【大学课件】金属材料的性能.ppt

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1、课题1 金属材料,http:/,1.1金属材料的性能,http:/,1.1.1金属材料的力学性能,金属零件或工具在使用时，会受到各种载荷的作用。金属材料在外力的作用下表现出来的特性，称为金属材料的力学性能。主要有强度、塑性、硬度和冲击韧度等。,http:/,1.1.1.1强度和塑性,强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,http:/,1.1.1.2硬度,硬度是指材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力。（1）布氏硬度（2）洛氏硬度,http:/,1.1.1.3冲击韧度,韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。,http:/,1.1.2金属

2、材料的物理和化学性能,http:/,1.1.2.1物理性能,（1）密度 密度是物体的质量与其体积的比值。（2）熔点 熔点是指材料从固态转变为液态的转变温度。（3）导电性 导电性是指工程材料传导电流的能力。（4）导热性 导热性是指工程材料传导热量的能力。（5）热膨胀性 热膨胀性是指工程材料的体积随受热而膨胀增大，冷却而收缩减小的特性。（6）磁性 磁性是指工程材料能否被铁吸引和被磁化的性质。,http:/,1.1.2.2金属的化学性能,（1）耐腐蚀性 耐腐蚀性是指工程材料在常温下，抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。（2）热稳定性 热稳定性是指工程材料在高温下抵抗氧化的能力。,http

3、:/,1.1.3金属材料的工艺性能,http:/,1.1.3.1铸造,将熔化的金属挠注到铸型的型腔中，待其冷却后得到毛坯或直接得到零件的加工方法称为铸造。,http:/,1.1.3.2锻压,锻压是指锻造和板料冲压。锻造是指金属加热后，用锤或压力机使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。,http:/,1.1.3.3焊接,焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。,http:/,1.1.3.4切削加工,金属切削加工是利用金属切割工具，从金属坯件上切去多余的金属，从而获得成品或半成品金属零件的加工方法。,http:/,1.2金属材料的种类,http:/,1.2.

4、1 钢铁材料,钢铁材料是工业上对钢和铸铁的总称。钢依据其中是否有合金元素可分为非合金钢(俗称碳素钢)和合金钢两大类。,http:/,1.2.1.1杂质元素对碳钢性能的影响,钢中常存的杂质元素是钢在冶炼时进入的，它们对钢的性能有一定的影响。(1)锰(Mn)锰有一定的脱氧能力，可使钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量。(2)硅(Si)硅能与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响。(3)硫(S)硫不溶于铁，以FeS(熔点为11900C)存在于钢中。(4)磷(P)磷在常温固态下能全部融入铁素体中，使钢的强度和硬度提高，而塑性和韧性显著降低，尤其是在低温时更为明显。这种在低温时由磷导致钢严重脆化

5、的现象称为冷脆。因此，应严格控制钢中磷的含量。,http:/,1.2.1.2钢的分类,钢是以铁为主要元素，含碳量c一般小于2.11%。,http:/,(1)按钢的化学成分分类 依据钢中合金元素规定的含量，将钢分为三大类:非合金钢、低合金钢、合金钢。,http:/,(2)按钢的质量等级分类 普通质量钢 普通质量钢是指在生产过程中，控制质量无特殊规定的一般用途钢，其sO.050%，p0.045%。它又分为普通质量非合金钢和普通质量低合金钢。优质钢 优质钢是指在生产过程中，需要按标准规定的S和P含量指标控制质 量的钢,其s0.030%，p0.035%。它又分为优质非合金钢、优质低合金钢和优质合金钢。

6、高级优质钢 高级优质钢是指在生产过程中，需要严格按照标准规定的S和P等有害杂质含量、表面质量以及性能质量指标控制的钢等有害杂质含量、表面质量以及性能质量指标控制的钢,其s0.020%,p0.030%。特级优质钢 特级优质钢是指在生产过程中，需要严格按照标准规定的S和P等有害杂质含量、表面质量以及性能质量指标控制的钢,其s0.015%,p0.025%。,http:/,(3)按钢的主要性能和使用特性分类 按钢的主要性能和使用特性，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。结构钢 主要用于制造各种工程构件(如桥梁及建筑用钢)和机器、仪表的零件(如齿轮、轴等)，一般为低碳钢和中碳钢(包括非合金钢、低合金钢

7、和合金钢)。工具钢 包括刃具钢、量具钢、模具钢，主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢一般为高碳非合金钢、高碳低合金钢或高碳合金钢。特殊性能钢 指具有某种特殊性能的钢，如石油化工用的不锈耐蚀钢、核电站用的耐热钢、冷冻设备与极地机械设备用的低温用钢等。,http:/,1.2.2工业用钢,http:/,1.2.2.1非合金钢(碳素钢),（1）碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）铸造碳钢,http:/,1.2.2.2低合金高强度结构钢,http:/,1.2.2.3机械结构用合金钢,（1）合金渗碳钢（2）合金调质钢（3）合金弹簧钢（4）滚动轴承钢,http:/,1.2.2.4合金工具

8、钢,（1）量具刃具钢（2）合金模具钢 1.冷作模具钢 2.热作模具钢 3.塑料模具钢,http:/,1.2.2.5高速工具钢,高速工具钢(简称高速钢)主要用于制造高速切削刀具，它的热硬性很高，能以比低合金刃具钢具有更高的速度进行切削，故称高速钢。,http:/,1.2.2.6特殊性能钢,（1）不锈钢 通常将具有抵抗大气或其他介质腐蚀的钢称为不锈钢。（2）耐热钢 在高温具有高的热化学稳定性和热强性的合金钢称为耐热钢。（3）耐磨钢 耐磨钢主要是指在冲击载荷下发生加工硬化的高健钢。,http:/,1.2.3工程铸铁,http:/,1.2.3.1铸铁的特点,与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高的碳

9、、硅等元素外，而且还含有较多的硫、磷等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。这些元素含量的不同，将直接影响铸铁的组织和性能。铸铁中的碳主要是以石墨形式存在的，所以铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。,http:/,1.2.3.2铸铁的分类,1）按石墨化程度分类 根据铸铁在结晶过程中石墨化过程进行的程度可分为三类：(1)白口铸铁(2)灰口铸铁(3)麻口铸铁2）按石墨形态分类 根据铸铁中石墨存在的形态不同，可将铸铁分为以下四种：(1)灰铸铁(2)可锻铸铁(3)球墨铸铁(4)蠕墨铸铁,http:/,1.2.3.3灰铸铁,灰铸铁的化学成分一般为:c=2.5%4.0%、Si=1.0%3.0%、Mn

10、=0.5%14%、p=0.3%、s0.15%。灰铸铁的组织是由片状石墨和碳钢的基体组成。,http:/,1.2.3.4球墨铸铁,球墨铸铁中的化学成分控制较为严格，大致为c=3.6%3.9%、Si=2.0%2.8%、Mn=0.6%0.8%、s0.04%、p0.1%。球墨铸铁在具有上述化学成分范围的铁水浇注前，加入一定量的球化剂和孕育剂，获得的石墨呈球状分布的铸铁。,http:/,1.2.4有色金属及其合金,非铁金属材料是指钢铁以外其他金属的总称，也称有色金属。非铁金属材料的种类很多，一般可以分为以下六类：轻金属 密度小于4.5g/cm3的金属，如Al、Mg、K、Na，Ca等；重金属 密度大于4.

11、5g/cm3的金属，如Cu、Zn、Ni、Sn，Pb，Co等；贵金属 相对稀少而价格昂贵的金属，如Au、Ag、Pt、Rh，Pd等；稀有金属 相对稀少或产量相对较少的金属，如Ti、Be、W、V、Nb、Mo、Y；放射性非铁金属 具有放射性的金属，如Ra，U、Th，Ac等；半金属 物理性能介于金属与非金属之间的元素，如Si、Ge，B、Te等,http:/,1.2.4.1铝及铝合金,（1）工业纯铝 纯铝具有银白色的金属光泽，密度为2.72g/cm3，大约是铜和铁的1/3；熔点为660.40C，沸点为24940C；在冷却过程中无同素异构转变，无磁性；导电性、导热性好，仅次于银、铜和金（2）铝合金 纯铝的强

12、度低，不宜制作承受重载荷的结构件，当铝中加入一定量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可形成强度高的铝合金。铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金 形变铝合金的塑性好，易于压力加工。形变铝合金分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。它们的牌号、成分、性能及用途请查看国标GB/T 3190。铸造铝合金 铸造铝合金的种类很多，按照主加元素的不同，可分为AISi系、AICu系、AIMg 系、AIZn系四种，其中AISi系应用最广。它们的牌号、成分、性能及用途请查看国标GB/T 1173。,http:/,1.2.4.2铜及铜合金,铜是人类历史上应用最早的金属，至今仍是应用较广泛的非铁金属

13、材料。（1）纯铜 纯铜外观呈紫红色，故又常称为紫铜，相对密度8.96g/cm3，熔点10830C，沸点25950C。纯铜具有很好的导电性和导热性(仅次于银而居第二位)，较高的化学稳定性，抗大气和水的腐蚀性强，但在海水中较差，是抗磁性金属，焊接性能良好。（2）铜合金 由于纯铜的抗拉强度不高，利用冷变形强化可以提高强度，但延伸率急剧下降。（3）滑动轴承合金 滑动轴承合金是指用来制造滑动轴承的轴瓦和轴承衬的合金。,http:/,1.3 机械零件的选材,http:/,1.3.1选材原则,http:/,1.3.1.1零件的失效,失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设

14、计的效能。1）失效形式(1)断裂失效 断裂失效是指零件完全断裂而无法工作的失效。(2)过量变形失效 过量变形失效是指零件在工作过程中产生的变形量超过了允许的范围而造成 的失效。主要包括过量弹性变形失效和过量塑性变形失效两种形式。(3)表面损伤失效 表面损伤失效是指零件在工作中，因机械和化学作用，其表面损伤或精度降的失效。2）失效的原因 零件失效的原因很多，一般要从设计、材料、加工工艺和安装使用等几个方面来进行分析。（1）设计不合理（2）选材不合理（3）加工工艺不当（4）装配及使用不当,http:/,1.3.1.2机械零件的选材的原则、方法和步骤,1）选材的基本原则 选材基本原则：必须保证使用性

15、能要求，然后再考虑工艺性和经济性。（1）保证使用性能要求 零件在正常工作条件下，应完成设计规定的功能并达到预期的使用寿命。（2）考虑工艺性能要求 工艺性能要求是指所选材料能用最简易的方法制造出合格的零件。（3）满足经济性要求 经济性要求是指所选用的材料能够制造出成本最低、经济效益最好的零件。,http:/,2）选材的方法和步骤（1）选材方法 大多数机械零件是在多种应力共同作用下工作的，每个零件的受力 情况和工作环境也是不相同的，零件的受损和失效往往是多种因素起作用的。（2）选材的一般步骤(1)分析零件工作条件和失效形式，根据实际的使用情况和受力分析，确定零件所要具备的性能要求，主要是力学性能及

16、工艺性能，必要时还需考虑物理性能和化学性能，确定最关键的性能指标(2)对已经过实际使用的同类零件进行调查研究，从使用性能、加工工艺性、经济性等方面综合分析比较，以此为参考。(3)根据零件实际工作条件及相关资料，通过理论计算，必要时进行试验或实验，确定应该具有的力学性能或其他性能指标。(4)初步选择出具体的材料牌号，并确定其热处理或其他强化方法。(5)审核所选材料的经济性，综合考虑其成本(加工费、运输费、材料费等)。(6)对于关键性零件，特别是一些安全可靠性要求很高的零件，正式投产前应在实验室里对这些零件进行必要的实验或试验，充分证实这些零件达到设计所要求的各项性能指标以后，才能逐步批量生产。,http:/,