【正文】 工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ) 緒 論 ? 1 本課程的性質(zhì) 本課程是研究材料及其成形方法的技術(shù)基礎(chǔ)課 。 它是機(jī)械類及近機(jī)類各專業(yè)必修的一門課程 。 ? 2 學(xué)習(xí)目的 (1)獲得常用工程材料及各類成形方法和加工工藝知識(shí) ， 能合理地選材 、 正確地制定材料的加工程序 。 (2)初步了解與本科程有關(guān)的新技術(shù) 、 新材料和新工藝 ， 為學(xué)習(xí)其它相關(guān)課程及以后從事機(jī)械設(shè)計(jì)和加工制造方面的工作奠定必要的理論基礎(chǔ) 。 緒 論 ?3 本課程的主要內(nèi)容 (1)常用的工程材料及其成形方法和加工工藝。 (2)各類成形方法對(duì)零件結(jié)構(gòu)和材料的工藝性要求。 ?4 了解機(jī)械制造業(yè)總流程 緒 論 ? 5 主要知識(shí)框架 工程材料及 成形技術(shù)基礎(chǔ) 工程材料 成形技術(shù) 基礎(chǔ) ? 6 參 考 書 ? (1)《 材料成形技術(shù)基礎(chǔ) 》 何紅媛主編，東南大學(xué)出版社。 ? (2)《 材料成型工藝基礎(chǔ) 》 沈其文主編，華中理工大學(xué)出版社。 ? (3)《 工程材料及應(yīng)用 》 周鳳云主編，華中科技大學(xué)出版社。 ? (4)《 材料成型技術(shù)基礎(chǔ) 》 胡亞民主編，重慶大學(xué)出版社。 ? (5)《 熱加工工藝基礎(chǔ) 》 任福東主編，機(jī)械工業(yè)出版社。 工程材料 ： 用于機(jī)械、電子、建筑、 化工和航空航天 等領(lǐng)域的材 料統(tǒng)稱為工程材料。 機(jī)械工程材料 ： 用來制造各種機(jī)電產(chǎn)品的材料統(tǒng)稱為機(jī)械工程材料。 概 述 復(fù)合材料 非金屬 材料 金屬材料 機(jī)械 工程材料 概 述 材料的 發(fā)展過程 石斧 青銅鼎 神舟飛船 滄州鐵獅子 石器時(shí)代 銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代 復(fù)合材料 概 述 工程材料的 發(fā)展過程 4050年代 :材料的發(fā)展主要圍繞著機(jī)械制造業(yè)，因此，主要發(fā)展以 一般力學(xué)性能為主 的 金屬材料 5060年代 :壓力容器向高強(qiáng)度方向發(fā)展更快，發(fā)展了 高強(qiáng)度低合金鋼 60年代以后 :由于航空、空間機(jī)械和動(dòng)力機(jī)的發(fā)展對(duì)材料提出了更苛刻的要求。如 高溫、高壓、高的比強(qiáng)度和比模量 。 20世紀(jì)后期： 新材料特別是 非金屬人工合成材料 如 陶瓷材料 、 高分子材料 及 復(fù)合材料 快速發(fā)展。 高功能化、超高性能化 復(fù)合輕量化、智能化 第一章 零件對(duì)材料的性能要求 化學(xué) 成分 分類 金屬材料 有機(jī)高分子材料 復(fù)合材料 陶瓷材料 黑色金屬 有色金屬 輕有色金屬 重有色金屬 稀有金屬 鑄鐵 碳鋼 合金鋼 塑料 合成橡膠 合成纖維 有機(jī)膠粘劑及涂料 硅酸鹽材料 新型陶瓷 非金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 機(jī) 械 工 程 材 料 功能分類 功能材料：用于制造實(shí)現(xiàn)其他功能的零件的材料 結(jié)構(gòu)材料：用于制造實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和傳遞動(dòng)力的零件 機(jī)械 工程 材料 金屬材料：具有良好的 導(dǎo)電性 、 導(dǎo)熱性 、在具有 較高的強(qiáng)度 的同時(shí)，具有 良好的塑性成形性 、 鑄造性 、 切削 加工 和 電加工性 等加工性能；通過 熱處理 及 表面 改性 可以大幅度 (成倍）改變其性能； 工程材料的特征 有機(jī)高分子材料： 密度小、強(qiáng)度低（比強(qiáng)度高，高于鋼鐵） 較高的彈性 ， 良好的電絕緣性能 ， 優(yōu)良的 減摩 、 耐磨和自潤(rùn)滑性能 ， 優(yōu)良的耐腐蝕 性能（超過不銹鋼），優(yōu)良的透光性和隔 熱、隔音性 ， 加工性好，成本低 ，但是易 老化 。 注： 老化作用 ：高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受各種環(huán)境因素的作用而導(dǎo)致性能逐漸變壞，以致喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象。 【 輪胎發(fā)生的龜裂、玻璃纖維（起毛） 】 陶瓷材料：是無機(jī)非金屬材料，是有一種或多種金屬或非金屬元素 形成的具有強(qiáng)離子鍵或共價(jià)鍵的化合物。 優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，彈性模量大，具有 耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣、熱膨脹系數(shù)??； 缺點(diǎn)：但是抗壓不抗拉，脆性大，不易加工成形； 復(fù)合材料：能充分發(fā)揮其組成材料的各自長(zhǎng)處，同時(shí)在一定程度上 克服它們的弱點(diǎn)； 金屬材料的主要性能 機(jī)械零件在使用過程中，要受到 力學(xué)負(fù)荷 諸如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切以及 熱負(fù)荷 諸如高溫蠕變、熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱疲勞和 環(huán)境介質(zhì)的作用 諸如腐蝕、摩擦損失，并且還要傳遞力和能。 因此，作為構(gòu)成機(jī)械零件的金屬材料，應(yīng)具備良好的力學(xué)性能、物理性能、和化學(xué)性能以防止零件早期失效，同時(shí)還要有良好的工藝性能 。 金屬的力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能：材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等。 表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金屬力學(xué)性能的判據(jù)。 高溫蠕變 疲勞強(qiáng)度 低應(yīng)力 脆斷 彈性 強(qiáng)度 韌性 硬度 剛度 塑性 金屬 力學(xué)性能 1 彈性 ： 即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又回復(fù)到原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過 拉伸試驗(yàn) 來測(cè)定。 圖 1－ 1 拉伸曲線及拉伸試樣 拉伸試驗(yàn) :即靜拉伸力對(duì)試樣軸向拉伸 ,測(cè)量力和相應(yīng)的伸長(zhǎng) ,一般拉至斷裂以測(cè)定其力學(xué)性能的試驗(yàn)。 圖 1－ 2 低碳鋼拉伸曲線 彈性極限： 即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲線 p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 ζ p為彈性極限： ζ p= Fp/So 式中 ζ p —— 彈性極限（ MPa）； Fp —— 試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)的最大外力（ N）； So —— 試樣原始橫截面積（ mm2）。 2 剛度： 即材料抵抗彈性變形的能力。 剛度的大小以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸 曲線上表現(xiàn)為 oe段的斜率，即： E=ζ /ε 式中 E—— 彈性模量（ MPa）； ζ —— 應(yīng)力（ MPa）； ε —— 應(yīng)變。 3 強(qiáng)度： 即金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。 （ 1）屈服點(diǎn) 屈服點(diǎn)：即試樣在拉伸過程中力不斷增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)（變形）時(shí)的應(yīng)力。在拉伸曲線上 s點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服點(diǎn)。 ζ s=Fs/S0 式中 ζ s—— 屈服點(diǎn)（ MPa ）； Fs—— 試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的（ N）； S0—— 試樣原始橫截面積（ mm2）。 (2) 抗拉強(qiáng)度：即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。 如圖 12所示，拉伸曲線上 b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度。 ζ b=Fb/S0 式中 ζ b—— 抗拉強(qiáng)度（ MPa）； Fb—— 試樣斷裂前所能承受的最大拉（ N）； S0—— 試樣原始橫截面積（ mm2 ）。 4 塑性 即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。 常用的塑性判據(jù)是伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 （ 1）伸長(zhǎng)率 即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。 δ=(L1 L0)/ L0 100% 式中 δ——伸長(zhǎng)率（ %）； L1——試樣拉斷后標(biāo)距（ mm)； L0 ——試樣原始標(biāo)距（ mm)。 （ 2） 斷面收縮率：即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比。 Ψ=（ S0S1） /S0 100% 式中 Ψ—— 斷面收縮率（ %）； S1—— 試樣的原始截面積（ mm2） S0—— 試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（ mm2 )。 5 硬度 即材料抵抗局部變形的能力。 硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。 （ 1）布氏硬度試驗(yàn) 動(dòng)畫演示 布氏硬度試驗(yàn)： 用 一 定 直 徑的球體（鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除實(shí)驗(yàn)力，用測(cè)量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。 布 氏 硬 度 的（ 2）洛氏硬度試驗(yàn)（ 動(dòng)畫演示 ) 即在初始試驗(yàn)力及總試驗(yàn)力先后作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。 ? 6 韌性 即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。常采用夏比沖擊試驗(yàn)來測(cè)定材料的韌性。 αＫ ＝Ａ Ｋ ／Ａ＝Ｇ (h1h2)/A 式中 αＫ ——沖擊韌度（ J/cm2） Ａ Ｋ ——試樣的沖擊吸收功（ J) Ａ ——缺口底部橫截面積 (mm2 ) Ｇ ——擺錘重量 (Kg) h1——擺錘舉起高度 (m) h2——擊斷試樣后升起高度 (m) 圖１－ 3 夏比沖擊試驗(yàn) 金屬材料的物理、化學(xué)性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐蝕性、光學(xué)性能等。 機(jī)械零件的用途不同，對(duì)材料的物理、化學(xué)性能要求也不同 。 金屬材料的物理、化學(xué)性能 光學(xué) 性能 耐腐蝕 導(dǎo)熱性 磁性 耐熱性 熱膨 脹性 導(dǎo)電性 熔點(diǎn) 密度 金屬的 理化性能 ? 金屬的工藝性能 ： 即金屬材料對(duì)加工工藝的適應(yīng)性 。 ? 按加工方法不同，可分為鑄造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等。 金屬的各種工藝性能將在以后的有關(guān)章節(jié)中作詳細(xì)介紹。 金屬的 工藝性能 金屬材料的工藝性能 鑄造性 塑性成形性 焊接性 ？它們的物 理含義各是什么？ ？ 熱軋鋼坯 青銅鑄件 淬硬鋼齒輪 薄鋁板 灰鑄鐵 思 考 題 3’ 金屬材料 高分子材料 復(fù)合材料 陶瓷材料 固體 材料 第二章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能 本章主要講解 金屬材料 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能 固體材料的分類 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為 晶體 和非晶體兩大類。 ? 晶體： 物質(zhì)內(nèi)部的