《机械工程材料》PPT课件

机械工程材料金属材料•黑色金属•有色金属非金属材料复合材料第一章金属材料基础知识第一节钢材生产概述第二节金属材料的力学性能第三节金属的物理、化学性能及工艺性能复习思考题第一节钢材生产概述（第一章）一、钢与生铁二、钢的分类三、钢铁材料的生产过程四、钢材品种一、钢与生铁（第一节钢材生产概述）钢和生铁都是铁碳合金。•固态下可以形变的铁碳合金称为钢(一般含碳量低于2.11%；•固态下几乎不发生形变的铁碳合金称为生铁(含碳量高于2％)二、钢的分类（第一节钢材生产概述）(一)按钢的化学成分分类按钢的化学成分，钢可分为：•1．碳素钢-碳素钢是含碳量低于2.11%的铁碳合金。•2．合金钢-合金钢是加入了某些合金元素的碳素钢(二)按钢的质量分类钢的质量是以钢中有害杂质元素——硫、磷含量的多少来衡量的。硫、磷含量多的钢质量劣，少则优。按钢的质量可分为：•1．普通钢S≤0.050%，P≤0.045%•2．优质钢S≤0.035%．P≤0.035%•3．高级优质钢S≤0.020％，P≤0.030%(三)按钢的用途分类•1．结构钢是用于制造各种结构构件的钢。主要用于制造桥梁、船舶、建筑结构的工程构件和制造齿轮、。轴、连杆、弹簧、螺钉、螺母等机器零件。•2．工具钢是用于制造刃具、量具和模具的钢。•3．特殊用途钢、是用于有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能要求的钢。其他按钢的冶炼方法、脱氧程度等进行分类(四)钢材的涂色标志三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述）钢铁材料通常经过下列三个阶段获得。先由铁矿石—生铁—生铁—钢—钢锭—钢材，如图1—1所示。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述）(一)生铁冶炼•生铁冶炼是将炼铁原料——铁矿石、燃料——焦炭、熔剂——石灰石等炉料，按一定比例装入高炉进行冶炼。•高炉生铁可分为炼钢用生铁和铸造用生铁(二)炼钢•炼钢的过程就是将生铁进行精炼．将生铁中的碳和硅、锰、磷、硫等元素含量降低到规定范围。如果炼制合金钢，还需加入所要求的合金元素。获得所需要的合金钢。•大量使用的钢其含碳量一般均低于1.4%。炼好的钢除小部分浇注成铸钢件外，绝大部分浇注或钢锭，经压力加工制成各种钢材。•镇静钢：质量好，组织致密，气泡少，力学性能好。绝大部分优质钢和合金钢都是镇静钢，需经热处理的受力零件都选用镇静钢。•沸腾钢：成本低，表面质量好，具有良好的塑性、冲压性能和焊接性能，多用于低碳钢轧成薄板使用。不宜用于制造需经热处理的重要零件•半镇静钢：其性能介于镇静钢与沸腾钢之间。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述）炼钢用炉，主要有转炉、平炉和电炉。它们所炼制的铜分别称为转炉钢、平炉钢和电炉钢。•转炉利用鼓入的氧气或空气进行吹炼。主要生产普通碳素结构钢、部分低合金结构钢和优质钢。•平炉炼钢主要用煤气作燃料进行燃烧，使炉料熔化、升温，靠炉气中的氧和加入的铁矿石使铁水中的杂质氧化。主要用于生产优质碳素结构钢。•电炉炼钢利用电能作热源，炉料主要是废钢。电炉炼钢质量最高，主要生产各种优质合金钢，如不锈钢、高速钢、耐热合金钢等。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述）(三)钢的成材轧制、挤压、拉拔、锻造等都是常用压力加工的几种主要方法，如图1—2所示。•主要通过压力加工•轧制—热轧和冷轧•拉拔—四、钢材品种（第一节钢材生产概述）四、钢材品种•(一)钢板薄板(厚度δ≤4mm)厚板(厚度δ＞4mm)。成张钢板的规格以厚度×宽度×长度表示；成卷供应的钢板规格以厚度×宽度表示。•(二)型钢常用的型钢有圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢和工字钢等。直径在6～9mm的圆钢常称为线材。各种型钢都有具体的规格，通常以其断面形状的主要尺寸来表示。常用的型钢断面形状及其规格如表1-1所示。四、钢材品种（第一节钢材生产概述）•(三)钢管钢管有无缝钢管和有缝钢管(焊接钢管)两类。断面形状一般为圆形中空，也有方形，三角形等异型断面钢管。1．无缝钢管它是钢坯经穿孔、轧制、拉拔等多种工序制成的。规格以外径x壁厚来表示。外径小于5mm的钢管称为毛细钢管。2．有缝钢管它是以钢带或钢板为坯料．经卷压成形、焊接、精整等工序制成。规格用公称口径来表示，单位为英寸。公称口径是其内径的近似尺寸值，一般都略小于其实际内径尺寸。焊接钢管有1／8“～6”共l4种口径；镀锌焊接钢管有1／2”～21/2”共7种口径。•(四)钢丝直径小于6mm的小型圆钢称为钢丝。其规格以直径的毫米数表示第二节金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。•使用性能，是指机器零件在正常工作情况下材料所应具备的性能，如力学性能和物理、化学性能。•工艺性能则是指在制造机器零件和工具过程中，材料能够接受各种冷、热加工的能力，如材料的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能。金属材料在承受外力作用时所表现出来的性能通称为力学性能。•主要力学性能有；强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧度五、疲劳强度一、强度（第二节金属材料的力学性能）强度—是指金属材料在载荷作用下，抵抗产生塑性变形和破坏的能力。•根据载荷作用方式不同，强度有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪切强度•抗拉强度-最基本的强度指标。抗拉强度指标是通过拉伸试验测定的。图1—4为低碳钢的拉伸曲线。一、强度（第二节金属材料的力学性能）应力—单位截面积上所承受的内力。•σ=F/A式中σ—应力(N／mm2或MPa)；•F—载荷(N)；•A—试棒横截面积(mm2)金属材料强度指标主要有屈服点和抗拉强度。(一)屈服点屈服点是指金属材料开始产生显著塑性变形时的最低应力，即s点的应力。σs=Fs/A0•A0——试棒原始横截面积(mm2)。•条件屈服点-有些金属材料，如高碳钢、铸铁、淬火钢等，屈服现象极不明显。工程上规定。以试棒原始标距长度(l0)部分产生0.2％塑性变形时的应力值作为其屈服点，以σ0.2表示抗拉强度是指金属材料在断裂前所能承受的最大标称拉应力，即b点的应力，也称强度极限。以符号σb表示。σb=Fb/A0式中σb——抗拉强度(N／mm2或MPa)；•Fb——试棒被拉断前所承受的最大载荷(N)；二、塑性（第二节金属材料的力学性能）二、塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性也是通过拉伸试验测定的。表示塑性的指标是：•伸长率伸长率是指试样拉断后标距伸长量与原始标距长度之比，即•式中l0——试棒原始标距长度(mm)；•l1。一试棒拉断后的标距长度(mm)。•试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的5倍(l0=5d0)时，称短试棒，其伸长率以δ5表示•试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的5倍(l0=5d0)时，称短试棒，其伸长率以δ5表示(1．2～1．5)•试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的10倍(l0=10d0)时，称短试棒，其伸长率以δ10表示•同一材料的伸长率，δ5与δ10之间的关系为：δ5≈(1.2～1.5)δ10•断面收缩率。试棒单位横截面积的减缩率称为断面收缩率。式中A0——试棒原始横截面积(mm2)；A1——试棒拉断处横截面积(mm2)金属材料的δψ值和ψ值越大，说明其塑性越好。良好的塑性，是保证顺利完成轧制、锻造、拉拔、冲压等成形工艺及电阻焊：摩擦焊等工艺的必要条件；一定的塑性亦可避免机器零件在使用中万一超载而发生突然折断。二、塑性（第二节金属材料的力学性能）三、硬度（第二节金属材料的力学性能）三、硬度硬度是指金属材料抵抗更硬的物体压入金属表面的能力。金属材料的硬度指标是在硬度计上测定的。机械制造厂中常用的硬度测试方法主要是布氏硬度法和洛氏硬度法。•(一)布氏硬度布氏硬度试验原理如图l—5所示。用规定的载荷F将压头垂直压入被测材料表面，经规定的保持载荷时间后卸除载荷，在被测材料表面形成了直径d的压痕，用读数放大镜测量出压痕直径数值，并用此值查布氏硬度数值表，即可得到布氏硬度值。材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值越低。三、硬度（第二节金属材料的力学性能）布氏硬度指标用符号：HB。•HBS—用淬火钢球为压头，适用于测量布氏硬度值在450以下的金属材料；•HBW—用硬质合金球为压头适用于测量布氏硬度值在450～650之间的金属材料。•硬度数值均标写在布氏硬度符号之前。如，230HBS、500HBw。特点：布氏硬度试验压痕较大，试验结果较准确。但试验结果的求得较麻烦，费时间。主要用于测量布氏硬度值小于450的较软金属材料的硬度，如热轧钢材，经退火、正火、调质处理的钢和有色金属等；适用于原材料、铸造和锻造的毛坯件、半成品件；还适用于测定铸铁及滑动轴承合金等软且组织不均匀的材料布氏硬度的压痕大，不能测定成品件的硬度，不适于测太薄的材料硬度。三、硬度（第二节金属材料的力学性能）(二)洛氏硬度洛氏硬度试验也是用规定的载荷将压头垂直地压入被测材料的表面，但它是以压痕的深度来确定硬度值的。洛氏硬度值可从洛氏硬度计刻度盘上直接读出。洛氏硬度用符号HR表示，无单位。洛氏硬度操作简便、迅速，在硬度计上可直接读出硬度值，故适于大批生产。压痕较小，几乎不损伤工件表面，所以不仅可测半成品硬度，也可测定成品工件的硬度。对较软、较硬和特硬材料均可测定，故硬度测定范围宽。不适于测定铸铁一类表面组织不均匀的材料三、硬度（第二节金属材料的力学性能）HV维氏硬度—主要用于测定很薄材料和表面薄层硬度。HS肖氏硬度—肖氏硬度计机体体积较小，携带方便，主要用于测定大而笨重的工件或大型钢材的硬度。肖氏硬度试验，在工件上基本不留痕迹，适于测定精密量具的表面硬度。各种硬度的硬度值之间不存在理论上的换算关系，它们之间不能用来直接比较材料的硬度高低。在要求不很精确时使用。当布氏硬度值在200～600HBS(W)范围时：HRC≈1／10HBS(W)当布氏硬度值小于450HBS时：HBS≈HVHS≈1／6HBS硬度指标的测定与其他力学性能指标测定相比较，其试验方法简便、迅速、易掌握，不需要特殊加工试样，试样可以是大小、厚薄、形状各异的原材料，也可以是毛坯件或成品零件。生产中常把硬度指标作为技术条件之一标注在图样中。表1—4所列是一些钢件的硬度要求四、冲击韧度（第二节金属材料的力学性能）αk—冲击韧度是指金属材料抵抗冲击载荷的能力。冲击韧度是通过冲击试验测定的。冲击试验一般是将已加工好的标准冲击试样(图1—6a)安装在摆锤式冲击试验机上(图1－6b)，一只摆锤从高度h0处沿弧形轨迹向下摆动，一次冲击到试样上(试样的缺口背向摆锤冲击方向)并把试样打断，最后达到一个较低的高度h1。根据摆锤质量和其初始高度h0及最终高度h1可计算出势能差，这个势能差就是冲断试样过程中所消耗的冲击吸收功，以符号Ak表示。冲击韧度αk是指冲断试样单位截面积所消耗的冲击吸收功，即：αk＝Ak/A式中αk——冲击韧度(J/cm2)Ak——冲断试样所消耗的冲击吸收功(J)；A——试样缺口处截面积(cm2)。四、冲击韧度（第二节金属材料的力学性能）金属材料的冲击韧度αk与其化学成分、组织、表面质量及温度等因素有关。有些材料在常温下，具有较好的韧性，不显示脆性，但在一定的较低温度下韧性降低，发生向脆性的转化．显示出脆性。这种脆性转变在工程中很值得注意。五、疲劳强度（第二节金属材料的力学性能）有许多机器零件，如机床主轴、曲轴、连杆、齿轮，弹簧等．是在重复或交变应力作用下工作的。所谓重复或交变应力，是指应力的大小或大小和方向随时问发生周期性改变，材料在这种应力长期作用下，发生破坏时的应力值比材料在静载荷作用下的强度σ０值低很多，甚致低于屈服点σs值，此现象称金属疲劳。疲劳强度是表示金属疲劳的指标。它是指材料在无限次交变应力作用下而不破坏时的最大应力。当应力呈对称循环时，疲劳强度以符号σ-１表示。实际上，无限次交交载荷的试验是永远都不能完成的，所以，工程上规定，钢在经受10７次、有色