机械制造基础ppt课件

试样拉 断后标
l1 l0 100%
A0 A1 100%
断后断 口截面
距长度
l0Байду номын сангаас
A0
积
试样原 始标距 长度
, 塑性
试样原始 截面积
l0 10d0时 ， 用 10或 表 示 ； l0 5d0时 ， 用 5表 示 。
.
硬度
定义：金属材料抵抗局部变形、压痕的能 力，称为硬度。 它是金属材料在静载时所 表现出的机械性能。
强度
判据
抗拉强度 金属材料在拉断前所能承 受的最大应力，以 b 表示。
b
Fb A0
(MPa)
拉断前最大载荷 试样原始截面积
机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈 服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性 变形，以抗拉强度作为判据。
.
塑性
定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏
的能力，以伸长率 或收缩率 表示： 试样拉
晶核的成长速度 速度越快，晶粒越粗。
过冷度增加，形核率与成长率增加， 但形核率远大于成长率，晶粒细。
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关注“过冷度”的原因是由于其与晶粒 的大小相关，而晶粒大小又与材料的强 度、硬度等机械性能相关。
晶粒越小，晶粒之间晶界的强度越高， 材料的力学越高，所以晶粒越小越好。
哪些因素会影响晶粒的大小？
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纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
晶格、晶胞和晶格常数 晶格：假设将原子抽象为一个结点，用 假想的直线连接结点，形成空间格架。 晶胞：把晶格中具有空间排列特征的最 小几何单元
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纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
晶格常数：晶胞三 个棱边的长度称为
晶格常数，用a、b、 c表示，棱边之间的
夹角用 、、
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金属材料的物理、化学及工艺 性能
工艺性能 是金属材料物理、化学性能和力学性能 在加工过程中的综合反映，是指是否易 于进行冷、热加工的性能。 按工艺方法的不同，可分为铸造性、可 锻性、焊接性和切削加工性等。
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小结
本章重点是金属材料的力学性能 力学性能方面 各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、
机械制造基础
第一篇 金属工艺学
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绪论
金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺
方法的相关基础知识（材料和热处理）。
加工方法
铸造 压力加工 焊接 热处理
金属 热加工工艺 材料
毛坯
改善金属材料或毛坯的加工性 能和力学性能
切削加工 冷加工工艺 金属材料
零
. 或毛坯
件
第一篇 金属材料导论
内容
金属材料的主要性能 不同温度下金属材料的结构及变化 金属材料的种类 铁碳合金 钢的热处理
布氏硬度（HB）
优点：硬度值较稳定，测试数据重复性 好，准确度较洛氏硬度法高。
缺点：测量费时，且因压痕较大，不适 于成品检验，太薄太硬（>450HB）的不 适合。
名称、符号、定义、方法、单位
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洛氏硬度（HR）法
测试原理： （1）以顶角为120°金刚石圆锥体（或
Φ1.588mm淬火球）为压头（根据材料不
强度（名称）
定义：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变 形和断裂的能力。
判据：屈服强度、抗拉强度。（应用场合）
屈服强度 拉伸试样产生屈服现象时的应力。
符号、单位
s
Fs A0
(MPa)
屈服时最大载荷 试样原始截面积
单位横截 面上内力
无明显屈服现象的金属材料，以试样产生0.2％塑性变 形时的应力，作为该材料的屈.服点，用 r 0 .2 表示。
来表示。
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常见金属的晶格类型
体心立方——立方体8个顶角和立方 体中心各有1个原子，晶胞实有原子 数为2个，致密度68％。
面心立方——8个顶角和6个面的中 心都各有1个原子，晶胞实有原子数 为4个，致密度74％
有什么意义？同样材料有不同结构，密
度不同，结构转化时有体积变化. 。
纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
铁的同素异晶转变------固态下原 子重新排列的过程
与结晶（液态下进行）的区别： 同素异晶转变时，其新相的晶核在特定 的晶面上形成。 固态转变比结晶转变具有较晶体结构不同，引起密度变化，引起 体积变化）。
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结晶过程示意图
纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
晶粒的大小及其控制 晶粒大好？小好？ 晶粒小、晶界多且方向各异、塑性变 形阻力大、机械性能增高（强度、塑 性、硬度、韧性、疲劳强度）
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纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
晶粒的大小取决于：
晶核形成的多少 单位时间内晶核的形成多，晶粒数量 多，最终形成许多细小的晶粒。
同情况），在规定的载荷下，垂直地压 入被测金属表面；
（2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上
的指针直接指示出HR值。
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F
优点：测试简单、
迅速，压痕小，可
用于成品检验。
缺点：重复性较差， 必须在不同部位测 量数次。
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韧性
定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。
评价指标：冲击韧度
KK
。AK
A
(J
cm2)
测定方法：采用摆锤式冲击试验机测定。
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韧性
原理：
（1）将带缺口的标准 冲击试样放在试验机上
（2）用摆锤将其一次冲断
（3）以试样缺口处单位截
冲断试样所消
面积上所吸收的冲击功表
耗的冲击功
示冲击韧度，即：K
AK A
(J cm2)
试样缺口
.
处截面积
疲劳强度
疲劳断裂：当零件在疲劳载荷（周期性或非 周期性动载荷）作用下发生断裂时，其应力 往往大大低于该零件材料的强度极限，称该 断裂为疲劳断裂。
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第二章 铁碳合金
主要内容： 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态图 工业用钢简介 零件选材原则
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第一节 纯铁的晶体结构及其同素 异晶转变
对金属结晶过程的了解（液态转变为固态） 金属结晶过程所涉及的几个基本概念 过冷、过冷度、自发晶核、非自发晶核、
晶粒粗细（影响材料性能） 对纯铁晶体结构的了解 同素异晶的概念
分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚， 部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心（晶核
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纯铁的晶体结构及其同素异晶转变
晶核的形成方式： 自发晶核：液态金属原子自发形成的晶核。 非自发晶核：实际结晶过程中，金属液体 中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形 成晶核。如人工加入非自发晶核物质，称 人工晶核。 材料中形成的晶核数量越多（原子数量一 定）则结晶后的晶粒越细小。
内涵：硬度是衡量金属软硬的判据。 测定方法：在硬度计上测定。
布氏硬度法 洛氏硬度法 维氏硬度法
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布氏硬度（HB）
d
测试原理：
（1）以直径为D 的淬火钢球或硬质合金球，在载荷F
的静压力下，压入被测材料的表面； （2）停留若干秒后，卸去载荷；
（3）测出压痕直径d，并根据. d的数值查出HB值。
纯铁的同素异晶转变
定义：随着温度的改 变，固态金属晶格由 一种转变为另一种晶 格的变化。
晶体结构——改变
结晶过程温度——不 变
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纯铁的同素异晶转变
纯铁的同素异晶转变
纯铁冷却曲线（三个平台）
1538℃ ，纯铁由液态到 固态的结晶阶段，体心立
方晶格， －铁
1394℃ ，晶格转变为面
向立方晶格， －铁
912℃ ，晶格再次转变为
体心立方晶格， －铁
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纯铁的同素异晶转变
9 12C
FeFe
铁的同素异晶转变------固态下原 子重新排列的过程（重结晶）
实质：遵循晶核形成和长大的结晶过程，为了区别 由液态转变为固态的初次结晶，将同素异晶转变称 作二次结晶或重结晶（固态下的转变）。
实验中发现温度变化过程中，体积发生改变，进而 研究内部分子结构变化，发.现金属的同素异晶转变。
思考：
1 疲劳曲线的水平部分说明什么？ 2 工业实际中，无数次循环载荷作用怎 么体现？各种材料有相应的循环次数 3 通常的钢材是以多少次循环载荷来决
定疲劳极限（疲劳强度）？ 10 7
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金属材料的物理、化学及工艺 性能
物理性能
密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电 性和磁性等。
化学性能
主要是指在常温或高温时，抵抗各种介 质侵袭的能力，如耐酸性、耐碱性和抗 氧化性等。
区别屈服、抗拉强度静载荷
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疲劳强度
疲劳曲线：金属材 料所承受的疲劳应 力与其断裂前的应 力循环次数的关系。
应力
当应力按正弦曲线对 称循环时，疲劳强度
以符号 1 表示。
疲劳极限或疲劳强 度：金属材料在无 数次循环载荷作用 下不致引起断裂的 最大应力。
O 循环次数N
原因：金属材料存在内部缺陷 或零件.局部应力集中产生裂纹。
振动和离心浇注等，液态金属流动加快，晶核形
成率提高，生长的晶体破坏，晶粒细化。
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思考： 1 晶粒大小对材料性能有何影响？晶粒大
好还是晶粒小好？ 2 在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒？ 3这些因素与过冷度有何关系？
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纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
纯铁的晶体结构 晶体与非晶体 晶体是由原子按一定规则排列， 如金属及其合金及大多数矿物。 非晶体的原子排列较不规则， 如玻璃。
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金属的结晶过程
晶核的长大：晶核在冷 却过程中不断集结液体 中的原于而逐渐长大， 同时新的晶核也不断形 成和长大，直至由晶核 长大形成的晶粒彼此接 近，液态金属逐渐消失 而完成结晶。
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结晶过程示意图
纯铁的晶体结构及其同素异晶 转变
晶核长大的实质：液体 原子向固态晶核表面集 结迁移，形成晶粒。
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金属结晶的基本概念
过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡 结晶温度）的现象。
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。 为什么强调过冷和过冷度的概念？ 对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响。
冷却速度
实际结晶. 温度
过冷度
金属的结晶过程
金属的结晶过程：晶核的形成＋晶核的长大
晶核的成长
晶核的形成：液态金属冷却到一定温度时，部
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纯铁的晶体结构及其同素异晶转变
金属结晶的基本概念
定义：金属原子的聚集状态由无规则的液态， 转变为规则排列的固态晶体的过程，可用冷却 曲线来表达。
结晶温度：每种金属的固定熔点，即结晶温度
t0，通常称理论结晶温度（特殊条件）。
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金属结晶的基本概念
冷却曲线：表示金属冷却到某一温度时， 冷却时间增加而温度不再下降，出现一个 水平台阶， 其对应温度 为实际结晶 温度。
（3）记录每一瞬间载荷F 和伸长量，并
绘制出拉伸曲线。
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强度和塑性
拉伸曲线特性
Oe阶段——弹性变形 es阶段——弹性＋塑
性变形 s点——屈服点，出现
“屈服”现象 bk阶段——出现“缩
颈”
载荷 F ( )
4F
d
2 0
s e
O
.
F (e) F (s)
F (b) F (k )
b k
l
l l
伸长量 l( )
.
小结
过冷的概念及对材料性能的影响 结晶过程 晶粒的概念及其大小对材料性能的影响 细化晶粒的方法 铁的同素异构转变的概念及其特点
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铁碳合金的基本组织
概念较多 基本脉络： 铁碳合金的组织分为三类：固溶体、
金属化合物、机械混合物 每一类又分为若干的“体”
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铁碳合金的基本组织
合金的基本概念 合金——两种或两种以上的金属元素，或金
韧性 疲劳强度 动载荷下的力学性能
衡量 金属 材料 主要 标志
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学习要求： 常用的力学（机械）性能指标 （名称、符号、含义、单位）
学习方式： 结合对概念的理解去记忆。
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F
F
d0
D
强度和塑性
l0
L
测定方法：拉伸试验 原理 （1）试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷。 （2）载荷不断增加，试样被逐步拉长， 直到拉断。
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第一章 金属材料的主要性能
力学性能------重点（机械制造角度） 物理性能 化学性能 工艺性能
性能为什么要分为几类？每一类都包括 哪些具体指标？具体指标是重点
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第一章 金属材料的主要性能
金属材料的力学性能：材料在力的作用 下所表现出来的性能，也称机械性能。
强度
塑性 硬度
静载荷下的力学性能
疲劳强度）的名称、定义、符号、单位 拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线
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第二章 铁碳合金
定义： 合金——以一种金属为基础加入其它金属 或非金属，经过熔合而得到的具有金属 特性的材料，称为合金。 铁碳合金——以铁、碳为主要组成的合金。 如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金， 其中铁的含量占95％以上。
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晶粒的大小及其控制
细化晶粒的方法
用细化晶粒强化金属的 方法，称为细晶强化．
加快冷却速度 冷却速度愈大，过冷度越大，
晶核形成速度大于晶核的成长速度，晶粒细小。
变质处理 在液态金属内加入某种难熔杂质，
直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核数量增 加，细化晶粒。
促使结晶时液态金属流动 电磁搅拌、机械