工程材料及热处理(模具)

工程材料及热处理（模具）工程技术系2绪论★世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥★材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料—指钢铁、有色金属等材料非金属材料—无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料---玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。★现在新材料----纳米材料、智能材料工程技术系3★材料按物质结构不同分：金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料★材料按用途不同分：机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料★材料按功能不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等工程技术系4材料分类复合材料金属材料陶瓷材料高分子材料工程技术系5材料发展概括▲石器时代铜器时代：司母戊鼎（公元前11—16世纪）1130×780×1100战国编钟（前475—221年）65个总重2500Kg天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具）铁器时代沧州大狮（公元953年）重50T,长5.3m,宽3m人工复合材料塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等陶器时代工程技术系6本课程的性质和目的是机械类专业必修的一门专业技术基础课2、目的：a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它们之间成分、组织、性能、热处理的关系。c具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。d为后续课程和从事技术工作打下基础。1、性质：本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理工程技术系7第一章工程材料的性能金属材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节金属的力学性能工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据工程技术系82、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。。工程技术系9冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷工程技术系10按作用形式不同分：工程技术系116、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。分为弹性变形与塑性变形外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。工程技术系12一、强度概念：强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。=F/S-----应力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。工程技术系13力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段工程技术系14(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂工程技术系15ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。工程技术系16工程上常用的金属材料的强度指标：•屈服点（Rel）•抗拉强度(Rm)工程技术系17•强度的意义•强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。•强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。•因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。工程技术系18二、塑性——在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力•常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率工程技术系191、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1LoL试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1SoS试样原始截面积（mm2）•一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为脆性材料，如灰铸铁.•δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。工程技术系21•强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。•正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。三、硬度硬度:硬度试验方法:压入法它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）工程技术系23布氏硬度试验原理图工程技术系24)/()(2102.0102.0)(222mmNdDDDFSFWHBS压2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于＜450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于＜650HBW工程技术系25试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择材料种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（kgf)试验力保持时间/s钢、铸铁140-4506～34～223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)1214066～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属1306～34～223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～3562.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度试验规范3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持时间（s）500HBW5/750/15例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120•习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如170HBS。工程技术系27二、洛氏硬度工程技术系28硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870～85适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025～100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020～67适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表1-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号002.0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。4、适用范围优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。工程技术系30三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。工程技术系312、计算公式21891.0dFHV3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。工程技术系32四、冲击韧性强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。工程技术系33原理•冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。•所以，摆锤用于冲断试样的能量AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。工程技术系34工程技术系351、试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)2、冲击韧度akAKak=(J/cm²)Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。冲击吸收功Ak作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。工程技术系361.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感–能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越来越低→冷脆现象–在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好第四节疲劳强度交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度σb，甚至小于屈服点σs。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）疲劳破坏的原因：应力集中——微裂纹——扩展——断裂破坏。疲劳强度（σ-1）：金属材料经无穷多次（107）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。工程技术系38工程技术系39工程技术系40