产品造型设计材料与工艺.ppt
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1、产品造型设计材料与工艺,讲授者:邢艳芳,第二章 工程材料的性能,2.1 工程材料的力学性能2.2 工程材料的分类及用途,产品造型材料与工艺,产品造型材料与工艺,教学基本要求 1.很好掌握工程材料的力学性能 2.了解工程材料的分类及用途,产品造型材料与工艺,2.1工程材料的力学性能,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能使用性能-包括力学性能、物理和化学性能等。工艺性能-材料对各种加工工艺适应的能力。包括液态成形 性、塑性成形性、连接成形性、切削加工性能和 热处理工艺性能等。,力学性能-指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗力。有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。,产品造型材料与工艺,产品造型材料
2、与工艺,强度 材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。有s、b、y等,屈服点或屈服强度s 设计和选材的主要依据之一,抗拉强度b,最大允许承载能力的度量,强度指标作为设计与选材的依据。为了应用需要,还有一些派生指标。1)比强度:强度指标与材料密度之比。2)屈强比:材料屈服强度与抗拉强度之比。,产品造型材料与工艺,试验仪器:万能材料试验机;变形仪(常用引伸仪)。,产品造型材料与工艺,塑性 材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。常用的塑性指标、(5、10),伸长率()断面收缩率(),伸长率或断面收缩率越高,材料的塑性越好。,硬度 衡量材料软硬程度的指标。有压入法、刻划法、回跳法等。常用压入法
3、,工程上常用的有布氏、洛氏、维氏硬度试验方法。,产品造型材料与工艺,(1)布氏硬度 用淬火钢球或硬质合金球为压头,在试验力作用下,持续一定时间测得的单位面积上所承受载荷。,布氏硬度值(用HBS或HBW),载荷单位为kgf,载荷单位为N,产品造型材料与工艺,布氏硬度的表示方法:150HBS10/1000/30用10mm直径的淬火钢球,试验力为1000kgf,持续时间为30s,测定的布氏硬度为150。500HBW5/750持续1015S,可不标注。,HBS压头为淬火钢球时,适用于布氏硬度低于450的材料。HBW 压头为硬质合金球时,适用于布氏硬度值为 450650 的材料。布氏硬度的单位为N/mm
4、2,但习惯不标单位。压头直径有五种(10、5、2.5、2、1mm)。,产品造型材料与工艺,(2)洛氏硬度 应用广泛 用锥顶角1200的金刚石圆锥体或一定直径的钢球为压头,在规定载荷作用下压入金属表面,由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定的硬度值。1-1为在初载荷98.07N,压入深度为h12-2为在总载荷作用下,压入深度为h23-3为卸除主载荷后,由于金属弹性变形恢复,压头略微提高时的位置。压头实际压入深度为h3压痕深度增量h=h3-h1,为什么加初载荷?,产品造型材料与工艺,洛氏硬度的计算公式为,C常数,当用金刚石圆锥体压头取100,当用钢球取130。h压痕深度增量mm,产品造型材料与工艺
5、,洛氏硬度常用的标尺有A、B、C三种。洛氏硬度值也可由硬度计直接读出。表示方法:55HRC 用C 标尺测定的洛氏硬度值为55,此法压痕小,测试效率较高。,产品造型材料与工艺,韧性 韧性(冲击韧性):材料在冲击载荷或振动载荷作用下,抵抗变形和断裂的能力。材料在塑性变形和断裂过程中,吸收能量的能力。,许多零件和工具在工作中,受到冲击载荷的作用,如冲床的冲头、锻锤的锤杆、活塞、风动工具等。,冲击韧性常用一次摆锤弯曲冲击试验,在摆锤式冲击试验机上进行,按GB/T2291994规定,试件采用带缺口试样(V、U)。,产品造型材料与工艺,产品造型材料与工艺,冲断试样所消耗的能量,即冲击吸收功为Ak=mg(H
6、1-H2),单位为J。Ak越大,冲击韧性越好。冲击韧性是一个由强度和塑性共同决定的指标。冲击韧性以冲击值(kJ/cm2 或 J/cm2)So冲击试样断口处的截面面积cm2,疲劳强度 材料在无数次循环应力作用下仍不断裂的最大应力。表示材料抵抗断裂的能力。工程上规定,材料在循环应力作用下循环次数达到某一基数N而不断裂时,其最大应力就作为该材料的疲劳强度极限。,产品造型材料与工艺,2.2工程材料的分类及用途,1.按化学成分可分为:(1)金属材料 包括钢铁材料(黑色金属)和非铁材料(有色金属)。(2)无机非金属材料 玻璃、陶瓷和木材。(3)有机高分子材料 塑料、橡胶及合成纤维。(4)复合材料 玻璃钢、
7、碳纤维复合材料等。,复合材料于20世纪40年代初,首先是玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的问世;20世纪60年代碳纤维、硼纤维增强出现,特别适合航空和航天工业。飞机上使用了复合材料,机身减重21%,寿命延长两万小时。,产品造型材料与工艺,第一代的天然材料木材、竹、棉、毛、石材等。第二代的加工材料人造板、纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等。第三代的合成材料将石油、天然气和煤等制造成高分子材料。第四代复合材料用有机、无机非金属乃至金属等各种原材料复合而成的,一般由两种或两种以上不同材料在一起,不同性能的材料显示各自的特性。玻璃钢、碳纤维增强树脂。第五代的智能材料或应变材料具有潜在功能的高级形式的复合材料。具有
8、类似生物体反应的机能,有感知,又有驱动的功能。材料的特征随环境和时间而变化。,2.按材料的来源分类,产品造型材料与工艺,金属材料,1.晶体与非晶体,固态物质按其内部粒子排列情况可分为:晶体:凡内部原子呈规则周期性重复排列的物质。有固定熔 点,各向异性。非晶体:凡内部原子呈无规则排列的固体物质。没有固定熔 点,各向同性。许多物质的晶体与非晶体间在一定的条件下可以互相转变。,2.晶体结构晶体学基本概念,1)晶格:这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几 何空间格架,简称晶格。,产品造型材料与工艺,2)晶胞:从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的最小几 何单元。,3)晶格常数:晶胞的大小和形状,常
9、以晶胞的棱边长度a、b、c及棱间夹角、来表示,X、Y、Z称为晶轴。棱边长度称为晶格常数。,产品造型材料与工艺,原子排列模型,产品造型材料与工艺,典型金属的晶体结构,1)体心立方晶格 晶胞是一个正立方体,a=b=c,=900典型金属有:-Fe、Cr、Mo、W、V、K、Na等金属较硬,延展性差。晶胞原子数为2个。,产品造型材料与工艺,2)面心立方晶格晶胞也是一个立方体,a=b=c,=900。常见的具有面心立方晶格结构的金属有:Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag。晶胞原子数4个这类金属塑性极好,产品造型材料与工艺,3)密排六方晶格是一个正六棱柱体晶格常数有两个:a、c,=900=1200常见的具有密
10、排六方晶格结构的金属有:Mg、Zn、Be、Cd。晶胞原子数6个。这类金属较脆。,产品造型材料与工艺,3.纯金属的结晶过程,结晶的概念:金属及合金从液态转变为固体状态,并形成晶体结构的过程。,结晶的过程:晶核的形成 晶核的成长 两个同时并行的环节组成。,产品造型材料与工艺,4.晶体的同素异构转变 大部分金属只有一种晶格类型,但也有少数金属具有两种或几种晶格类型(Fe、Mn、Ti、Co)等。当改变温度时,金属会由一种晶体结构转变为另一种晶体结构,这种现象称为同素异构转变。,产品造型材料与工艺,5.合金的晶体结构 合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,钢是
11、由铁和碳组成,黄铜是由铜和锌组成,硬铝是由铝、铜和镁组成的三元合金。,组元:组成合金的最基本的、独立的物质叫组元。相:合金中,具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况组织所决定的。,固态合金的相结构可分为两大类:固溶体和金属化合物。,产品造型材料与工艺,(1)固溶体:溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构,只引起晶格参数的改变和晶格畸变-提高金属的强度和硬度。金属材料绝大部分以固溶体为基体,有的甚至完全由固溶体所组成。,(2)金属化合物:固液合金中,由于各组元之间相互作用而形成的一种
12、具有特殊晶格和明显金属特性的物质。金属化合物:是碳钢、各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成部分。其性能与各组元显著不同,通常熔点高、硬而脆,合金中含金属化合物时,可提高其强度、硬度和耐磨性,但塑性、韧性降低。,产品造型材料与工艺,6.常用金属材料,钢的分类及牌号,1)钢的分类,0.02%C2.11%按化学成分分为:碳素钢(碳钢)和合金钢,高级优质碳素钢,产品造型材料与工艺,按含碳量分:低碳钢:C0.25%低强度,塑性、韧性、加工性和焊接性好;中碳钢:0.25%C0.6%有一定的强度和韧性,用于有强、韧性要求的零件及结构;高碳钢:C0.6%具有较高的强度、硬度和耐磨性,塑性、韧性差,主要
13、用于工具、量具、模具等。,产品造型材料与工艺,2)钢的牌号,碳素结构钢和低合金高强度钢,由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。质量等级分A、B、C、D,A级最差;脱氧方法符号F沸腾钢,Z镇静钢、b半镇静钢、TZ特殊 镇静钢,TZ在钢号中可以省略。Q235A.F表示屈服点不小于235MPa,质量等级为A级,沸腾 钢脱氧的碳素结构钢。Q215B.b 碳素结构钢和低合金钢区别在屈服点上,碳素结构钢最高强度等级为275MPa,低合金钢最低强度等级为295MPa,,产品造型材料与工艺,优质碳素结构钢,应用:重要机械零件,如高强度的轴类和弹簧零件。牌号:用两位数字表示,
14、表示该钢平均含碳量的万分之几。45 表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。20,优质碳素结构钢杂质元素比较少,各方面质量好。,根据化学成分优质碳素结构钢分为:正常含锰量优质碳素结构钢:含锰量0.350.8%较高含锰量优质碳素结构钢:含锰量0.91.2%65Mn表示平均碳含量为0.65%,含锰量较高的优质碳素结构钢。,产品造型材料与工艺,合金结构钢,合金结构钢:在碳素结构钢中加一种或数种合金元素的钢,具有较高的综合机械性能和某些特殊的物理、化学性能。应用:制造零件、制造各种金属构件。编号:数字+合金元素符号+数字平均含碳量0.01%合金元素平均含量(百分之几),低于1.5%不标。若为高级优
15、质钢,钢号后加A;特级优质钢在牌号后加E 60Si2Mn 平均含碳量为0.6%,含硅2%,含锰低于1.5%的合金结构钢。40Mn2,产品造型材料与工艺,其他结构钢铸钢的牌号一种用强度表示,也有用化学成分表示。,“ZG”后两组数字组成,最低屈服强度值和最低抗拉强度值。ZG200400,碳素工具钢,牌号:在(碳)T字后面附以数字,数字表示平均含碳量千 分之几。T8(T12)-表示平均碳含量为0.8%的优质碳素工具钢。高级优质碳素工具钢在钢号末尾附加A(或高字)。T12A-表示平均碳含量为1.2%的高级优质碳素工具钢。,.,产品造型材料与工艺,合金工具钢和高速工具钢,牌号:数字+合金元素符号+数字(
16、类似合金结构钢)(平均含碳量0.1%,大于1%时不标出)9SiCr-表示平均含碳量0.9%,含硅合金元素小于1.5%,含铬元素低于1.5%的合金工具钢钢。5CrMnMo、CrWMnCr12-表示平均含碳量大于1%,含Cr为12%合金工具钢,(2)结构钢应用 结构钢分为碳素结构钢、低合金高强度钢、优质碳素结构钢、合金结构钢。1)碳素结构钢 普遍应用,用于制造各种金属结构和要求不高的机器零件。,产品造型材料与工艺,产品造型材料与工艺,2)低合金高强度钢 强度等级较高,加工工艺性能良好,可满足桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器等大型重要钢结构。低合金高强度钢中的合金元素:Mn、Si、Ni、Cr、V、N
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