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机械设计基础 教学课件 ppt 红 1 第3章_图文

第三章 常用金属材料 及热处理 【基本要求】 (1) 了解金属材料的性能。 (2) 掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。 (3) 掌握典型的机械零件、刀具和模具等选用工程材料的 方法。 (4) 具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理 工序位置的能力。 (5) 了解非铁金属材料的性能及用途。 【重点和难点】 (1) 常用金属材料的分类、牌号、性能和用途。 (2) 典型的机械零件、刀具和模具等选用工程材料的方法。 (3) 常见零件热处理工艺方法及确定热处理工序。 第一节 金属材料的性能 纯金属与合金统称为金属材料,纯金属材料应用较少 (价贵且强度较低),而合金材料较为常用。 金属材料的主要性能是指力学性能、物理性能、化 学性能和工艺性能等。 力学性能是指金属材料在不同性质外力作用下表现 的抵抗能力。如弹性、塑性、强度、硬度、韧性等。这些 性能指标是机械设计、材料选择、工艺评定和材料检验的 主要依据。 物理性能是指金属材料对于各种物理现象所引起的 反应,是在地心引力、温度变化、电磁作用等物理条件下, 原子、离子、电子之间相互作用的结果,如导电性、导热 性、热膨胀性、熔点、磁性、密度等。 化学性能是指金属材料在室温或高温条件下抵抗其他 物质的化学作用的能力,主要指金属材料的抗氧化性、耐 酸性、耐碱性、耐蚀性等。 工艺性能是指金属材料具有的能够适应各种加工工 艺要求的能力,实质上是力学、物理和化学性能的综合表 现,包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性 能等。 下面主要介绍金属材料的力学性能与工艺性能。 一、金属材料的力学性能 1.强度 强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂 的能力。 金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力越大,强度越 高。根据受力状况的不同,可分为抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等。一般以抗拉强度作 为最基本的强度指标。 强度的大小通过拉伸试验来测定,试验时,将按国家 标准规定的试样两端夹在试验机的两个夹头上,随着负荷 的缓慢增加,试样逐步变形并伸长直至被拉断为止。 强度指标主要有以下两个: (1) 屈服点(符号为σ s,单位为MPa) 式中 Fs——试样产生屈服现象时的载荷,单位为N; S0——试样原截面积,单位为mm2。 除低碳钢和中碳钢及少数合金钢有屈服现象外,大多 数金属材料没有明显的屈服现象,因此,对这些材料,规 定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服强度σ 0.2可以替 代σ s,称屈服强度,σ 0.2为条件屈服强度。 (2) 抗拉强度(符号为σ b,单位为MPa) 式中 Fb——试样拉断前的最大拉力,单位为N; S0——试样原截面积,单位为mm2。 抗拉强度表示试样在拉断前能承受的最大拉应力。 显然,材料不能在承受σ b的载荷条件下工作,这样会导 致金属构件和零件的破坏。另外,屈服点和抗拉强度的 比值,即屈强比σ s/σ b 也是设计和选材的重要依据。 2.塑性 塑性是材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性指标 用断后伸长率和断面收缩率表示。 (1)伸长率(符号为δ ) 由于δ 值与试样尺寸有关,故一般按照长径比规定L0=5d0(短试样)或L 10d0(长试样),分别以δ 5或δ 10表示,δ 10通常写成δ 。 (2) 断面收缩率(符号为ψ ) 式中 S0——试样原截面积,单位为mm2; S1——试样断口处截面积,单位为mm2。 δ 和ψ 的数值越大,说明金属材料的塑性越好,良 好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件,一般δ 达5%或ψ 达10%即可以满足大多数零件的要求。 3.硬度 硬度指金属材料抵抗更硬物体压入的能力,或者说 金属表面对局部塑性变形的抵抗能力。它是衡量材料软硬 程度的指标。硬度越高,材料的耐磨性越好。 根据测定硬度的方法不同,可用布氏硬度、洛氏硬 度、维氏硬度来表示材料的硬度。 (1) 布氏硬度 用一定直径的硬质合金球,以相应的试验 力压入试样表面,经规定保持时间后,卸除试验力,测量试样 表面的压痕直径,之后将测得参数代入计算公式,即可得布氏 硬度值为F/S,单位为N/mm2,F表示所加试验力,S表示压痕表 面积,可通过球直径和压痕直径计算。 (2)洛氏硬度 洛氏硬度试验是以顶角为120°的金刚石 圆锥体或直径为1.588mm的钢球作为压头,压入被测材料,根据 压痕的深度来度量材料的硬度。压痕愈深,材料愈软,硬度值 愈小。 按照压头种类和所加载荷不同,可以分为HRA、HRB和 HRC等不同洛氏硬度符号,工程上常采用HRC表示洛氏硬度 指标。 洛氏硬度试验操作简便迅速,可直接从表盘上读出硬 度值,没有单位。由于压痕小,可用于成品及薄件检验, 但不如布氏硬度试验准确。 (3)维氏硬度 维氏硬度用符号HV表示,它的测定原 理基本上和布氏硬度相同,也是根据单位压痕面积上所承 受的载荷大小来表示硬度值。所不同的是,维氏硬度采用 锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体作为压头,适用于测 量零件表面硬化层及经化学热处理的表面层的硬度。维氏 硬度值测量精度高,但操作复杂,工作效率不如测量洛氏 硬度高。 4.冲击韧度 冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷的能力,由于外 力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷作用下 大得多,因此在设计受冲击载荷的零件时必须考虑所用 材料的冲击韧度。冲击载荷作用下,金属材料抵抗破坏 的能力以冲击韧度aKU表示,aKU越大,材料的韧性越好, 在受到冲击时越不易断裂。 5.疲劳强度 很多机械零件,如各种轴、齿轮、连杆、弹簧和钢 轨等,经常受到大小及方向随时间周期性变化的载荷, 在交变载荷下工作的机器零件虽然工作应力远低于其抗 拉强度σ b,甚至低于屈服点σ s,但在长时间工作后会突 然发生断裂,这种现象称为疲劳。 疲劳断裂时不发生明显的塑性变形,断裂是突然发 生的,具有很大的危险性,常常造成严重的事故。据统 计,损坏的机器零件中,约有80%都是由



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