工程材料及热加工工艺基础课件

最大应力
E
弹性模量 完全弹性变形时应力与应变的比值，
表征材料产生弹性变形的抗力
1.2.2 硬度
硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划 破裂等的能力。
工程中常用的硬度指标有： 布氏硬度、洛 氏硬度、维氏硬度等。
硬度的种类及测试方法
布氏硬度
材料表面抵抗 压入时引起塑 性变形的能力
压入法
硬度 试验 方法
工程材料及成形工艺基础
材料科学与技术学院 南京航空航天大学
第一章 材料的力学性能
材料的静载力学性能
◇拉伸试验 ◇硬度
材料的动载载力学性能
◇冲击试验 ◇疲劳试验
断裂韧性
学习目的和要求
1. 理解材料常用力学性能指标的物理意义。
2. 了解强度、塑性、硬度及冲击韧性指标的测试方 法以及使用这些指标时应注意的局限性，重点掌 握强度、塑性以及布氏硬度和洛氏硬度。
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
测定原理：
F
用一定大小的载荷F，把直 径为D的淬火钢球压入被测金 属的表面，保持一定的时间后 卸除载荷，用金属压痕的表面 积，除载荷所得的商值即为布 氏硬度值。
布氏硬度测量示意图
F
HBW F
2F
S D(D D2 d 2 )
D
如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷 冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。
对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量 的好坏。
拉伸试验的主要力学性能指标小结
力学 性能 强度 塑性

态柱状晶组织和粗晶结构不如细小而又均匀晶粒结构的金属锻造性能好。
（二）变形条件
1．变形温度 变形温度低，金属的塑性差、变形抗力大，不但锻压困难， 而且容易开裂。提高金属变形时的温度，可使原子动能增加，原子间的 结合力消弱，使塑性提高，变形抗力减小。 锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。锻造温度范围的 确定以合金状态图为依据。 2．变形速度 变形速度指单位时间内的变形程度，变形速度低时，金属 的回复和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗力小；随变形速度的增 大，回复和再结晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形抗
1．轴杆类锻件 包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、 拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆 等，锻造轴杆件的基本工序是拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，为 满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长工序。
2．空心类锻件 包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、 空心轴等，锻造空心件的基本工序有镦粗、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长
避免锥形、楔形结构
三、自由锻零件结构工艺性 3、应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；
避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交
三、自由锻零件结构工艺性 4、零件上不允许有加强筋；
三、自由锻零件结构工艺性 5、对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可能分别对其进 行锻造，然后用螺纹连接。
如下图：螺纹连接
如下图所示：
2. 模锻模膛 2. 模锻模膛 模锻模膛又可分为预锻膛和终锻模膛。 （1）预锻模膛 为了改善终锻时金属的流动条件，避免产生充填不满和折 迭，使锻坯最终成形前获得接近终锻形状的模膛，它可提高终锻模膛的寿
命。其结构比终锻模膛高度大、宽度小、无飞边槽，模锻斜度和圆角大。

焊接性能：焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向，低碳钢的焊接性能好，高碳钢及铸铁的焊接性能差。。
压力加工性能：包括冷压力加工（冷冲压、冷轧、冷挤压）和热压力加工（如锻造、热轧、热挤压等）时材料的塑性和变形抗力。有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、冷却要求。变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而高碳钢就差。
优点：材质机械性能好，纤维组织基本不切断。 缺点： a.轴流转子形状复杂，不能容易从锻模中取出。叶片间整模块无法起模。 b.采用分块的锻造模具，成本太高，精密程度达不到，仍需加工，留加工余量。精密锻造模具成本更大，且需用精度高，压力大的专用锻压设备。 c.飞机结构件批量不大。每一件摊派的模具成本费用不小。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
明确了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通过分析、计算量化成具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据大致应用范围选材。
常见的力学性能指标有HRC或HBS，σs , σb ；
非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质中的力学性能；
05
对特殊性能要求的零件，如电性能、磁性能、热性能等。
分析零件的工作条件与环境，确定零件的技术要求。 通过分析实验，结合同类零件失效分析结果提出失效抗力指标，并以此作为选材的基本依据。 根据力学计算，确定零件的主要力学指标。 决定热处理及其他表面强化方法。 试验、投产。对关键零件批量生产前要进行试验、初步确定材料选择，热处理方法是否合理，热加工性能好坏。满意后可批量生产。
第一章《工程材料及热加工工艺》课程设计的有关事项
1.1 课程设计的目的
《工程材料与热加工基础》是工程类专业必修的一门工艺性、实践性很强的综合性技术基础课，其内容包括工程材料学、铸造、锻压、焊接等。为提高学生的工程实践能力和综合运用所学知识分析解决实际问题的能力，在学习该课程后进行为期一周的课程设计，其目的是：

工程材料及热加工工艺根底
第一章 绪 论
一、材料科学的开展 二、物质的状态 三、原子间的结合键 四、工程材料的分类及热加工工艺
材料是人类生产和生活 所必须的物质根底。
“神舟”四号飞船成功返 回
锉刀
手
锤
国产涡喷-7涡轮喷气发动机
材料的开展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。
➢材料的发展与人类社会简图
包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料
玻璃纤维增强高分子复合材料
现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度 高等优点。
4、分子键
原子态惰性气体范德华力
特点：分子键很弱，晶体低熔点，低沸点，低硬度，易压缩
塑料，橡胶 链与链 → 范德华力 硬度<金属 耐热性差，不具有导电能力
机械零件加工工艺
铸造
锻压 材
料
焊接
型材
粉末冶金
毛
热处理
零
坯
件
切削加工
熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大
分为陶瓷、水泥、 玻璃、耐火材料
传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石 等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常 用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。
陶瓷制品
陶瓷发动机
高分子材料
共
以分子键和共价键为
1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射 分析，使人们对固体材料微观构造的认识从最初的假想到科 学的现实。
Si表面的重构图象

拉伸试样的颈缩现象
指标
塑性—断裂前材料发生不可逆永久变形的能力
断后延伸率 d (L-L0)/ L0 断面收缩率y (A0-A)/A0
d 和y越高 材料的塑性越好
说明：
① 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。
② 直径d0 相同时，l0，d。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用d 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用d5 表示。显然d5>
刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能 力。指标为弹性模量E。 E tg （MPa） 材料的E越大，刚度越大；
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐 降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等 对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形 状来提高零件的刚度。
二、强度与塑性
强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
当承受拉力时，主要是屈服强度和抗拉强度。
屈服强度s：材料发生微量塑性变 形时的应力值。即在拉伸试验过程 中，载荷不增加，试样仍能继续伸 长时的应力。
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服 点，国家标准规定以残余变形量为 0.2%时的应力值作为它的条件屈服 强度，以σ0.2来表示。 抗拉强度σb：试样在断裂前所能承受的最大应力，表示材 料抵抗断裂的能力。
▪金属基复合材料 ▪陶瓷基复合材料 ▪树脂基复合材料
Space
复合材料的应用领域
Commercial
Military
Helicopters
根据材料的性能分类
结构材料 是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构
不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材 料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、 桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包 括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料 等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶 瓷等高级结构材料。

•形成的碳化物具有金属键结合的性质,
•金属原子的d电子亚层愈不满(周期表
•中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲
•和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈
•稳定,而且不易分解。
PPT文档演模板
【精品课件】工程材料与热加工基础
3.单独形成特殊碳化物
➢ 熔点、硬度、耐磨性最高。 ➢ 稳定性最高。
•TiC、NbC、VC。
➢强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。
➢非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等)。
PPT文档演模板
【精品课件】工程材料与热加工基础
2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响
❖ 除 Co 元素外, 所有的合金元素均使
钢的 TTT 曲线向右移。
后
的 组
•心部:F+P
织
•合金渗碳钢
•Wc = 0.15～0.25 %
•合金元素:Cr、Mn、 • Ni、B、V、W、 • Mo、Ti等。
•表层:M回+Cm+A残
•心部:低碳M回 +F
4.合金渗碳钢的牌号
•20 Mn2 Ti A
•等级:高级优质
•含钛量WTi≤1.5 % •含锰量WMn 2 % •含碳量WC 20 %00
【精品课件】工程材料与热加工基础
二.合金元素在钢中的作用
•1.主加元素: 对提高钢的性能起主要作
•
用。
•
Si、Mn、Cr、Ni、B。
•2.辅加元素: 配合主加元素进一步提高
•
钢的性能,弥补主加元素的
•
不足与缺陷。
•
W、Mo、V、Ti、Nb。

可以增强缓冲作用，提高车辆的安全性和舒适性。 6）独特的造型工艺性能：可制造复杂形状的异形曲面，如汽车仪表板等。
7）优美舒适的质感。 缺点 力学性能较低； 耐热性、导热性差；此外，塑料还易老化、易燃烧、温度变
化时尺寸稳定性差等缺点。
2021年1月2日星期六
第6章 非金属材料
6.1.3 常用工程塑料
主要用于制造各种窗体、罩及光学镜片和防弹玻璃等零件。
综合力学性能优良，尺寸稳定性好，耐磨性、自润滑性、 耐油性、耐老化性好，吸水性小
用于制造齿轮、轴承、凸轮、阀门、仪表外壳、化工容器、叶片、运输 带等。
抗冲击性能优良，耐磨性、绝缘性、耐热性好，吸水率低， 尺寸稳定性好，但耐老化性差
汽车格栅、车头灯框、仪表板、装饰件、小齿轮、轴承、水泵零件等
气缸套
第6章 非金属材料
活塞顶
6.4 陶瓷
6.4.1 陶瓷的基本性能 6.4.2 陶瓷的分类
2021年1月2日星期六
第6章 非金属材料
6.4.1 陶瓷的基本性能
（1）力学性能——具有很高的抗压强度和硬度（1000~5000HV， 淬火钢只有500~800HV）、高耐磨性、极高的 红硬性（1000℃），但其抗拉强度和韧性都很低， 脆性很大。
（2）良好的热可塑性——橡胶在一定温度下会暂时失去弹性，而转入粘流状态。 在外力作用下发生变形，容易加工成各种形状和尺寸的制 品；当加工外力去除后，仍能保持该变形下的形状和尺寸。
（3）良好的黏着性——黏着性是指橡胶与其他材料粘成整体而不易分离的能力。 如汽车轮胎就是利用橡胶与轮胎帘线牢固地粘接在一起制成。
制成薄膜，可用于工业包装、农业育秧和日用雨衣、台布等，还可用于 制作耐酸耐碱软管、电缆外皮、导线绝缘层等。

焊接技术应用
焊接技术广泛应用于机械、建筑、船舶、航空等制造业领域，是 实现金属结构连接的重要工艺方法之一。
热处理技术
热处理技术定义
热处理技术是一种通过加热、保温和冷却金属材料，改变其内部组 织结构，从而获得所需性能的工艺过程。
热处理技术分类
热处理技术可分为退火、正火、淬火、回火等不同类型，根据材料 和性能要求选择合适的热处理方法。
回火
将淬火后的金属加热至低于临界点温度，保温一段时间后冷却，以 稳定组织、降低内应力并提高韧性。
金属材料的腐蚀与防护
腐蚀类型
金属材料的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是 指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀；电化学 腐蚀则是金属与电解质溶液发生原电池反应而引起的腐蚀。
腐蚀防护
为了防止金属材料的腐蚀，可采取表面涂层、电化学保护和 改变金属内部结构等措施。常用的表面涂层材料有油漆、镀 锌、镀铬等；电化学保护包括阳极保护和阴极保护。
热加工技术如热处理、锻造、焊接等在汽车零部件制造中起到关键作用，确保零部 件的强度和稳定性。
新能源领域的应用
新能源领域对高效、环保的材 料需求迫切，工程材料与热加 工技术在新能源领域中具有广 阔的应用前景。
太阳能光伏产业中，高效率光 伏材料的研发和生产过程中涉 及多种工程材料与热加工技术 。
风力发电领域中，大型风电叶 片的制造需要高性能复合材料 和先进的热加工技术。
中。
高强度轻质合金、复合材料等高 性能材料在飞机机身、机翼、发 动机等关键部位得到广泛应用。
热加工技术如熔炼、铸造、焊接 等在航空航天领域中起到至关重 要的作用，确保零部件的精度和
可靠性。
汽车工业的应用
汽车工业对材料性能和加工工艺要求严格，工程材料与热加工技术在汽车制造中占 据重要地位。

15
1.1.4 硬度
硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能 力，是衡量材料软硬程度的指标。硬度测试应用最广的是压 入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入 被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据 压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来讲， 硬度反映材料表面抵抗其他物体压入的能力。工程上常用的 硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
18
2 洛氏硬度
洛氏硬度的原理如图1-4所示，它是将顶角为120°的 金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球压头以规定压力 压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。洛氏 硬度值用符号HR表示，即
HR N h 0.002
式中：N——金刚石作压头，N为100；淬火钢球作 压头，N为130。
同一材料用不同长度的试样所测得的延伸率A数值是不同的，用长度为直径 5倍的试样测得的延伸率用A5表示，用长度为直径10倍的试样测得的延伸率用A10 表示。A10常写成A，但 A5不能将下角标的5省去，一般 A5 > A10。
14
2 断面收缩率
试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号Z表示，即 Z S0 S1 100% S0
材料的力学性能是指材料在各种载 荷作用下，抵抗变形和断裂的能力，包 括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、韧 性、疲劳强度和高温力学性能等。
3
材料的弹性、刚度、强度及塑性一般是通过金属 拉伸试验来测定的。它是在标准试样的两端缓慢施加 拉伸载荷，试样的工作部分受轴向拉力作用产生变形， 随着拉力的增大，变形也相应增加，直至断裂。拉伸 试样如图1-1所示，根据国家标准GB/T 228.1—2010， 拉伸试样通常有l0=10d0 （长试样）和l0=5d0（短试样） 两种。通常以应力R（试样单位横截面上的拉力）与 应变e（试样单位长度的伸长量）为坐标绘出应力—应 变曲线（R—e曲线）。如图1-2所示为低碳钢的应力— 应变曲线，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变 形、塑性变形和断裂三个阶段。