工程材料与热处理Word格式.docx

工程材料与热处理Word格式.docx

《工程材料与热处理Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料与热处理Word格式.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

三、课程研究

金属材料的结构（微观）、物理性能、化学性能、力学性能、工艺性能。

工程材料的生产过程概述

一、钢铁材料生产过程的概述

钢铁材料的区别：

（含碳量）

工业纯铁Wc<

0.0218%

钢Wc=0.0218%~2.11%

生铁Wc>

2.11%

1、炼铁

原料：

铁矿石、焦炭、石灰石

设备：

氧化转炉/电弧炉

产物：

生铁、煤气、炉渣

生铁分类（含硅量）；

Wsi>

1.5%铸铁生铁主要用于生产铸件

Wsi＜1.5%炼钢生铁主要用于炼钢原料

煤气:

可用于取热炉渣:

可用于生产水泥

2、炼钢

实质：

脱碳、脱氧处理

生铁、废钢；

钢

产物根据脱氧程度不同：

特殊镇静钢、镇静钢、半镇静钢、沸腾钢

（区别：

内部组织致密程度不同。

）

3、钢产品生产

使用连铸法，生产钢锭和铸坯。

生产率高，质量好，节约能源，生产成本降低。

4、钢的最终产品

钢锭进过冷轧、热轧最终生成所需的板材、管材、型材…

二、高分子化合物

是由低分子化合物组成，是大量低分子的聚合物。

三、陶瓷材料

是人工的以硅酸盐为原料，经过制粉、配料、成形、高温烧结而成的无机非金属材料。

工艺：

主要成分+搀杂成分混合（搅拌）预烧合成粉碎造粒成形烧结冷加工

四、其他材料

粉末冶金材料、复合材料、新型材料

五、习题

1、名词解释：

钢铁

2、填空题：

1）金属材料可分为有色/纯金属和黑色/合金金属。

2）生铁是同铁矿石冶炼而获得的，高炉生铁分为铸铁生铁和炼钢生铁。

3）现代炼钢方法主要有氧化转炉和电弧炉。

4）根据钢水的脱氧程度不同，可分为特殊镇静钢、镇静钢、半镇静钢、沸腾钢。

5）机械产品的制造分为设计阶段、制造阶段、使用阶段。

（课本外）

3、判断题：

1）钢和铸铁都是以铁碳为主的合金。

（对）

2）电炉主要用于冶炼高质量的合金钢。

3）高炉炼钢的过程是使氧化铁还原，获得纯铁的过程。

（错）

炼钢方法

热源

主要原料

特点

产品

氧化转炉

氧化反应的化学热

生铁、废钢

冶炼速度快，生产率高，成本低。

钢的品种多，质量较好，适于大量生产。

非合金钢

低合金钢

电弧炉

电能

废钢

炉料通用性大。

炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金钢。

钢的质量优良，品种多样。

合金钢

第一章工程材料的性能

工程材料的性能实际是指：

材料使用性能和工艺性能。

使用性能：

指金属材料在使用过程中所表现出来的物理性能、

化学性能、力学性能…

工艺性能：

工程材料在生产制造过程中应具备的成形加工的能力。

第一节金属的力学性能

力学性能：

是指金属在外力作用下所表现出来的性能。

主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度…

是衡量工程材料性能的主要指标。

载荷：

是指金属材料在加工及使用过程中所受的外力。

根据载荷的作用不同分为：

1）静载荷：

是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。

2）冲击载荷：

在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

3）交变载荷；

是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。

变形：

金属材料受到载何作用而产生的几何形状和尺寸的变化。

分为弹性变形和塑性变形。

弹性变形：

指物体拆去外力作用后，物体能恢复成原来的形状。

塑性变形：

指物体拆去外力作用后，物体不能恢复成原来的形状。

内力：

金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。

应力：

单位面积上作用着内力的大小。

计算方法：

σ=F/S

式中σ——应力，Pa.（帕）1Pa=1N/mm2

F——外力，N

S——横截面积，mm2

一、强度

金属在静载荷作用下，抵抗塑性变化或断裂的能力。

强度有大小用应力来表示。

根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度…

拉伸实验：

1、实验

记录拉伸力（F）与变形量（ΔL）描绘，即得到拉伸力和伸长量和关系，称为拉伸曲线。

或称为应力-应变曲线。

2、材料的拉伸曲线图

（1）oe：

弹性变形阶段：

试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。

Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。

（2）es：

屈服阶段：

不能随载荷的去除而消失的变形称为。

在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。

屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

Fs称为屈服载荷

（3）sb：

强化阶段：

随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。

Fb：

试样拉伸的最大载荷。

（4）bz：

缩颈阶段（局部塑性变形阶段）

当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。

工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。

如铸铁等。

3、拉伸时的强度指标

1）弹性极限和弹性模量

弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。

Re=Fe/So（MPa）

式中：

Re——弹性极限

Fe——试样产生弹性变形时的最大拉伸力（N）

So——试样原始横截面积。

材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值表示了材料抵抗弹性变形的能力，其数值大小反映材料弹性变形的难易程度，称为弹性模量。

用E表示，即

E=R/ε（MPa）

在工程上，零件或物体抵抗弹性变形的能力称为刚度。

2）屈服点

在外力作用下材料开始产生塑性变形的最低应力值称为屈服点，也称为屈服极限。

材料使用过程中是不允许发和塑性变形的，因此屈服强度是设计和先材时的主要参数。

Rel=Fel/So（MPa）

Fel——材料屈服时的拉伸力（N）；

So——试样截面积。

3）抗拉强度

材料在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度。

Rm=Fm/So

Fm——拉断前的最大载荷（N）；

Rm——表明材料对最大均匀塑性变形或断裂的抵抗能力。

二、塑性

塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

主要依据：

断后伸长率和断面收缩率。

1、断后伸长率

A=（Lu-Lo）/Lo×

100%

Lo——试样原始标距（mm）；

Lu——试样拉断后的长度（mm）。

注：

同一材料标距长度不同，其断后伸长率数值也不同，而且不能直接比较。

2、断面收缩率

Z=（So-Su）/So×

式中：

So——试样原始横截面积（mm2）；

Su——试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm2）。

3、总结

A、Z的值越大，材料的塑性越好。

塑性好的材料可用轧制、锻造、冲压…方法加工成形。

塑性好的零件若发生超载时，也可因其塑性变形而避免突然断裂，提高工作的安全性。

因此，选用材料时，不仅要求强度外，还要具有一定的塑性的要求。

习题：

有一个直径d=100mm，l=100mm，的低碳钢试样，拉伸试验时测得，F1=21KN（屈服压力），F2=29KN（最大的载荷）。

d1=5.65mm,l1=138mm拉断后的试样。

求此试样的屈服点、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。

解：

（1）计算SO，S1

S0=πd02/4=3.14×

102/4=78.5mm2

S1=πd12/4=3.14×

5.652/4=25mm2

（2）计算σs、σb

σs=FS/SO=21×

103/78.5=267.5Mpa

σb=Fb/SO=29×

103/78.5=369.4Mpa

（3）计算δ、ψ

δ=（l1-l0）/l0×

100%=（138-100）/100×

100%=38%

ψ=（S0-S1）/S0×

100%=（78.5-25）/78.5×

100%=68%

三、硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

生产生活中常见的形容硬度的有：

布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）

解释各种硬度的测量方法。

补允内容：

HBS用钢球小于450的材料进行，HBW用硬质合金球介于450～650之间的材料。

HRC：

HB=1：

10

四、冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力，是材料的塑性和强度的综合表现，与脆性完全相反。

夏尔冲击试验来验证材料的韧度。

Ak=W×

H1-W×

H2

Ak——冲击吸收功（J）；

W——摆锤重力（N）；

H1——摆锤举起高度（m）；

H2——冲断试样后，摆锤回升高度（m）。

一般可用冲断试样所需的能量再除以试样的横截面积来表示材料的抗冲击能力，称为冲击韧度。

αk=Ak/S

S——试样缺口处截面积（cm2）

经多次试验总结：

冲击吸收功与温度有关，在某一温度范围内，冲击吸收功随温度的下降而急剧减小。

材料由韧性状态向脆性状态转变，这一温度称为韧脆转变温度。

金属材料和各种力学性能之间有一定的联系，一般提高金属的强度、硬度往往会降低其塑性、韧性；

反之，提高塑性、韧性，则又会削弱其强度。

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，改变其内部组织也会改变其力学性能。

五、疲劳强度

疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。

1）交变的载荷有不同的类型，但疲劳破坏的共同特征：

2）疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；

3）引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；

4）疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和断裂区（粗糙区）。

疲劳曲线和疲劳极限：

（图1.6）

疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线表明，金属承受的交变应力不从心越小，则断裂前的应力循环次数N越多，反之，则越少。

第二节金属的物理性能

材料的物理性能是指密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性的电磁性。

一、密度

单位体积物质的质量。

二、熔点

指材料由固态向液态转变的温度。

三、导热性

是指材料传导热量的能力。

银、铜、铝。

四、导电性

材料传导电流的能力。

五、热膨胀性

材料随着温度的变化产生的膨胀、收缩的特性。

陶瓷最低、金属次之、分子材料最高。

六、磁性

材料被磁场吸引或磁化的性能称为磁性或导磁性。

第三节金属的化学性能

材料的化学性能是指在其室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力。

一、耐蚀性

材料在常温状况下抵抗周围介质（酸、碱、盐）腐蚀的能力。

二、