材料成型技术01第一章力学性能.ppt

1、工程材料及成形工艺基础工程材料及成形工艺基础1.工程材料2.材料成形工艺基础绪论绪论工程：用较大而复杂的设备来进行的工作在人类的发展史上，最先使用的工具是石器、木器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。n n早在新石器时代(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。公元前6000-5000年 n n我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯

2、国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。瓷器东汉时期发明了瓷器 n n我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2800年始；埃及人B.C.3000)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750 N,外型尺寸为1.33 m0.78 m1.10 m,是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。夏朝夏朝(公元前公元前2800年始年始)以前就开始以前就开始曾侯乙尊盘编钟铜鼓宫灯透光镜晋祠

3、铁人秦车 沧州铁狮n n我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用铁器 （B.C.1400年小亚细亚开始使用铁）n n到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，n n我国古代创造了三种炼钢方法春秋晚期。我国古代创造了三种炼钢方法春秋晚期。n n第一种是从矿石中直接炼出自然钢块炼钢。人类早期冶第一种是从矿石中直接炼出自然钢块炼钢。人类早期冶炼的钢一般都是在低温还原冶炼后再经渗碳而成，整个过炼的钢一般都是在低温还原冶炼后再经渗碳而成，整个过程约分两步程约分两步:第一步先由矿石炼取块炼铁，第二步再由块炼第一步先由矿石炼取块炼铁，第二步再由块炼铁渗碳成钢。此渗

4、碳过程中要不断地折叠锻打，以帮助碳铁渗碳成钢。此渗碳过程中要不断地折叠锻打，以帮助碳的扩散。这样得到的钢便叫块铁渗碳钢。用这种钢作的剑的扩散。这样得到的钢便叫块铁渗碳钢。用这种钢作的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲。不经锻打，一在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲。不经锻打，一次还原冶炼成钢的，叫块炼钢或自然钢次还原冶炼成钢的，叫块炼钢或自然钢n n第二种是炒钢工艺是一种半液态冶炼。它以生铁为原料，第二种是炒钢工艺是一种半液态冶炼。它以生铁为原料，把生铁加热到液态半液态后，利用鼓风中的氧使生铁脱碳把生铁加热到液态半液态后，利用鼓风中的氧使生铁脱碳到钢和熟铁的成分范围。冶炼过程中要不断地炒

5、动金属到钢和熟铁的成分范围。冶炼过程中要不断地炒动金属先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早16001600多年。多年。n n汉时期的经过汉时期的经过“百次百次”冶炼锻打的百炼钢冶炼锻打的百炼钢中心环节是反中心环节是反复锻打复锻打 炒钢；（前二种在炒钢；（前二种在B.C.200B.C.200年）年）n n第三种是南北朝时期（第三种是南北朝时期（550550年）生产的灌钢。年）生产的灌钢。以生铁和以生铁和“熟铁熟铁”(一种含碳量较高的炒炼产品一种含碳量较高的炒炼产品)为原料，将它们加热为原料，将它们加热到生铁熔点以上，合炼而成钢。到生铁熔点以上，

6、合炼而成钢。薄钢薄钢与生铁混合（固态与生铁混合（固态或液态生铁）或液态生铁）n n东汉时，百炼钢工艺已趋成熟。当时东汉时，百炼钢工艺已趋成熟。当时“炼炼”的工艺分为的工艺分为“三十三十炼炼”、“五十炼五十炼”、“百炼百炼”等，从解放后出土的文物中已得等，从解放后出土的文物中已得到证实：到证实：n n19781978年，江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土一把钢剑，长年，江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土一把钢剑，长109cm109cm，剑身长剑身长88.5cm88.5cm，宽，宽1.11.13.1cm3.1cm，脊厚，脊厚 0.30.30.8cm.0.8cm.铭文说明此铭文说明此剑是用剑是用“五十炼五十炼”

7、工艺制成的（公元工艺制成的（公元7777年）年）n n百炼技术在三国时广为运用。曹操下令工匠为他铸造五把宝刀。百炼技术在三国时广为运用。曹操下令工匠为他铸造五把宝刀。工匠经三年完成，其中两把自己留下，余者三把分给三子。工匠经三年完成，其中两把自己留下，余者三把分给三子。n n五把刀用三年才完成，可见工艺之复杂。继曹操铸刀后，儿子五把刀用三年才完成，可见工艺之复杂。继曹操铸刀后，儿子曹丕于公元曹丕于公元219219年也曾命国家级的冶炼家，挑选最精良的金属为年也曾命国家级的冶炼家，挑选最精良的金属为其造兵器。结果炼成三把宝剑、三把宝刀、两把匕首和一把露其造兵器。结果炼成三把宝剑、三把宝刀、两把匕首

8、和一把露陌刀。这些兵器都是用百炼工艺制成。为此，曹丕为五种兵器陌刀。这些兵器都是用百炼工艺制成。为此，曹丕为五种兵器分别起了名字。分别起了名字。n n同时期，蜀汉、孙吴的百炼技术也很高。刘备让蒲元造了同时期，蜀汉、孙吴的百炼技术也很高。刘备让蒲元造了500500把把宝刀，上刻宝刀，上刻“七十二炼七十二炼”，也就是说，也就是说500500把刀也是经过近百次的把刀也是经过近百次的反复锻打才铸成的。反复锻打才铸成的。铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)新材料新工艺新材料新工艺n n玻璃钢镁铝合金叶轮 镁铝合金手机壳 分层实体快速成形减速机箱体原型 熔融沉积快速成形叶轮原型 主要研究内容：主要研究内容

9、：1.常用材料的成分、组织和性能的关系、材料的选用2.钢的热处理的原理和方法、应用3.各种成形方法的原理、特点、规律及应用4.各种机件（毛坯）的结构工艺性要求要求1.1.掌握常用金属材料性能特点，能够合理选择材料2.2.掌握钢的热处理的原理和方法3.3.初步掌握各种成形方法的原理、特点、规律及应用范围4.4.初步掌握各种机件（毛坯）的结构工艺性5.5.了解新材料、新工艺机械制造过程：机械制造过程：1.1.使用要求：性能、批量、成本2.2.机械设计：结构设计、材料设计、工艺设计、公差（精度）设计3.3.工艺准备：工艺卡、工艺装备4.4.材料成形：铸造、压力加工、焊接、非金属件5.5.切削加工及热

10、处理6.6.装配调试第一篇工程材料第一篇工程材料n n第一章 材料的种类及性能n n第二章 材料的结构、凝固n n第三章 二元相图及应用n n第四章 钢的热处理及改性n n第五章常用金属材料n n第六章 非金属材料及复合材料n n第七章 选材工程材料的分类工程材料的分类 n n材料的结合键材料的结合键 v离子键结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。NaCl氯化钠结构结合力很大，结合力很大，所以共价晶体强所以共价晶体强度高，硬度高度高，硬度高脆性大，脆性大，熔点高，沸点高熔点高，沸点高和挥发性低和挥发性低共价键共价键共价键与原子晶体与原子晶体 原子结合：电子共用，结合

11、力大，有方向性和饱和性；原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原原子子晶晶体体：强强度度高高、硬硬度度高高（金金刚刚石石）、熔熔点点高高、脆脆性性大、导电性差。如高分子材料。大、导电性差。如高分子材料。金刚石结构正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外4个碳原子在4个顶角上。金金属属键键原原子子结结合合：电电子子逸逸出出共共有有，结结合合力力较较大大，无无方方向向性和饱和性；性和饱和性；金金属属晶晶体体：导导电电性性、导导热热性性、延延展展性性好好，熔熔点点较较高高。如如金属。金属。金金属属键键：依依靠靠正正离离子子与与构构成成电电子子气气的的自自由由电电子子之之间间的的静静电引力

12、而使诸原子结合到一起的方式。电引力而使诸原子结合到一起的方式。正的电阻温度系正的电阻温度系数数金属键分子键1.范特瓦尔斯力很弱2.熔点低、硬度也很低3.良好的绝缘性。分子键与分子晶体分子键与分子晶体 原原子子结结合合：电电子子云云偏偏移移，结结合合力力很很小小，无无方方向向性性和和饱饱和和性。性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。氢氢键键：（离离子子结结合合）X-H-Y（氢氢键键结结合合），有有方方向向性性，如如O-HO 混合键。如复合材料。混合键。如复合材料。甲烷结构 尼龙66的结构 结合键分类结合键分类（1）一次键）一次键（化学键）：金属键、共

13、价键、离子键。（化学键）：金属键、共价键、离子键。（2）二次键）二次键（物理键）：分子键和氢键。（物理键）：分子键和氢键。第一章材料的种类及性能第一章材料的种类及性能n n第一节工程材料的分类碳 素 钢1856年常压空气鼓入铁水黑色金属FeMnCr铸铁B.C.500生产钢欧洲90%合金钢、铸铁金属材料轻金属3.0/5.0材86有色金属重金属Cu-SnB.C.2000料贵金属按稀土金属化塑料学高分子材料橡胶键非金属材料纤维分传统陶瓷硅酸盐玻璃水泥类无机非金属材料耐火材料SiO2微珠TaC4000C(氧碳氮化合物)新型陶瓷Al2O3WCCBN复合材料金属基复合材料非金属基复合材料鱼竿木材竹泥砖第二

14、节工程材料的机械性能第二节工程材料的机械性能 材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能。使用性能主要包括：力学性能力学性能、物理性能物理性能和化学性能化学性能。机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能包括两方面材料材料使用性能使用性能材料材料工艺性能工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等相容性、自恢复性等）加工性能加工性能（切削等）（切削等）铸造性能铸造性

15、能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）可锻性可锻性热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）1、机械性能-力学性能：材料受力作用时反映出来的性能2、力分类：1)1)静载2)2)动载：随时间变化大小、方向I.I.交变载荷II.II.冲击载荷一、弹性、强度、塑性一、弹性、强度、塑性1.1.强度：强度：是指材料在外力作用下抵抗变形与断裂的能力。2.2.塑性：是指塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。3.弹性：物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。通常进行静拉伸试验测量。拉伸试样拉伸试样拉伸过程中试验机拉

16、伸过程中试验机自动记录拉伸过程中拉自动记录拉伸过程中拉力与伸长量的关系曲线力与伸长量的关系曲线（F-L曲线）曲线）=F/S MPa106N/m2-应力；F-轴向拉力；S-试样原始横截面积=L/L0=(L1-L0)/L0-应变单位长度的伸长率；L0-试样标距；L1-试样拉伸后长度拉伸试验金属之王金属之王15 WE-2000CI型型液液压式万能式万能试验机机 1.弹性变形阶段（oe）应力应力-应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）2.塑性变形阶段（eb）3.断裂点（k）弹性变形阶段屈服阶段强化阶段局部变形阶段上下屈服极限可相差10%-20%，屈服变形可达10%1.弹性变形阶段（oe）应力应力-应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）直线oe的斜率定义为材料的弹性模量（刚度）EE=/弹性模量弹性模量E E 反映了材料产生弹性变形的难易程度，保证了材料不发生过量弹性变形。抵抗弹性变形的能力 GPa 材料的弹性模量取决于材料本身，合金化、热处理及冷热变形对其影响不大。应力应力-应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）2.塑性变形阶段（eb）载荷基本不变的情况下试样