.035% P≤0.035% 高级优质钢:S≤0.020% P≤0.020% ※S——使钢产生热脆；P——使钢产生冷脆 ③按用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能钢
•用符号σ-1表示弯曲疲劳强度
产生疲劳破坏的原因
材料有杂质、表面划伤等缺陷
微裂纹
应力集中
裂纹扩展
破 坏
8、断裂韧性（Fracture toughness ）
• 异常断裂现象 在材料的强度、塑性、冲击韧 性等都符合设计要求的情况下，零件在使用过 程中出现突然断裂事故。 原因 研究表明这种断裂事故产生的原因是于 内部存在着各种宏观缺陷，这种缺陷相当于裂 纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附 近便出现应力集中，应力不断增长，裂纹扩展， 导致断裂。 • 断裂韧性就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张 能力的性能指标，通常用K1c表示。
1、工业用钢(steel products)
⑤特殊性能钢 不锈钢：1Cr18Ni9Ti、1Cr13、2Cr13、 3Cr13 耐热钢：1Cr13Si3、1Cr23Ni2 热强钢：1Cr6Si2Mn、4Cr12Ni8MoVNb
2、铸铁（cast iron）
铸铁的特点： σb 、δ、 aK低，但抗压强度高，铸造性、切 削加工性、减震性、耐磨性良好。 (1)白口铸铁（white cast iron) 碳以Fe3C形式存在，断口呈白色， 性硬而脆。可制造耐磨件。 (2)灰口铸铁（grey cast iron) 碳主要以石墨形式存在，断口 呈灰色 牌号：HT150、HT200、 HT250、HT300
• 2、常用的热处理方法
– – – – 退火 正火 淬火 回火
• 3、表面热处理
– 表面淬火 – 表面化学热处理
1、金属热处理基本概念
热处理（heat treatment):将金属 在固态下通过加热、保温（热透）、冷 却，改变其内部组织结构，从而改变其 力学性能的一种工艺方法。
• F0——试样的原始横截面积（mm2） • F——试样断裂后的横截面积（mm2） • Ps ，Pb 分别为屈服点和最大点的拉力 （ N） • l0，l 分别为试样断裂前后的长度
强度和塑性指标的重要意义
• 强度
– 机械设计和选材的重要依据。一般零件的许 用应力必须小于屈服强度。无明显屈服点的 零件，许用应力小于抗拉强度。 – 对于弹性元件其许用应力应小于弹性极限。
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第一章 金属材料导论
第一章
金属材料导论
• 一、金属材料的力学性能
• 二、金属材料的性能简述 • 三、工程材料简介 • 四、金属热处理方法
一、金属材料的力学性能
1、弹性与塑性 2、强 度 3、强度与塑性指标 4、刚 性 5、硬度 6、冲击韧度 7、疲劳破坏 8、断裂韧性
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2、铸铁（cast iron）
(3)可锻铸铁(malleable cast iron) 碳以团絮状石墨形式存在
生产方法：白口铸铁经石墨化退火而成。 牌号：KTH300-06 KTZ550-04 KTB400-05 用途：韧性较高的 小铸件、连 杆、小曲轴 等
2、铸铁（cast iron）
(4)球墨铸铁(ductile iron)
120º 金刚 HRA 石圆锥 HRB
Φ1.588mm
钢球
软钢、退火钢、 铜合金
120º 金刚 HRC 石圆锥
20~67 液火钢、调质钢等
维氏硬度的测定
•采用正四棱锥体为 压头，用压痕单位面 积上的载荷来计量硬 度值。主要用于测量 极薄试样的硬度。
硬度的意义
• 硬度试验是一种非破坏性实验，可以直 接在零件上测量。一般零件图上标有硬 度作技术要求。
二、金属材料的性能简述
使用性能 •物理性能
铸造性能
工艺性能 焊接性能 锻造性能 热处理性能 切削加工性能
•化学性能
•力学性能
金属材料的物理、化学性能
• 物理性能
– 熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。
• 化学性能
– 耐腐蚀性、抗氧化性等。
• 物理化学性能将影响工艺性能和使用性 能。
复习思考题
金属材料的力学性能
Mechanics properties of metals
• 金属材料的力学性能是指金属材料在外 力作用下所反映出来的性能。 • 主要性能指标有：
– 弹性、塑性、刚性（度）强度、硬度、冲击 韧性、疲劳强度和断裂韧性
1、弹性与塑性 （elasticity and plasticity）
碳以圆球状石墨形式存在 生产方法:向铁水中加入孕育剂、球化剂 性能特点:与钢接近,强韧性较高 牌 号:QT400-18 QT600-3 用 途：可代替钢材， 制造主轴、 齿轮、曲轴
3、有色金属
• • • • 钢材料材料以外的金属称为有色金属。 铝及铝合金 铜及铜合金 钛合金
四、金属热处理方法
• 1、金属热处理基本概念
• 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂 的能力——强度。 •分 类
•拉力——抗拉强度
•压力——抗压强度
•弯曲力——抗弯强度
•。。。。
3、强度与塑性指标
• 工程上通用的表示塑性的指标为：
– 延伸率（δ）
– 断面收缩率（ψ）
•工程上通用的表示强度的指标 为： •屈服强度（σs、 σ0.2） •抗拉强度（ σb）
(1)钢的分类
碳素钢(carbon steel)
① 按化学成分分类
合金钢(alloy steel)
1、工业用钢(steel products)
碳素钢: 低碳钢 C≤0.25% 中碳钢C≥0.25%～0.55% 高碳钢C>0.55%
合金钢: 在碳钢的基础上加入Cr、Ni、 Mo、W、Mn、Si …等元素
11、某室温下使用的一紧固螺栓在工作时 发现紧固力下降，试分析材料的何种性 能指标没有达到要求？提出主要的可能 解决措施。 12、对自行车座位弹簧进行设计和选材， 应涉及到材料的哪些主要性能指标？ 13、实际生产中，为什么零件设计图上一 般是提出硬度技术要求而不是强度或塑 性值？
三、工程材料简介
1、工业用钢(steel products)
③合金结构钢 钢号：用含碳量与合金元素及其含量表示 20Cr、23CrNi3A、20Cr2Ni4、 35CrMo、40Cr、60Si2Mn 用途：热处理后具有优良的力学性能，制 造重要零件
1、工业用钢(steel products)
④工具钢： 制造刀具、量具、模具的钢 碳素工具钢：T7、T7A、T8、T8A、T10、 T10A、T12、T12A 用途：制造手工工具、低速刀具 如锯条、锉刀、铣锥、钻头、铰刀等 低合金工具钢：9SiCr、9Mn2V 高速工具钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 热作模具钢：5CrNiMo、3Cr2W8V 冷作模具钢：Cr12MoV、9Mn2V
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
在拉伸实验机上进行 实验测得
拉伸实验机
标准拉伸试样
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
•低碳钢拉伸图
强度和塑性指标的计算公式
• 根据拉伸实验结果进行计算，计算公式分别为：
• • • • •
δ =（l-l0）/l0×100% Ψ=（F0-F）/F0 ×100% σs=Ps/ F0 （MPa） σb=Pb/ F0 （MPa） σe=Pe/ F0 （MPa）
1、工业用钢(steel products)
30 35 40
45
中碳调质钢，调质后综合力学性能较好，用 作主轴、曲轴、连杆、齿轮等结构件
50 55 60 65 70 75
含碳高，淬火、中温回火后强度高、弹性高、 韧性好，用作钢丝绳、弹簧、凸轮等结构件
较高含锰量优质碳素结构钢：Mn约为1.0～1.2% 15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn
• 常用工程材料：钢材、铸铁、铝及铝合 金、铜及铜合金、粉末合金、工程塑料、 橡胶、陶瓷材料、复合材料、磁性材料、 超导材料、纳米材料 • 以下分别介绍
– 1、工业用钢 – 2、铸铁 – 3、有色金属
三、工程材料
1、工业用钢(steel products)
碳素钢的基本化学成分：Fe、C 、Si 、Mn 碳钢—— 含碳量<2.11% 铸铁—— 含碳量>2.11%
– – – – 布氏硬度 （HB） 洛氏硬度 （HR） 维氏硬度 （HV） 。。。
布氏硬度的测定
• 用布氏硬度计 •压头是直径为D的钢球或硬质合金球。
•HBS——压头为钢球，用于测量<450HBS
•HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW •计算公式： •HB=压入载荷（N）/压痕表面积（mm2）
• 塑性
– 是金属材料进行塑性加工的必要条件。 – 是零件安全使用的可靠保证。
4、刚 性（rigidity）
• 刚性 金属材料抵抗弹性变形的能力。 •材料本身的弹性模量
•零件截面积的大小 •零件能否顺利进行加工
•影响零件的加工精度
5、硬 度（hardness）
• 金属材料抵抗比它更硬的物体压入其内 的能力，叫做硬度。 • 根据测定硬度的实验方法不同来分类。
• 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外 力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。 • 弹性变形 随着外力消失而消失的变形，叫做 弹性变形。 • 塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形 而不致引起破坏的性能叫做塑性。 • 塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可 恢复的变形，叫做塑性变形，
2、强 度（strength）
1、金属材料的力学性能指标有哪些？是如何定 义的，有何意义？ 2、下列代号的含义： 3、HBS、σb、 σs、HRC、ψ、δ、аk、 σ-1 4、零件加工完成后，采用哪种方法测量其力学 性能？ 5、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，钟表 发条可能发生什么变形？
6、某厂购进一批钢材，从中制取d0=10mm的圆形截面短 试样，经拉伸实验后，测得 Fb=33.81KN, Fs=20.68KN, Lk=65mm, dk=6mm. 试问这批钢材的力学性能是否合格？ （注：GB699—88规定此种钢材的力学性能判据： b=375 MPa；s=225 MPa;5=27% ;ψ=55% )。 7、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？ • （1）HRC12～17；（2）HRC =50～60 Kgf/mm2； （3）500～530 HBS ； • （4）70HRC～75HRC ；（5）230 HBW ； 8、整体硬度要求230HBS～250HBS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？ 9、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？ 10、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？
洛氏硬度的测定
• 用洛氏硬度计
– 洛氏硬度计用金刚石圆 锥或小钢球为压头，实 验时是根据测量到的压 入深度，转变成刻度盘 上的数据。
•计算公式：
•HR(A)C=100-h1/0.002
洛氏硬度的分类及应用
标度 压头 总载荷 应用范 （kg） 围 60 100 150 70~85 25~100 适用材料 硬质合金、 表面淬火的钢
1、工业用钢(steel products)
（2）钢的编号与用途 ①碳素结构钢
钢号：用该钢屈服强度σS来表示
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
用途：一般零件、工程结构用钢
②优质碳素结构钢
钢号：用该钢平均含碳量的万分之几表示。 08
10 15
20 25
含碳量低、σb与HBS低,δ与aK值高， 制造塑性较高、强度低的零件或钢结构