金属材料分类1-90页PPT文档资料课件.ppt
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1、主编:邓文英学时:32 金属工艺学金属工艺学(机械制造基础)(机械制造基础)参考书目参考书目材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、件、工作环境等:工作环境等:其中选材:其中选材:金属材料种类繁多,性能不一,而且材料金属材料种类繁多,性能不一,而且材料的发展日新月异,而
2、零件的性能要求、服役条件各不的发展日新月异,而零件的性能要求、服役条件各不相同,再加上材料的资源、价格等多方面考虑。相同,再加上材料的资源、价格等多方面考虑。毛坯选择毛坯选择车削车削传统的有传统的有现代的有现代的有有液态成形毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形型材等毛坯型材等毛坯车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加数控加工、电火花加工、激光加工等特种工、激光加工等特种加工方法加工方法机械机械加工加工方法方法 一个具体零件的加工往往可用一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工多种不同的加工方
3、法方法,而每种加工方法所能达到的加工精度、加工,而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。质量、加工范围、加工效率是不同的。 预先热处理预先热处理: 为使切削加工能顺利进行,可通为使切削加工能顺利进行,可通过预先热处理调整硬度,为切削加工做好组织准备。过预先热处理调整硬度,为切削加工做好组织准备。最终热处理:最终热处理: 使材料的性能达到要求。使材料的性能达到要求。第一篇 金属材料导论主要内容主要内容1.5 1.5 铁碳合金铁碳合金1.1 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能1.2 1.2 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构1.3 1.3 合金的结构
4、合金的结构1.4 1.4 二元合金状态图二元合金状态图1.1 1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1.1 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 1.1.拉伸试样拉伸试样:长试样:长试样:L L0 0= =1010d d0 0短试样:短试样:L L0 0= =5 5d d0 0 LF0 0低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.2.拉伸机上,低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线:拉伸机上,低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线:纵坐标为应力纵坐标为应力 单位单
5、位 MPa(MN/mm )MPa(MN/mm ), 横坐标为应变横坐标为应变 其中:其中:=F/S=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力表示材料抵抗变形和断裂的能力(L L1 1-L-L0 0)/L/L0 03.3.曲线分为四阶段:曲线分为四阶段: 1 1)阶段)阶段I I(opeope)弹性变形阶段弹性变形阶段 p: Fpp: Fp ,e: Fe e: Fe (不产生永久变形的最大抗力)(不产生永久变形的最大抗力) opop段:段:L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段:极微量塑性变形(段:极微量塑性变形(0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2)阶段)阶段IIII(
6、essess)段)段屈服变形屈服变形 S: S: 屈服点屈服点 FsFs 3 3)阶段)阶段IIIIII(sbsb)段)段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 b:b: Fb Fb 材料所能承受的最大载荷材料所能承受的最大载荷 4 4)阶段)阶段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性变形颈缩局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷:只有第铸铁、陶瓷:只有第I I阶段阶段 中、高碳钢:没有第中、高碳钢:没有第IIII阶段阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 1刚度和弹性刚度和弹性 刚度材料在受力时,抵抗弹性变形的能力。刚度材料在受力时,抵抗弹性变形的能力。
7、 E=/ E=/ 杨氏弹性模量杨氏弹性模量 GPa, MPaGPa, MPa 本质是:反映了材料内部原子结应力的大小,组本质是:反映了材料内部原子结应力的大小,组织不敏感的力系指标。织不敏感的力系指标。 弹性:材料不产生塑性变形的情况下,所能承受弹性:材料不产生塑性变形的情况下,所能承受的最大应力。的最大应力。 比例极限:比例极限:p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线性应变保持线性关系的极限应力值关系的极限应力值 弹性极限:弹性极限:e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不产永久变形不产永久变形的最大抗力。的最大抗力。2.2.强度:强度:材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏
8、的能力。变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s s:材料发生微量塑性变形:材料发生微量塑性变形时的应力值。即时的应力值。即在拉伸试验过程中,载在拉伸试验过程中,载荷不增加,试样仍能继续伸长时的应力。荷不增加,试样仍能继续伸长时的应力。 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2:高碳钢等无屈服点,高碳钢等无屈服点,国家标准规定以国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服强度,以应力值作为它的条件屈服强度,以0.20.2来表示来表示 抗拉强度抗拉强度 b b:材料断裂前所承受的最材料断裂前所承受的最大应力值。大应力值。(材料抵抗外力而不致断裂(材料抵抗外力
9、而不致断裂的极限应力值)。的极限应力值)。 s0.2 延伸率延伸率 延伸率与试样尺寸有关;延伸率与试样尺寸有关;5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 断面收缩率断面收缩率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 时,无颈缩,为脆性材料表征;时,无颈缩,为脆性材料表征; KIC时,裂纹失稳扩展,发生脆断。时,裂纹失稳扩展,发生脆断。 KI KIC时,裂纹处于临界状态时,裂纹处于临界状态 K I TTT0 0时,时,FsFFsFL L, , 液相稳定液相稳定 b.b.当温度当温度TTTT0 0时,时,FsFFsF
10、L L, , 固相稳定固相稳定 c.c.当温度当温度T=TT=T0 0时,时,Fs=FFs=FL L, , 平衡状态平衡状态 T T0 0:理论结晶温度(:理论结晶温度(熔点熔点或或平衡结晶温度)平衡结晶温度) 在该温度下在该温度下, , 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态2.2.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度1 1)冷却曲线)冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段所对曲线上水平阶段所对应的温度称应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起
11、的。结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线2)过冷与过冷度过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过过冷冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称称过冷过冷度度。 T= T0 T1过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速度有关,度有关,冷速越大,冷速越大, 过冷度越大。过冷度越大。(三三)纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程1 1、结晶的基本过程、结晶的基本过程 结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的长大的长大两个基本过程组成。两个基本过程组成。 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团,它们液态金
12、属中存在着原子排列规则的小原子团,它们时聚时散,称为时聚时散,称为晶坯晶坯。在。在T0以下,经一段时间后以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大,称(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大,称为为晶核晶核。界面自由能界面自由能体积自由能体积自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能变化自由能变化G 晶核形成后便向各方向生长,同时,又有新的晶晶核形成后便向各方向生长,同时,又有新的晶核产生。核产生。晶核不断形成,不断长大,直到液体完晶核不断形成,不断长大,直到液体完全消失全消失。每个晶核最终长成一个晶粒,两晶粒接每个晶核最终长成一个晶粒,两晶粒接触后形成晶界。触后形成晶界。2、晶核的形
13、成方式晶核的形成方式形核有两种方式,即均匀形核和非均匀形核。形核有两种方式,即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图非均匀形核示意图3 3、晶核的长大方式、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种,晶核的长大方式有两种,即平面长大和树枝状长大。即平面长大和树枝状长大。 实际金属的结晶主要以实际金属的结晶主要以树枝状长大。树枝状长大。 这是由于晶核棱角处的这是由于晶核棱角处的散热条件好,
14、生长快,先形散热条件好,生长快,先形成成一次轴一次轴,一次轴又会产生,一次轴又会产生二次轴二次轴,树枝间最后被填,树枝间最后被填充。充。平面长大平面长大树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶 表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒晶粒度度。晶粒度可用晶粒的平晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。均面积或平均直径表示。(四)金属晶粒的大小与控制(四)金属晶粒的大小与控制 1.晶粒度晶粒度工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级来表示晶粒大小。来表示晶粒大小。标准晶标准晶粒度共分八级,一级最粗,八级最细粒度共分八级,一
15、级最粗,八级最细。通过。通过100100倍显微倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。2.2.决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)(N)。 单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度过冷度对过冷度对N、G的影响的影响 叫长大速度叫长大速度(G)(G)。N/GN/G比值越大,晶粒越细小比值越大,晶粒越细小。因。因此,凡是促进形核、抑制长大此,凡是促进形核、抑制长大的因素,都能细化晶粒。的
16、因素,都能细化晶粒。过冷度过冷度 T T提高,提高,N N提高、提高、G G提高提高过冷度过冷度 T T太高,太高,D D降低降低NN降低、降低、G G降低降低所以,过冷度所以,过冷度 T T,NN,GN/GGN/G增大,细化增大,细化3.3.控制晶粒度的因素控制晶粒度的因素提高过冷度提高过冷度变质处理变质处理又称孕育处理又称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫所加入的非均匀形核物质叫变质剂(或称变质剂(或称孕育剂)孕育剂)。振动,搅拌等振动,搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动,
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