金屬材料的機(jī)械性能及工藝性能金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能主要是指在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。如：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。第二頁，共35頁。強(qiáng)度強(qiáng)度：是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度極限和屈服極限是表征強(qiáng)度的主要性能指標(biāo)。屈服極限是材料發(fā)生塑性變型時(shí)的應(yīng)力；強(qiáng)度極限是材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力。第三頁，共35頁。剛度剛度：是指材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量E:在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值E為常數(shù)，稱為彈性模量；

彈性模量E是表征材料剛度的主要性能指標(biāo)。第四頁，共35頁。塑性塑性：是指在外力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變型而不產(chǎn)生斷裂的能力。工程上一般用材料被拉斷后所留下的剩余變形來表示材料的塑性，一般用兩個(gè)指標(biāo)來表示：延伸率：收縮率：第五頁，共35頁。硬度硬度：材料抵抗壓入物壓陷的能力，即材料對局部塑性變形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分別為：HRC和HBC。第六頁，共35頁。韌性和疲勞強(qiáng)度材料抵抗沖擊載荷和變載荷的能力。韌性：在沖擊載荷作用下，材料抵抗破壞的能力。疲勞強(qiáng)度：金屬材料受到交變載荷作用時(shí)會產(chǎn)生交變應(yīng)力，即使其應(yīng)力未超過屈服極限，但當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加到某一數(shù)值N后，材料也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象，叫金屬的疲勞。第七頁，共35頁。疲勞曲線材料承受交變或重復(fù)應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線，稱為疲勞曲線。循環(huán)次數(shù)N應(yīng)力107第八頁，共35頁。金屬材料的工藝性能是指金屬材料所具有的能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。金屬材料常用的加工工藝方法：鑄造、壓力加工、焊接、切削加工等。第九頁，共35頁。各種工藝方法對材料提出的要求鑄造：將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔中，待其凝固后而得到的一定形狀和性能的鑄件的方法。鑄造性：是指澆注時(shí)液態(tài)金屬的流動(dòng)性、凝固時(shí)的收縮性和偏析傾向等。灰口鑄鐵和青銅有良好的鑄造性能。第十頁，共35頁。鍛造性：是指材料在壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。低碳鋼的鍛造性好，鑄鐵沒有鍛造性。第十一頁，共35頁。焊接性：是指材料在通常的焊接方法和焊接工藝條間下，能否獲得良好焊縫的性能。低碳鋼的焊接性能好，鑄鐵的焊接性能差。第十二頁，共35頁。切削加工性：是指對材料進(jìn)展切削加工的難易程度。灰口鑄鐵具有良好的切削加工性。第十三頁，共35頁。金屬材料的熱處理與零件的外表處理鋼的熱處理：將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)施以不同形式的加熱、保溫和冷卻，從而改變〔或改善〕其組織構(gòu)造，以到達(dá)預(yù)期性能的操作工藝。熱處理不改變工件形狀，只改變內(nèi)部組織構(gòu)造，以獲得不同的機(jī)械性能。鋼的熱處理可以改善鋼的加工工藝性能、提高鋼的機(jī)械性能、增加壽命、耐磨性等。第十四頁，共35頁。熱處理方法：1、退火：將鋼件加熱到臨界溫度以上20－30度，經(jīng)保溫一段時(shí)間后隨熱處理爐〔或埋入石灰石、沙中冷卻〕緩慢冷卻至500度以下，然后在空氣中冷卻。目的：降低鋼的硬度，改善切削性能；細(xì)化鋼的晶粒，減少組織的不均勻性，消去工件在鍛造、鑄造中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力。第十五頁，共35頁。2、正火：將鋼件加熱到臨界溫度以上30－50度，保溫一段時(shí)間后從爐中取出在空氣中冷卻。目的：正火和退火相似，但正火后機(jī)械強(qiáng)度略高。第十六頁，共35頁。3、淬火和回火淬火是將工件加熱到臨界溫度以上30－50度，保溫一定時(shí)間，然后在水或鹽水或油中急速冷卻。目的：提高鋼的硬度和強(qiáng)度。但急速冷卻引起內(nèi)應(yīng)力，使鋼變脆，所以淬火后必須回火，以得到較高的強(qiáng)度、硬度和韌性。第十七頁，共35頁。回火：將淬火后的工件加熱到臨界溫度以下，保溫一定時(shí)間后在空氣或水或油中冷卻。目的：硬度、強(qiáng)度略有降低，但消除了內(nèi)應(yīng)力和脆性。調(diào)質(zhì)：淬火＋高溫回火，可以使鋼材獲得良好的綜合機(jī)械性能。第十八頁，共35頁。外表化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將鋼件放在某種化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻的方法使介質(zhì)中的某些元素滲入鋼件外表，改變了外表層的化學(xué)成分，從而使其外表具有與內(nèi)部不同的特殊性能。一般都是使外表獲得高硬度、高疲勞極限，以及耐磨、防腐蝕性能。第十九頁，共35頁。滲碳將低碳鋼工件放在大量含碳的固體〔木炭粉和碳酸鹽〕或氣體〔天然氣、煤氣等〕介質(zhì)中，加熱到850~950℃，保溫一段時(shí)間，使碳擴(kuò)散到鋼外表層內(nèi)，使外表層的含碳量到達(dá)0.8%~1.2%。再經(jīng)淬火和低溫回火，從而獲得高硬度和耐磨性。第二十頁，共35頁。氮化將鋼件放入含有氮的介質(zhì)或利用氨氣加熱分解的氮?dú)庵校訜岬?00~620℃，持續(xù)保溫20~50小時(shí)，使氮擴(kuò)散滲入鋼件外表層內(nèi)。經(jīng)氮化處理的鋼件不再經(jīng)淬火便具有很高的外表層硬度及耐磨性，并大大提高疲勞極限、耐腐蝕性能及耐熱性。第二十一頁，共35頁。金屬零件的外表處理外表處理是在金屬外表附上一層覆蓋層，以到達(dá)防腐、改善性能及裝飾的作用。通常分電鍍、化學(xué)處理和涂漆三種。第二十二頁，共35頁。電鍍電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬〔或非金屬〕外表鍍上一薄層其它金屬或合金的過程。分為：鍍鉻、鍍鎳、鍍鋅第二十三頁，共35頁。化學(xué)處理金屬零件外表的化學(xué)處理主要有氧化和磷化。氧化是零件外表形成該金屬的氧化膜，以保護(hù)金屬不受侵蝕，并起美化作用；磷化是在金屬外表生成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜，可以保護(hù)金屬。第二十四頁，共35頁。常用金屬材料鑄鐵碳素鋼合金鋼有色金屬材料第二十五頁，共35頁。常用金屬材料1、鑄鐵：鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。性能：具有良好的鑄造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且價(jià)格低廉，生產(chǎn)設(shè)備簡單。因此，它是應(yīng)用最多的一種金屬材料。分類：〔1〕灰口鑄鐵；〔2〕可鍛鑄鐵；〔3〕球墨鑄鐵；〔4〕合金鑄鐵第二十六頁，共35頁。碳素鋼通常把含碳量在0.02%~2.11%之間的鐵碳合金稱為鋼〔碳素鋼〕。碳素鋼可以軋制成板材和型材，也可以鍛造成各種形狀的鍛件，但鍛件的形狀一般比鑄件簡單。分類〔1〕普通碳素構(gòu)造鋼：Q195、Q215等〔2〕優(yōu)質(zhì)碳素構(gòu)造鋼：30、45號鋼等〔3〕碳素鑄鋼：ZG310－570等〔4〕碳素工具鋼；T10等第二十七頁，共35頁。合金鋼為了改善鋼的性能，專門在鋼中參加一種或數(shù)種合金元素的鋼叫做合金鋼。合金元素的種類：鉻〔Cr〕、錳〔Mn〕、鎳〔Ni〕、硅〔Si〕、硼〔B〕、鎢〔W〕、鉬〔Mo〕、釩〔V〕、鈦〔Ti〕、鋯〔Zr〕和稀土元素〔Re〕等。目的：使鋼獲得一般碳素鋼達(dá)不到的性能，如硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；獲得高彈性、高抗磁或?qū)Т判缘取５诙隧摚?5頁。合金鋼分類合金鋼按用途來分一般可分為三大類：合金構(gòu)造鋼：調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼：刃具鋼、磨具鋼、量具鋼特殊性能鋼：不銹鋼、耐熱鋼等。第二十九頁，共35頁。有色金屬材料與鋼、鐵相比，有色金屬的強(qiáng)度較低。應(yīng)用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化學(xué)性能：如鋁、鎂、鈦及其合金密度小；銅、鋁及其合金導(dǎo)電性好；鎳、鉬及其合金能耐高溫等。因此，工業(yè)上除大量使用黑色金屬外，有色金屬也得到廣泛的應(yīng)用。有色金屬及其合金種類繁多。第三十頁，共35頁。常用非金屬材料工程塑料：聚酰胺、尼龍、等。工業(yè)陶瓷：普通陶瓷、特種陶瓷等。復(fù)合材料：玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料、層合復(fù)合材料。第三十一頁，共35頁。選擇材料的一般原則1、使用性原則假設(shè)零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又有所限制時(shí)，則應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料；假設(shè)零件尺寸取決于剛度，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料〔如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼等〕；在滑動(dòng)摩擦下工作的零件，應(yīng)選用減摩性能好的材料；在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。第三十二頁，共35頁。2、工藝性原則用金屬制造零件的方法根本上有四種：鑄造、壓力加工〔鍛造、沖壓〕、焊接和機(jī)械切削加工〔車、銑、刨、磨、鉆等〕。不同加工方法使用的材料不同：比方鑄鐵具有很好的鑄造工藝性，但不能鍛