金属工艺学2概要课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,将一个相对面夹角为,136,0,的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（,P,）压入试验表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度来计算表面积。维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得之商，单位：,MPa,。,小负荷维氏硬度计,显微维氏硬度计,3,、维氏硬度,HV,136,四棱锥形，载荷小，压痕浅,根据载荷范围不同，规定了三种测定方法,维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。,维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕将一个相对面夹角为13,1,维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。,优点：,所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度；,缺点：,测定过程比较麻烦,。,维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德,2,4,、布氏硬度与,洛氏硬度,的特点比较,布氏硬度的特点：,布氏硬度因压痕面积较大，,HB,值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在,450HB,以上的就不能使用（,HBW,在,650,以上不适用）。,由于压痕较大，成品检验也有困难。,通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。,洛氏硬度的特点：,洛氏硬度,HR,可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。,但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。,4、布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 布氏硬度的特点：洛氏硬度的,3,三、韧性,（与脆性相反）,工程中有些机件在工作时要受到瞬间大能量的冲击载荷,如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。,概念：,材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。,它是材料抵抗冲击荷载而不破坏的能力，或说材料断裂前吸收,能量,的能力。是材料强度和塑性的综合指标。,三、韧性（与脆性相反）工程中有些机件在工作时,4,v,2,F,1,v,1,瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即韧性。,韧性的,衡量指标是,冲击韧度,。,v2F1v1 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载,5,1,、冲击韧度,（,impact strength,）,概念：材料在冲击载荷作用,抵抗变形和断裂的能力,叫做冲击韧度（也称,冲击强度），值用,a,k,表示，由试验而得。,（,1,）冲击韧度,用于评价,材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度。,（,2,）冲击韧度是试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。,（,3,）冲击韧度根据,试验设备,不同可分为简支梁冲击韧度、悬臂梁冲击韧度,（,4,）冲击韧度的,测量标准,主要有,ISO,国际标准（,GB,参照,ISO,）及美国材料,ATSM,标准。,GB:,是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（,m,2,）上所消耗的冲击功（,J,），其单位为,MJ/m,2,。,ATSM:,单位宽度所消耗的功，单位为,J/m,。,1、冲击韧度（impact strength）（1）冲击韧,6,冲击韧度：,a,k,=A,K,/A,（,Jcm,-2,）,A,k,折断试样所消耗的冲击功（,J,）,A,试样断口处的原始截面积（,mm,2,）,塑性材料试样有圆弧缺口，脆性材料不开缺口。,2,、冲击韧度试验与计算,（,GB,）,通常采用摆锤式冲击试验机测定,(,大能量、一次冲断）。,冲击韧度：ak=AK/A（Jcm-2）Ak折,7,材料的a,k,值愈大，韧性就愈好；材料的a,k,值愈小，材料的脆性愈大。,通常把a,k,值小的材料称为脆性材料。,温度的影响：,研究表明，材料的a,k,值随温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，a,k,值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂。,材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，,8,材料的使用温度应高于冷脆转变温度,。,建造中的,Titanic,号,沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,Titanic,近代船用钢板,材料的使用温度应高于冷脆转变温度。建造中的Titanic 号,9,四、疲劳强度,1,、疲劳的概念,工程上一些机件,工作时受交变应力或循环应力作用,，如：曲轴、齿轮、连杆、弹簧等，,即使工作应力低于材料的屈服强度,s,，但经过一定循环次数,N,后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为,疲劳,。,交变应力（或循环应力）,随时间而（循环）变化的应力,应力循环次数,N,结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。,齿轮根部,火车轮轴,四、疲劳强度1、疲劳的概念 工程上一些机件工作时受,10,在循环载荷作用下，材料承受的循环应力和断裂时相应的循环次数N之间的关系曲线，称为疲劳曲线。,2,、疲劳曲线,（应力寿命曲线,）,由于实际测试时不可能做到无数次应力循环，故规定各种金属材料应有一定的,应力循环基数,。如钢材规定以,10,7,为基数，即钢材的应力循环次数达到,10,7,次仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲劳断裂了。,对材料疲劳强度要求特别高的钢材或有色金属，要求,N=10,8,次。,断裂区,不断裂区,实验：,把相同的试件从高到低加上一定载荷使其承受交变应力,，直至其破坏为止，并记下每个试件在破坏前的应力循环次数N。,在循环载荷作用下，材料承受的循环应力和断裂时相应的,11,3,、疲劳强度,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,(,又称疲劳极限、持久极限）。,材料的疲劳强度通常在疲劳试验机上测定。,当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号,-1,表示。即当应力低于,-1,值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。,有限寿命疲劳极限,3、疲劳强度金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断,12,4,、疲劳断裂原因：,零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段,.,材料内部杂质、缺陷、表面划痕、应力集中等在交变载荷的作用下产生微裂纹，并扩展导致断裂。,5,、提高疲劳强度的措施：,除改善材料的形状结构，减少应力集中外，还要采取,进行表面强化措施。如提高零件的,表面质量（表面粗糙度）、喷丸处理等，同时应减少材料的内部缺陷，控制材料的内部质量。,轴的疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片）,4、疲劳断裂原因：轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）,13,五、材料的高温性能,金属材料随温度的升高，弹性模量E、强度（s、,b,）、硬度等值降低，而塑性增加 的现象称,高温蠕变,。,在热环境中受载工作的零件须考虑材料的高温性能。,小资料：,2001.9.11,。纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高,411,米，为钢结构，单个塔楼的重量约,5,万吨；,撞击大楼的波音,757,飞机起飞重量,104,吨，波音,767,飞机起飞重量,156,吨，它们的飞行速度大约是每小时,1000,公里。,没了！,没了！,五、材料的高温性能金属材料随温度的升高，弹性模量E、强度（,14,小资料：,第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了,1,小时,43,分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机撞击世贸大楼的南部塔楼。,撞击位置较低，上层压力很大,，大火燃烧了,1,小时零,2,分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。,小资料：第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火,15,第二节 金属材料的工艺性能,工艺性能,是材料物理、化学、力学性能的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等,1,、铸造性能,金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。,2,、锻造性能,金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,第二节 金属材料的工艺性能 工艺性能是,16,3,、焊接性能,焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。,4,、切削加工性能,切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。,总结,强度、硬度、塑性、冲击韧度的概念,工程上衡量强度、塑性、冲击韧度的常用指标,复习题,5,3、焊接性能 总结 强度、硬度、塑性、冲击韧度的概念,17,第二章 铁碳合金,什么是铁碳合金？,以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于,95%。,学习内容,1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,2.铁碳合金的基本组织,3.铁碳合金状态图,4.工业用钢,第二章 铁碳合金什么是铁碳合金？,18,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,【重点内容】,1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。,2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。,3.纯铁的晶体结构。,4.纯铁同素异晶（构）转变。,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变【重点内容】,19,一、金属的结晶,什么是金属的结晶？,液态金属冷却凝固转变为固态,晶体,的过程，称结晶。,结晶,：,液体-晶体,凝固：,液体-固体（晶体 或 非晶体）,非晶体,：,蜂蜡、玻璃等,液体,凝固,=,结晶,凝固,晶体：,金属、,NaCl,、冰,等,原子（离子、分子）在三维空间呈周期性规则排列,无规则堆积,原子间距大、排列混乱,一、金属的结晶什么是金属的结晶？结晶：液体-晶体凝,20,冷却曲线与过冷度,结晶的过程可用,“,温度,时间的曲线,”,（冷却曲线）来表示。,过冷现象：实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。,过冷度：,理论结晶温度(T,o,)与其实际结晶温度T,n,之差 T=T,o,-T,n,注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。过冷度的大小与冷却速度的关系,纯金属的冷却曲线,冷却曲线与过冷度结晶的过程可用“温度时间的曲线”（冷却曲线,21,结晶过程,=,形核+长大,液态金属,晶核长大,形核,完全结晶,晶粒,结晶过程=形核+长大 液态金属晶核长大形核完全结晶晶粒,22,