1、工程材料与热加工工艺基础,绪论 一、本课程研究的对象 材料是推动人类进步的物质基础。历史学家根据材料来划分历史时代石器、青铜、铁器时代。本课程主要研究工程材料中的一部分金属材料及其成形方法。 1、常用金属材料 金属材料有好的性能：使用性能（力学、物理、化学）和工艺性能（成形性） 宏观性能是由微观的组织结构决定的，而组织结构又取决于化学成分、加工工艺，所以本课程还研究： 2、金属材料的化学成分、内部组织、加工工艺与性能（力学性能与工艺性能）之间关系及规律性。 3、研究改变材料性能的途径。 4、金属材料的成形方法(铸造 锻压 焊接),二、本课程的性质,是机械类、近机类各专业重要的技术基础课。 三、
2、课程的内容与特点 内容： 1、金属学基础晶体结构与结晶，相图，塑性变形与再结晶。 2、钢的热处理原理与工艺 3、常用的金属材料-碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及合金。 4、金属材料的成形方法（铸造、锻压、焊接） 共48学时（36学时讲课+4学时讨论+5学时实验+3学时机动） 特点：与专业课更相似，运用数学公式推导较少，借助图表文字表达叙述性强，有相应的理论基础，与生产实践结合较多。,四、学习中注意的几个问题,1、掌握重要的概念、规律、基础理论 2、理论联系实际 3、注意自己能力的培养 4、较快的适应这类课程的学习。 五、学习后应达到的要求 1、根据零件的性能要求，能初步合理的选用金属材料。 2、
3、能较合理的安排典型零件的加工工艺路线及确定热处理工艺方法。 3、根据零件结构特点等能较合理的选择材料成形方法。,参考教材：,辅助教材：“工程材料学、热加工工艺基础”学习指导、习题，自编。 1.“工程材料（第2版）”郑明新主编，1994.2，清华大学出版社。 2.“机械工程材料”王焕庭主编，1993.10，大连理工大学出版社。 3.“机械工程材料”崔占全等主编，2003.2，机械工业出版社。 4. “材料成形工艺基础”，翟封祥、尹志华主编，哈尔滨工业大学出版社。 课堂纪律 答疑安排？各班班长安排一名课代表,机器制造工艺流程简介,总体设计 零部件设计 产品设计 决定功能，选材 定技术要求，绘出图纸
4、决定生产方案(铸、锻、压、焊） 工艺准备 制定工艺规程及工艺卡 设计并制造工装,铸件 粗加工 毛坯生产 锻压件 切削加工 半精加工 焊接件 精加工组件、部件装配 装配与调试 总装 装箱出厂调试,第一章 工程材料的种类与性能,1-1工程材料的分类 1、金属材料（黑色金属和有色金属） 应用最广、用量最大、承载能力最高的仍是黑色金属。有色金属中的轻金属（铝、镁、钛合金）在航空工业中有重要意义。 2、非金属材料（无机非金属材料、 有机非金属材料 ） 陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材（无机非金属材料） 陶瓷材料最大的特点是有高的硬度、高的耐磨性、高的抗蚀性和抗氧化能力。最大的弱点是脆性大，塑性低。很少用于常
5、温下受力的结构材料，但是耐高温。,聚合物工程塑料、橡胶和合成纤维 （有机非金属材料）,即高分子材料，由许多分子量很大的大分子组成。 3、复合材料（树脂基和金属基两种） 复合材料的性能不同于组成它的任何单一材料的性能。, 1-2 工程材料的力学性能,力学性能是指材料在受外力作用下或力与环境因素（温度、介质）共同作用下所表现出来的性能。是零件设计、材料选用、工艺评定等的重要依据。 一、几个概念 1、变形： 材料在外力作用下引起尺寸和形状的变化。 分为：弹性变形外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又恢复原状的变形。 塑性变形：外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还保留一部分变形，这种残留的永久变形叫
6、塑性变形。 2、应变：变形量与原尺寸之比。=L/L = V/V 3、应力：单位面积上的内力。 =P/F(kg/mm2) (N/mm2MPa) 1 kg/mm210 Mpa=107pa 4、屈服：材料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发生的现象。,二、 拉伸试验,图6. 拉伸试样 （a）拉伸前（b）拉伸后,图7. 低碳钢的拉伸曲线 图8. 低碳钢的应力应变曲线,二、 拉伸试验,（一）强度 材料在外力的作用下抵抗某种现象（塑性变形、断裂）的能力。 1、弹性极限（ e） e=Pe/Fo MPa (Pe:材料在弹性变形范围内产生最大弹性变形时所承受的力N。 Fo试样标距部分的原始截面积， mm
7、2 。）表示材料产生完全弹性变形所能承受的最大应力。 一些精密零件，如精密弹簧、枪炮管等工作中不允许产生微量塑性变形，设计时应以e选材。,弹性模量E,弹性模量E是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值。拉伸时E=/， 在工程上E称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。E越大，在一定的外力下引起的弹性变形越小，即材料的刚度越大。 注：零件的刚度与材料的刚度不是一回事，零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与零件的结构有关。零件拉伸时的刚度为A0E（A0为零件的截面积）。 E的大小取决于材料的本性原子结合键能的高低，键能大，E就大。材料的成分与组织的变化影响不明显。,2、屈服强度（ S或0.2),S
8、=PS/Fo MPa (Ps:材料屈服时承受的最小力，N。 Fo试样标距部分的原始截面积， mm2 。）表示材料对明显塑性变形的抗力。 对拉伸曲线上不出现明显屈服现象的材料。国家标准规定以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料承受的应力为“规定屈服强度”，以 0.2 表示。 大多数的机器零件在工作中都不允许产生明显的塑性变形，因此， S是设计和选材的主要依据。 3、抗拉强度（ b） b =P b /Fo MPa (P b:材料在断裂前承受的最大载荷，N。 Fo试样标距部分的原始截面积， mm2 。）对塑性材料， b表示材料对最大均匀变形的抗力。,（二）塑性,材料发生塑性变形而不断裂的能
9、力。常用延伸率和断面收缩率表示。 1、延伸率（） 试样拉断后标距增长量与原始长度之比。 =L1-L0/L0由于 包括均匀伸长和集中伸长两部分，其中集中伸长 量与试样的尺寸有关，所以同一材料 10与 5不同。 51.2 10,比较材料塑性时只能是相同符号进行比较。 2、断面收缩率 试样拉断处截面积的缩减量与原始截面积之比。 =F0- F1/F0。断面收缩率不受试样尺寸影响，能可靠地反映材料 的塑性。 和越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行 塑性加工的条件。材料的塑性好，零件在工作中不会因 超载而突然断裂，较安全，这就是大多数零件除要求高 强度外，还要有一定塑性的道理。,三、硬度试验,材料抵
10、抗更硬物体压入其表面的能力。 由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，根据硬 度值可估计出材料的强度值和耐磨性，并且与材料的冷 成形性、焊接性、切削加工性都有一定的联系，所以硬 度试验在实际生产中应用很广泛。 常用的压入法硬度试验有： 1、布氏硬度（HB） 淬火钢压头适合测较软的材料 HBS450。硬质合金球压头以HBW 表示，适合测较硬的材料HB450650 。 布氏硬度的优点是测量的压痕面积大， 精度高。但不能用于成品件的检验,图10 布氏硬度测量示意图 (a)加载状态 b)卸载状态,2、洛氏硬度,与布氏硬度不同，洛氏硬度是根据压痕的深度而不是压痕直径计算硬度。可以从硬度计刻度盘上直接反映
11、出数值，无需测量压痕深度。根据所加载荷和压头材料不同，洛氏硬度分为15种，但常用的有3种。分别用HRA、HRB、HRC表示（总载荷分别为60、100、150Kg)。 洛氏硬度的优点是操作简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点是测量精度不高。 注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换成同一级别后才能比较。,四、冲击试验,冲击韧性ak：表示材料抵抗冲击载荷的能力。 用101055mm带缺口的 标准试样，在摆锤的一次冲击 下打断，测定试样断口处单位 面积所消耗的功，即： ak=A/F=G（H1-H2)/F(J/cm2) J=N m,图12 冲击试验示意图,四、冲击试验,冲击韧性是对材料的微观组
12、织的微小变化十分敏感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本一样时，其冲击值可能差别很大。另外， ak与温度有很大关系，一般低温时材料的ak低。 实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次过载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复冲击而断裂，这时用ak衡量其抗力不合适，而取决于 b。球墨铸铁 用来制做曲轴、连杆就是例子。,五、 疲劳试验,飞机、火车、汽车等机械上很多零件工作中承受交变载荷（或应力），即载荷（或应力）大小或大小与方向随时间按一定规律呈周期变化，或呈无规则随机变化。材料在这种情况下的破坏称为疲劳。,图16 变动载荷示意图 （a）载荷大小变化 （b）（c）载荷大小及方向都变化 （d）载荷大小及方向无规则变化,五、 疲劳试验,疲劳强度是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应 力。 钢铁材料通常将N为107次时最大应力定为-1。铝合金将 N为108次时最大应力定为-1。当引起疲劳断裂的应力较低（小于S ），断裂时应力循环 周次长（大于104），称为高周疲劳。有些机件，如飞机起落架，原子反应堆装置等常会在较高应 力，低循环周次（102105）下断裂，这称为低周疲劳。疲劳极限：用旋转弯曲试验测定材料对称循环疲劳极限-1。,图17 疲劳曲线示意图 （a）钢的N曲线 （b）铝合金疲劳曲线,
