【正文】 金屬材料與金屬切削加工原理作者：日期：第一章 金屬材料的性能第一節(jié) 金屬材料的主要性能兩大類：1 使用性能：機(jī)械零件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能。 包括：力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能 2 工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能等。 Ⅰ、金屬材料的力學(xué)性能： 力學(xué)性能受外力作用反映出來的性能。 一 彈性和塑性： 1彈性：金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形狀的性能。力和變形同時(shí)存在、同時(shí)消失。 如彈簧：彈簧靠彈性工作。 2 塑性：金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生永久變形而不至于引起破壞的性能。（金屬之間的連續(xù)性沒破壞）塑性大小以斷裂后的塑性變形大小來表示。塑性變形：在外力消失后留下的這部分不可恢復(fù)的變形。 3 拉伸圖：金屬材料在拉伸過程中彈性變形、塑性變形直到斷裂的全部力學(xué)性能可用拉伸圖形象地表示出來。 1）彈性階段σe 2）屈服階段：過e點(diǎn)至水平段右端 σs——塑性極限，s——屈服點(diǎn)，過s點(diǎn)水平段——說明載荷不增加，式樣仍繼續(xù)伸長(zhǎng)。（P一定，σ=P/F一定，但真實(shí)應(yīng)力P/F1↑ 因?yàn)樽冃?，F(xiàn)1↓）發(fā)生永久變形 3）強(qiáng)化階段：水平線右斷至b點(diǎn) P↑ 變形↑，σb——強(qiáng)度極限，材料能承受的最大載荷時(shí)的應(yīng)力。 4）局部變形階段bk 過b點(diǎn)，試樣某一局部范圍內(nèi)橫向尺寸突然急劇縮小。 “縮頸” （試樣橫截面變小，拉力↓） 4 延伸率和斷面收縮率：——表示塑性大小的指標(biāo) 1）延伸率： δ= l0——試樣原長(zhǎng)，l1——拉深后長(zhǎng) 2）斷面收縮率： F0——原截面，F(xiàn)1—拉斷后截面 （1） δ、ψ越大，材料塑性越好 （2）ε與δ區(qū)別：拉伸圖中 ε=ε彈+ε塑 ， δ=εmas塑 （3）一般δ〉5%為塑性材料，δ〈5%為脆性材料。 5 條件屈服極限σ0。2 有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。,稱為條件屈服極限. 二 剛度： 金屬材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。 1 材料本質(zhì) 彈性模量—在彈性范圍內(nèi),. 相當(dāng)于單位元元變形所需要的應(yīng)力。σ=Εε, Ε=σ/ε=tgα 2 幾何尺寸、形狀、受力 相同材料的E相同,但尺寸不同,\形狀\. 三 強(qiáng)度： 強(qiáng)度指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。按作用力性質(zhì)的不同,可分為:抗拉強(qiáng)度 σ+ 抗壓強(qiáng)度σ 抗彎強(qiáng)度σw 抗剪強(qiáng)度τb 抗扭強(qiáng)度σ 常用來表示金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo): 屈服強(qiáng)度: (Pa N/m2) Ps產(chǎn)生屈服時(shí)最大外力, F0原截面 抗拉強(qiáng)度 (Pa N/m2) Pb斷裂前最大應(yīng)力. σs /,機(jī)件會(huì)斷裂. σsσb之間塑性變形,壓力加工 四 硬度： 金屬抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力—是材料性能的綜合物理量,表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)的抵抗彈性變形、塑性變形或斷裂的能力。1 布式硬度 HB 用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時(shí)間后卸荷,測(cè)壓痕直徑d(用刻度放大鏡測(cè))則 HB=P/F (N/mm2) 單位一般不寫. F壓痕面積. HBS—壓頭用淬火鋼球, HBW—壓頭用硬質(zhì)合金球 因鋼球存在變形問題,不能測(cè)太硬的材料,適于HBS450, 如鑄鐵,有色金屬,軟鋼等. 而HBW＜650 特點(diǎn)：壓痕大，代表性全面 應(yīng)用：不適宜薄件和成品件 ２ 洛式硬度ＨＲ 用金剛石圓錐在壓頭或鋼球，在規(guī)定的預(yù)載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測(cè)其深度ｈ，由公式求出，可在硬度計(jì)上直接讀出，無單位．不同壓頭應(yīng)用范圍不同如下表：HRA硬質(zhì)合金 碳化物HRBｄ＝退火鋼 灰鐵 有色金屬HRC1200金剛石圓錐1471淬火 回火件優(yōu)點(diǎn):易操作,壓痕小,適于薄件,成品件 缺點(diǎn):壓痕小,代表性不全面需多測(cè)幾點(diǎn). 3 顯微硬度(HV) 用于測(cè)定金屬組織中個(gè)別組成體,夾雜物等硬度。顯微放大測(cè)量 顯微硬度(查表)與HR有對(duì)應(yīng)關(guān)系。如:磨削燒傷表面,看燒傷層硬度變化。五 沖擊韌性ak 材料抵抗沖擊載荷的能力 常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌性,標(biāo)準(zhǔn)試樣一次擊斷,用試樣缺口處單位截面積上的沖擊功來表示akak=Ak/F(J/m2) Ak=G(Hh) G重量 F缺口截面 1 脆性材料一般不開口,因其沖擊值低,難以比較差別. 1 ak↑,沖擊韌性愈好. 2 Ak不直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算:在生產(chǎn)中,工件很少因受一次大能量沖擊載荷而破壞,多是小沖擊載荷,多次沖擊引起破壞,而此時(shí),主要取決于強(qiáng)度,故設(shè)計(jì)時(shí), ak只做校核. 3 ak對(duì)組織缺陷很敏感,能夠靈敏地反映出材料品質(zhì),宏觀缺陷,纖維組織方面變化. 所以,沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理工藝質(zhì)量的有效方法。 （微裂紋——應(yīng)力集中——沖擊——裂紋擴(kuò)展） 六 疲勞強(qiáng)度： 問題提出：許多零件如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等在交變載荷作用下，發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度，這種現(xiàn)象——疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%機(jī)件失效是由于疲勞破壞。 疲勞強(qiáng)度——當(dāng)金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應(yīng)力。 1 疲勞曲線——交變應(yīng)力與斷裂前的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系。 例如：純彎曲，有色金屬N〉108 鋼材N107 不疲勞破壞 2 疲勞破壞原因 材料有雜質(zhì),表面劃痕,能引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致微裂紋,裂紋擴(kuò)展致使零件不能承受所加載荷突然破壞. 3預(yù)防措施 改善結(jié)構(gòu)形狀,避免應(yīng)力集中,表面強(qiáng)化噴丸處理,表面淬火等. Ⅱ、金屬材料的物理,化學(xué)及工藝性能： 一 物理性能 比重: 計(jì)算毛坯重量,選材,如航天件 :輕熔點(diǎn):鑄造 鍛造溫度(再結(jié)晶溫度)熱膨脹性:鐵軌 模鍛的模具、量具、導(dǎo)熱性: 鑄造:金屬型 鍛造:加熱速度、導(dǎo)電性: 電器元件 銅 鋁磁性:變壓器和電機(jī)中的硅鋼片 磨床: 工作臺(tái) 二 化學(xué)性能化學(xué)性能：指金屬材料與周圍介質(zhì)掃觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。耐腐蝕性：指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力?？寡趸裕褐附饘俨牧显诟邷叵拢挚巩a(chǎn)生氧化皮能力。金屬的化學(xué)性能,決定了不同金屬與金屬,金屬與非金屬之間形成化合物的性能,使有些合金機(jī)械性能高,有些合金抗腐蝕性好,有的金屬在高溫下組織性能穩(wěn)定. 如耐酸,耐堿等，如化工機(jī)械,高溫工作零件等 三 工藝性能 金屬材料能適應(yīng)加工工藝要求的能力. 鑄造性能：指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，主要包括流性能、充滿鑄模能力；收縮性、鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力；偏析指化學(xué)成分不均性。焊接性能：指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個(gè)或兩個(gè)以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性。冷彎性能：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一般用彎曲角度α（外角）或彎心直徑d 對(duì)材料厚度a 的比值表示，a 愈大或d/a 愈小，則材料的冷彎性愈好。沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進(jìn)行沖壓叫冷沖壓。檢驗(yàn)方法用杯突試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。鍛造性能：金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。第二章 常用工程材料在機(jī)械、工程等工業(yè)領(lǐng)域中，采用的材料種類及品種繁多、涉及范圍及其廣泛。其分類如下：隨著生產(chǎn)的迅速發(fā)展，特別是電子產(chǎn)業(yè)、航空航天技術(shù)的突飛猛進(jìn)，不斷地對(duì)材料的性能提出了愈來愈高的要求。而傳統(tǒng)單一材料往往不能全面滿足強(qiáng)度、韌性、重量和穩(wěn)定性等方面的要求，為使各種材料之間的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，獲得性能更加優(yōu)越的材料，人們研制出各種新型復(fù)合材料。就是由兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能通常兼有組成材料的各種優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣闊的發(fā)展前景。中國(guó)經(jīng)過幾十年的努力，鋼鐵工業(yè)已同過去的僅能生產(chǎn)100 多個(gè)鋼種、400 多個(gè)品種的鋼材發(fā)展到現(xiàn)在能生產(chǎn)1000 多個(gè)鋼種、4 萬(wàn)多個(gè)品種的鋼材，特別是國(guó)防工業(yè)和高精尖技術(shù)，包括原子彈、氫彈、導(dǎo)彈、核潛艇、通訊衛(wèi)星、火箭等需要的關(guān)鍵金屬材料。都已由國(guó)內(nèi)自行研制開發(fā)成功，最大限度滿足了其需要。第一節(jié) 合 金 鋼21 概 述 合金鋼——為了改善鋼的組織和性能，在碳鋼的基礎(chǔ)上，有目的地加入一些元素而制成的鋼。加入的元素稱為合金元素。常用的合金元素有錳、鉻、鎳、硅、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈷、鈮、銅、鋁、硼、稀土 (RE) 等。 根據(jù)我國(guó)的資源情況，富產(chǎn)的元素有硅、錳、鉬、鎢、釩、硼及稀土元素，而鉻、鎳，特別是鈷稀缺。選用合金鋼時(shí)，應(yīng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)先考慮我國(guó)資源豐富的鋼種。與碳鋼相比，合金鋼的性能顯著提高，應(yīng)用日益廣泛，但價(jià)格高于碳鋼。一、合金鋼的分類 (一) 按用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼——用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)的鋼。主要包括低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼等。 合金工具鋼——用于制造各種工具的鋼。主要包括合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼等。 特殊性能鋼——具有某種特殊物理或化學(xué)性能的鋼。主要包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等等。 (二) 按合金元素的總