下载文档原格式
金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。
●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。
金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等；●工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。
工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻一、金属材料的力学性能●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力──应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。
●单位面积上的内力，称为应力σ(N/mm2)。
●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
●金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
●塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
金属材料的强度和塑性指标1●拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力（1）拉伸试样。
拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种。
长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。
a）拉断前 b）拉断后图1-5 圆形拉伸试样（2）试验方法。
2．力伸长曲线●在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。
试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。
图1-7 退火低碳钢力伸长曲线3．金属材料的强度指标主要有:屈服点σs、规定残余伸长应力σ0.2、抗拉强度σb等。
（1）屈服点和规定残余延伸应力。
●屈服点是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。
屈服点用符号σs表示。
单位为N/mm2或MPa●规定残余延伸应力是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距的百分比达到规定值时的应力，用应力符号σ并加角标“r和规定残余伸长率”表示，如σr0.2表示规定残余伸长率为0.2%（2）抗拉强度。
六组材料特性及切削力在金属切削工业中，有许多用不同材料制造的零件。
每种材料都有自己独特的特性，受到合金元素、热处理、硬度等的影响。
这极大地影响了切削刀具槽形、牌号和切削参数的选择。
在材料组之间的差别可用另外一种方式显示出来。
即在一定条件下,剪断特定切屑横截面的切削力 (FT) 。
该值我们称之为特定切削力值 (Kc)，它指示不同的工件材料类型，它显示了不同的工件材料类型的区别。
在计算一道工序所需的功率时，需要应用到该值。
Kc1是平均切屑厚度1mm 时的特定切削力值。
下面我们将六个材料组的特性及切削力逐一说明：ISO P–在金属切削领域，钢是应用最为广泛的材料组，范围从非合金钢到高合金钢，包括铸钢和铁素体以及马氏体不锈钢。
通常钢具有良好的切削加工性，但具体性能因材料硬度、碳含量等不同而有很大的区别。
ISO M–不锈钢是一种合金材料，其中含有至少12%的铬，其他合金有镍和钼等。
不同的材料状态，例如铁素体、马氏体、奥氏体、奥氏体-铁素体(双相) 等，形成一个大的材料系列。
所有这类材料的共同点是，加工时切削刃会产生大量的热,易形成沟槽磨损和积屑瘤。
ISO K–与钢不同，铸铁是短切屑型材料。
灰口铸铁(GCI) 和可锻铸铁(MCI)非常容易加工，而球墨铸铁(NCI)、蠕墨铸铁(CGI) 和奥氏体铸铁(ADI) 就比较难加工。
所有铸铁都含有碳化硅(SiC)，它会对切削刃造成严重磨损。
ISO S–耐热优质合金包括许多铁、镍、钴和钛基等高合金材料。
它们非常粘，极易形成积屑瘤，加工硬化严重，并产生大量的热量，非常类似于ISO M材料，但是更难以切削，导致切削刃的寿命更短。
ISO N–有色金属是软金属类型，例如铝、铜、黄铜等。
含硅(Si) 大于13%的铝合金对刀具具有非常强的磨料磨损性。
加工中通常应用具有锋利切削刃的刀片，一般可应用高切削速度并获得长刀具寿命。
ISO H–这一组包括硬度在HRc 45-65之间的钢材和硬度约为HB 400-600的冷硬铸铁。
第一章 金属材料切削加工性切削加工性：Machinability ，指金属材料被切削加工成合格零件的难易程度。
例如：以车削45#钢为例：材料硬度 HB200（正火） 单位切削力 κc =200kg/mm 2用YT15车刀车削： IT8νc =120 θ=800ºC此种车削方法家喻户晓，人人皆知，谁都会做，没什么难点。
1. 铝合金，这是比较好加工的，κc =70， νc =800m/min 时，θ也不高，T 很长。
2. 灰口铸铁HT200 κc =114 断屑 切削加工性评价指标： ① 刀具耐用度高； T ② 许用切削速度高； νc③ 已加工表面易于达到； ④ 车削时断屑；⑤ 切削力小，切削温度低。
F c θ 3. 45#淬火 HRC50切削力F c 大，切削温度θ高，刀具耐用度T 低。
一般情况下不车，只能磨削。
IT8§1—1 衡量切削加工性指标以车削45#钢(HB200)为参照基准：刀具材料：YT15；刀具耐用度：T=60min ； [ν60]j =100m/min ；当切削L Y12 ν60=300m/min 相比[]60603003100r j νκν=== 一、称相对加工性1. 刀具耐用度T ：T 较长，加工性较好。
例：45#钢 T=60min30C r M n SiA T=20min 加工性差。
2. 切削速度νc ：例：45#钢 νc =100m/min YT15LY12 νc =300m/min YG153003100r κ== 加工性好。
泰勒公式： 0.4c ATν=切削速度是根据刀具耐用度确定的。
一定刀具耐用度下有一个允许的切削速度νT 。
3. 切削力F c （或者κc ）凡切削力大者，加工性差。
4. 切削温度(凡是切削温度高者，加工性差。
条件： νc pθº10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 νc m/min图（一）1—GH131 2—1Cr18Ni9Ti 3—45#钢（正火） 4—HT200 YT15—45# YG8—GH131 1Cr18Ni9Ti HT200γo =15º α0=8º κr =75º λs =0º γε=0.2 a p =3 f=0.15. 已加工表面质量：包括：表面粗糙度表面残余应力加工硬化程度及深度 ① ()''44r r a r ff R ctg ctg ctg κκκ==+2r πκ=时 ctg κc =0 R a (µm)f 决定R a 。
80C r 12Ni12M o νc =60 f= a p =0.5420.1 0.2 0.3 f ② 残余应力：在没有外力作用的情况下，物体内部保持平衡而存在的应力。
产生的原因有：热塑变形效应，里层金属弹性的恢复，表层金属在切削热的作用下发生相变。
车削 νc =32m/min ③ 加工硬化程度及深度冷硬层的硬度为材料的2倍； 深度为：0.12—0.24 6. 断屑：f ≥0.2时 (νc =100) 车削45#钢断屑。
7. 还可以用加工费用和加工时间对比。
§1—2 工件材料对加工性的影响一、金属材料的化学成份对加工性的影响1. 碳C10#钢为低碳钢，含C0.1%，韧性好，难断屑。
采用正火方法，提高其硬度。
45#钢为中碳钢，含C0.45%，综合性能好，易切，硬度HB200。
80#钢为高碳钢，含C0.8%，含Fe3C多，材料硬，刀具磨损严重。
加工前采用退火处理，使其软些。
2. 铬C r在铁素体中固溶；形成CrC；HB和σb提高。
3. 镍Ni在铁素体中固溶；σb，δ提高，导热系数λ下降。
当Ni>8%时，变为奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性变差。
4. 锰Mn随着Mn含量增加，HB，σb增大，延伸率δ下降。
当Mn>1.5%时，加工性差。
也就是高锰钢。
5. 钒V形成vc，细化晶粒，HB↑δ↓，当1%V 时，加工性差。
6. 钼Mo形成MoC, HB↑, (δ↓), Mo>0.5%时，κr↓。
7. 硅Si在铁素体中固溶HB↑, (δ↓), λ↓, SiO2加剧刀具磨损。
8. 其它：MnS—非金属夹杂物，呈微粒均匀分布，塑性好，有润滑作用。
铅P b—单相微粒均匀分布，破坏铁素体连续性，有润滑作用。
相对加工性计算公式：κr=1.57(1.6)—0.7C—0.15Mn—0.1Si—0.1Ni—0.06Cr—0.06Mo 例子：30CrMnSiMoVκr=1.57—0.7×0.4—0.15×1—0.1×1.4—0.06×1.4—0.06×0.5=0.9二、热处理状态和金相组织对κr的影响：1. 铁素体：80HBS σb=29kg/mm2C溶解于α—Fe中为固溶体。
723ºC溶解量最高为0.02%，接近纯铁，韧性好，(δ=50%)难断屑。
2. 珠光体（正火）：HBS260 σb=128 δ=20%由铁素体和Fe3C层片交替组成。
是铁素体和Fe3C的共析物。
3. 索氏体和屈氏体（调质）铁素体和Fe3C混合物。
比珠光体细。
450—600ºC回火——索氏体300—450ºC回火——托氏体4. 马氏体(HRC50) 淬火C在α—Fe中的过饱和固溶体。
奥氏体急冷形成马氏体。
100—250ºC回火获针状马氏体。
760HBS σb=206 δ=2.8%5. 奥氏体C 在γ—Fe 中的固溶体。
含 (NiCrMn) 在常温下形成。
碳钢在高温下 (727ºC) 奥氏体稳定。
220HBS σb =103 δ=50% 三、材料力学性能和物理性能材料的化学成分和热处理方法决定了材料的力学性能。
例如：45#钢正火 HBS200 σb =60kg/mm 2 调质 HRC30 σb =75 淬火 HRC50 σb =14020#钢 σb =3.6HBS 45#钢 σb =3.4HBS 80#钢 σb =3.25HBS1. 硬度 (160—200HBS) 强度HB ↑—κr ↓c r HB F HB HB T θκ⎫↑-↑⎪↑-↑↓⎬⎪↑-↓⎭淬火钢 (HRC50) 为难加工 2. 塑性δ塑性材料随着延伸率增大，需要的变形能增大；且加工硬化严重，切削力F c 增大，切削温度θ升高，刀具磨损严重。
例：45#钢 δ=16%1Cr18Ni9Ti δ=50% 难加工材料固溶强化奥氏体不锈钢。
3. 导热系数λ（物理性能） 45#钢 λ=0.12cal/cm·s·ºc凡是导热差的材料，切削热散不出去，由刀具导热，使切削区温度θ升高，加工性变差。
例如：YL12，HT60 散热快—κr =31Cr18Ni9Ti ，TC4，GH135—κr =0.5 λ=(1/3—1/5) 45#(λ)第二章 钛合金切削加工§2—1 钛合金的分类及力学性能一、钛合金分类：钛是同素异构体。
是α—Ti 是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β—Ti 是高温稳定结构，呈体心立方晶格；882ºC 为同素异构转变温度。
在这两种组织中加入各种不同原素，室温下获得三种基本组织： 1. α钛合金α相固溶体组成的单相合金。
500—600 ºC 保持强度； 抗蠕变能力强； 抗氧化能力强；不能热处理强化。
TA8—5Al—2.5Sn—3Cu—1.5Zr2. β钛合金β相固溶体组成的单相合金。
淬火时效强化可达167kg/mm2；热稳定性差。
TB2：5Mo—5V—8Cr—3Al3. α+β钛合金α和β两相组成，α为主，β<30%高温变形好；塑性好；淬火+时效强化；400—500 ºC长期工作。
TC4—Ti—6Al—4V二、钛合金的力学性能及物理性能TC4与TC10比较：钛合金化学成份及力学性能表2—1 TC4—AL5.5—6.75 V3.5—4.5 Fe0.3稳定α稳定βO20.2 C0.1 N0.05 H0.013（杂质）1. 比强度：强度/密度=比强度45#钢：g=7.8g/cm 3 σb =60 TC4 g=4.5g/cm 3 σb =90 607.77.8= 90204.5= 2. 耐蚀性：表面可生成致密坚固氧化膜。
3. 热强性：300—400ºC 为铝合金的4倍，可用于高速飞机蒙皮。
4. 化学活性大：与空气中的氧和氮生成硬脆化合物、加剧刀具磨损。
5. 导热性差，弹性模量小。
λ为钢的1/6 λ=0.02cal/cm·s·ºC E 为钢的1/2 E=11000kg/mm 2加工时切削温度高，变形大。
后角选择要大α0=15º§2—2 钛合金切削加工特点一、变形系数小1. 硬度为HB300左右2. TC4—δ=10%3. 800ºC —α→β切屑增长（β体积大）4. 800ºC 塑性小，屑收缩也小5. 800ºC 吸收O 2、N ，脆断1. 比45#钢高1倍 θº2. 刀屑接触长度l f =45#钢/23. νc =60 θ=900ºC 45#钢 θ=450ºC4. 切削热Q 集中于刃口狭窄区5. 导热系数 k=5.4/w m C ︒ λ=0.04 cal/cm·s·ºC三、切削力F c 小 20 40 60 80 100 νcF c =τs a p f (1.4Λh +C)因Λh =1，切削力比45#小1/2—2/3。
但单位切削力κc 比45#大。
原因是刀—屑接触长度短，l f =1mm 四、切屑为节状屑。
Ti与大气中的O2、N发生化学反应，生成TiO2、TiN硬脆化合物。
使切屑断裂。
五、粘结严重由于Ti的亲和力大，在高温高压下，粘刀现象严重。
逆铣更严重。
顺铣可提高已加工表面光洁度。
§2—3 刀具材料及几何参数选择高速钢的耐热性和耐磨性低于硬质合金；但它的加工性好，可制造各种复杂刀具：如钻头、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等、故在难加工材料切削中，高速钢和硬质合金各占一半。
陶瓷刀具、金刚石和立方氮化硼只在局部获得应用。
一、高性能高速钢1. 高碳高速钢：增加的含量W18Cr4V的含C量0.02%可提高常温硬度和高温硬度。
切削性能不及钴高速钢，但价格便宜。
牌号有：95W18Cr4V100W6Mo5Cr4V22. 高钴高速钢：在钢中加Co，回火时从马氏体中析出WC和MoC，提高弥散硬化效果，提高热稳定性，提高常温硬度和高温硬度。
牌号有M423.铝高速钢（501）Al能提高W、Mo在钢中的溶解度，产生溶强化，常温硬度和高温硬度得以提高。
