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第一章金属材料导论


• 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。
(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
• 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 –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%
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。
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
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?
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
•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)
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
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
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)
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
中南大学 Central South University
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
• 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。
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
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。
– – – – 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)
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
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