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工程材料及成型技术基础/陈希章 薛伟

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商品详情

书名:工程材料及成型技术基础
定价:59.0
ISBN:9787030469595
作者:陈希章,薛伟
版次:1
出版时间:2016-05

内容提要:
本书从机械工程需求和性能出发,引入材料的晶体结构,以铁-碳相图为核心,基于相变,深入浅出地讲解了金属热处理原理和工艺以及热加工工艺,并对非金属材料及新型材料的加工工艺作了介绍。本书共十章,内容包括工程材料性能、金属的晶体结构与结晶、铁碳合金、金属热处理及工艺、工业用钢、有色金属及其合金、非金属材料及新型材料加工工艺、铸造、金属压力加工、焊接。作者撰写时注重前后贯通,并结合了Zuixin行业和国家标准,旨在更好地培养出具有工程应用能力的人才。



目录:
目录
前言
第一章工程材料性能1
第一节静载时材料的力学性能1
第二节动载时材料的力学性能5
第三节工程材料的工艺性能7
习题8
第二章金属的晶体结构与结晶9
第一节金属的晶体结构9
第二节金属的结晶14
第三节合金与合金的相结构18
第四节二元合金相图20
习题24
第三章铁碳合金25
第一节铁碳合金的组元及基本相25
第二节Fe-Fe3C相图分析26
第三节铁碳合金平衡结晶过程及组织29
第四节碳的质量分数对铁碳合金组织与性能的影响34
习题35
第四章金属的热处理36
第一节钢在加热时的组织转变36
第二节钢在冷却时的组织转变38
第三节钢的普通热处理45
第四节钢的表面热处理52
第五节钢的化学热处理54
第六节钢的热处理新技术56
习题59
第五章工业用钢60
第一节钢中常存杂质对其性能的影响60
第二节合金元素在钢中的主要作用62
第三节钢的分类和编号原则67
第四节结构钢69
第五节工具钢83
第六节特殊性能钢93
习题102
第六章有色金属及其合金103
第一节铝及铝合金103
第二节铜及铜合金109
第三节镁及镁合金114
第四节钛及钛合金116
习题119
第七章非金属材料及新型材料加工工艺120
第一节高分子材料120
第二节陶瓷材料及加工工艺131
第三节复合材料及加工工艺138
第四节纳米材料143
第五节超塑性材料148
第六节贮氢合金材料152
第七节形状记忆合金材料154
第八节非晶态合金材料156
习题159
第八章铸造160
第一节合金的铸造性能160
第二节铸造工艺的制定原则及结构工艺性170
第三节砂型铸造176
第四节特种铸造179
习题185
第九章金属压力加工187
第一节金属塑性成形187
第二节锻造207
第三节板料冲压224
第四节其他塑性成形方法234
习题245
第十章焊接246
第一节金属熔焊246
第二节电弧焊254
第三节其他焊接方法262
第四节常用金属材料的焊接270
第五节焊接结构设计277
习题282
主要参考文献284

在线试读:
第一章工程材料性能
要正确地选择和使用工程材料,首先需了解材料的性能。材料的性能主要包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料的力学性能、物理性能和化学性能,其中力学性能是选择材料的主要依据,同时需要兼顾物理性能和化学性能;工艺性能是指材料在加工过程中所反映出来的适应性能。
材料的力学性能是材料在承受各种载荷时的行为。按照不同状态载荷可以分为静载荷和动载荷。其中静载荷是指试验时对试样缓慢加载,缓慢到可以认为试样所承受的外力不随时间而变化,而试样本身各点的状态也不随时间而改变,即试样各质点没有加速度,例如加载变化缓慢以致可以略去惯性力作用的准静载(如锅炉压力)等。如果整个试样或某些部分在外力作用下速度有了明显改变,即产生了较大的加速度,此时的应力和变形问题就是动载荷问题,例如短时间快速作用的冲击载荷(如空气锤)、随时间作周期性变化的周期载荷(如空气压缩机曲轴)和非周期变化的随机载荷(如汽车发动机曲轴)等。
第一节静载时材料的力学性能
一、强度和塑性
GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》规定了金属材料的强度和塑性拉伸试验方法的原理与要求。
拉伸试验过程:准备试样(见图1-1),定义施力前的试样原始标距为Lo,断后标距为Lu。在拉伸试验机上加载,试样在载荷作用下发生弹性变形、塑性变形直到最后断裂。在拉伸过程中,试验机会自动记录每一瞬间的载荷和延伸率之间的关系,并绘出拉伸曲线图(纵坐标为载荷,横坐标为延伸率)(见图1-2)。由计算机控制的具有数据采集系统的试验机可以直接获得强度和塑性的试验数据。
图1-2所示为退火低碳钢单向静载拉伸应力-应变曲线图。其中abcd段为屈服变形阶段,dB为均匀强化阶段,B为试样屈服后所能承受的**受力(Rm)点,Bk是缩颈断裂阶段。材料的强度与塑性的性能高低可直接从图1-2的曲线中反映出来。
1.强度
强度是材料抵抗塑性变形和破坏的能力,按照外力的作用方式不同,可以分为抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。当承受拉力时,强度特性指标主要是屈服强度和抗拉强度。
图1-1拉伸试样
图1)屈服强度
屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。应力分为上屈服强度和下屈服强度。
测定上屈服强度用的力是试验时在拉伸曲线图上读取的曲线首次下降前的**应力。测定下屈服强度用的力是试样屈服时,不计初始瞬时效应时的最小应力(见图1-2)。
上屈服强度和下屈服强度都是用载荷(力)除以试样原始横截面积(So)得到的值表示,其符号分别为ReH和ReL(见图1-2)。
图1-2退火低碳钢拉伸曲线图
有些金属材料的拉伸曲线上没有明显的屈服现象,如高碳钢和脆性材料等,可采用规定塑性延伸强度Rp表示,如常规定塑性延伸率为0.2%时对应的应力值作为规定塑性延伸强度,用符号表示。
2)抗拉强度抗拉强度是指试样被拉断前的**承载能力(Fm)除以试样原始横截面积(So)得到的应力值,用符号Rm表示(见图1-2)。
屈服强度、抗拉强度是在选定金属材料及机械零件设计强度时的重要依据。
2.塑性
材料在外力作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小常用断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)表示,即
(1-1)
(1-2)
式中:Lu——试样拉断后的标距长度;
Su——试样拉断后的最小横截面积(见图1-1)。
A和Z的值越大,材料的塑性越好。应当说明的是:仅当试样的标距长度、横截面的形状和面积均相同时,或当选取的比例试样的比例系数k相同时,断后伸长率的数值才具有可比性。
金属材料应具有一定塑性才能顺利地承受各种变形加工,且一定的塑性可以提高金属零件的使用可靠性,不致出现断裂。
二、弹性与刚度
在拉伸试验中,如果卸载后试样能即刻恢复原状,这种不产生永久变形的性能,称为弹性。在弹性变形范围内,施加的载荷与其所引起的变形量成正比关系,其比例常数称为弹性模量,用E表示。弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易的指标,E越大,材料抵抗弹性变形的应力也越大,在工程中称之为刚度。刚度表示材料弹性变形抗力的大小。
材料的刚度主要取决于结合键和原子间结合力,材料的成分和组织对它的影响不大。金属键的弹性模量适中,但由于各种金属原子间结合力不同,不同金属的刚度也会有很大的差别,例如铁的弹性模量为210GPa,是铝的3倍。聚合物材料则具有高弹性,但弹性模量较低,在较小的应力作用下就可以发生很大的弹性变形,除去外力后,形变可迅速消失。
三、硬度
硬度是金属表面抵抗其他硬物压入的能力,或者说是材料对局部塑性变形的抗力。测定硬度的方法很多,常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等(见图1-3)。
1.布氏硬度(HB)
按GB/T231.1—2009《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》的规定,测定布氏硬度的原理如图1-3(a)所示。用直径为D的硬质合金球作压头,在规定载荷的作用下,压入被测金属表面,按规定的保持时间卸载后,用刻度放大镜测量被测金属表面上形成的压痕直径d,用载荷与压痕球形表面积的比值作为布氏硬度值,用符号HBW表示。在实际应用中,布氏硬度不标注单位,也不计算,测出压痕平均直径d后,通过查布氏硬度表得出相应的HBW值。
图1-3三种常见的硬度试验示意图
布氏硬度的表示方法是硬度数值位于符号前面,符号后面的数值依次是球体直径(mm)、载荷大小(kgf①)和载荷保持时间(s)。例如,450HBW5/750/20表示用直径5mm的硬质合金球,在750kgf载荷作用下保持20s测定的布氏硬度值为450。
布氏硬度法测试值虽然稳定、准确,但测量费时,且压痕较大,不宜测试薄件或成品件,常用于测试HBW值小于650的材料,如灰铸铁,非铁合金及退火、正火或调质钢等。
2.洛氏硬度(HR)
当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而需改用洛氏硬度计量。洛氏硬度测定法是以一特定的压头加上一定的压力压入被测材料的表面,根据压痕塑
性变形深度来确定硬度值指标。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59mm或3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度,以0.002mm作为一个硬度单位。根据试验材料硬度的不同,分以下三种不同的标度来表示。
HRA:采用60kgf载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。
HRB:采用100kgf载荷和直径1.58mm的淬硬钢球求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。
HRC:采用150kgf载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。
3.维氏硬度(HV)
与布氏硬度测定原理基本相同,维氏硬度也是以单位压痕面积上的力F作为硬度值计算。不同的是使用锥面夹角为138°的方锥形金刚石压头压入材料表面,保持规定时间后,测量出试样表面压痕对角线长度的平均值d,即可计算出压痕的面积S,F/S的数值即为维氏硬度值,用HV表示。
维氏硬度的标注方法与布氏硬度相同,硬度数值写在符号的前面,试验条件写在符号的后面。如:500HV100/20表示在试验载荷100kgf下保持20s测定的维氏硬度值为500。
第二节动载时材料的力学性能
许多机械零件是在动载荷下工作的。由于冲击载荷的加载速度快,作用时间短,材料在承受冲击时应力分布与变形很不均匀,更容易使零件或工具受到破坏。所以,材料对动载荷的抗力则不能按照前述性能指标来衡量。
一、冲击韧性
冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不致破坏的能力,简称韧性。韧性的常用指标为冲击韧度,用符号αk表示。
冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定,如图1-4所示。按GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定,将带U形缺口的标准冲击试样放在试验机支架上,然后将质量为m(kg)的摆锤举至高度H1(m)自由落下,冲断试样后摆锤升至高度H2(m),并以试样缺口处单位横截面积S(cm2)上的冲击吸收能量表示其冲击韧度即(1-3)
图1-4冲击试验机原理图
二、疲劳强度
疲劳强度是指材料经受无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的**应力,又称为疲劳极限。疲劳断口的宏观特征通常呈现为两个断裂区,即平滑区和粗粒状区。由于疲劳破坏的突然性,无论是脆性材料还是韧性材料,在破坏前都不出现明显的材料的“疲劳极限”。影响材料疲劳应力的因素非常多,除了材料本身的特性外,零件的尺寸和形状,零件表面的粗糙度,零件表层中内应力的性质和分布状态,零件所处的环境和介质,交变应力的幅度、性质及频率等都对疲劳应力有影响。材料的疲劳问题是目前材料力学性能方面的一个极为重要的研究领域。
疲劳应力的大小及方向均随时间而变化,而且其变化常常是很不规则的。但在进行疲劳试验时,往往使疲劳应力作规则性变化,因此,在此只涉及规则性的循环应力。图1-5是几种常见的循环应力。
图1-5常见的几种循环应力
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