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工程材料Engineering Materials信息与机电工程学院 副教授绪论l材料的定义l材料的分类金属材料 Metal陶瓷材料 Ceramic高分子材料 Polymer复合材料 Compositel金属材料金属材料包括纯金属和以金属元素为主的合金金属具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽金属材料一般有良好的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工程领域应用最广的材料在工程领域有把金属及其合金分为两类：（1）黑色金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有色金属，黑色金属以外的所有金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜及铜合金等l陶瓷材料实际上是各种无机非金属材料的通称陶瓷在机械性能上表现出突出的硬而脆的特点，即硬度高、脆性大、塑性几乎为零；在热性能上表现出高熔点、高热硬性、高抗氧化性；此外还具有很好的耐蚀性、绝缘性，是有发展前途的高温材料l高分子材料又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单元相互连接而成它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。

高分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉，在工程材料中应用越来越广l复合材料由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组成材料所不具备的复合材料可以有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性按基本材料分类，它可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等复合材料具有极其优异性能，质轻，强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天领域更是无可替代l本课程的研究内容主要研究机械工程上所用的结构材料，主要偏重于金属材料研究金属材料的组织、结构及其与机械性能和工艺性能之间的关系第一章 材料的性能(properties)l材料的力学性能(mechanical properties)定义：指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征指标：弹性 、刚度、强度、塑性 、硬度、冲击韧性 和疲劳强度等l静拉伸试验 (Tensile test)测量材料抵抗缓慢增加的拉力作用时表现出来的性能，包括弹性、刚度、强度以及塑性应力 (stress)：单位面积上试样承受的载荷，用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积表示，单位：帕斯卡应变 (strain)：单位长度的伸长量，用试样的伸长量除以试样的原始标距表示。

拉伸试验机拉伸试验的颈缩现象应变应力低碳钢的应力应变曲线l弹性和刚度弹性 (Elasticity)：金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能弹性变形：随载荷撤除而消失的变形刚度：材料抵抗弹性变形的能力弹性模量 (Youngs modulus)：弹性下应力与应变的比值，表示材料抵抗弹性变形的能力l强度 (Strength)定义：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力屈服强度 (Yield strength)：材料产生明显塑性变形的最低应力值.抗拉强度 (Breaking strength)：试样在断裂前所能承受的最大应力屈服强度和抗拉强度是零件设计的重要依据，也是评定金属强度的重要指标之一l塑性 (Plasticity)在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力伸长率：是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比断面收缩率：试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比 l硬度试验硬度 (Hardness)：是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力常用测量硬度的方法包括布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV布氏硬度计 布氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度维氏硬度l冲击韧性 (Impact toughness)材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

l疲劳强度(Fatigue strength )表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值钢材的交变载荷循环次数l材料的物理和化学性能材料的物理性能是指材料的固有属性，它包括材料的密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等材料的化学性能是指材料在化学介质的作用下所表现出来的性能，如材料的耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性第二章 金属的晶体结构与结晶l晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类晶体 (Crystal)：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列 非晶体(Non-crystal) ：原子（或分子）则是无规则 的堆积在一起如松香、玻璃、沥青） l晶格与晶胞l常见的金属晶格体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格l晶格缺陷点缺陷线缺陷面缺陷l单晶体与多晶体单晶体多晶体l晶粒 (Grain)l晶界 (Grain boundary)l金属材料都是多晶体多晶体示意图l金属的结晶晶体物质由液态转变为固态的过程物质中的原子由不规则排列转变为规则排列的过程l金属结晶的过程纯金属的冷却曲线时间温度ToT1理论冷却曲线实际冷却曲线过冷现象 过冷度 T = T0 T1过冷是结晶的必要条件。

金属结晶的过程（形核、长大）晶核长大的方式枝晶影响晶核的形核率和晶体长大率的因素l过冷度的影响l难熔杂质的影响细化晶粒的方法l晶粒度的概念及其对金属力学性能的影响l增大过冷度l变质处理l金属的同素异构性 (allotropy)一种金属具有两种或两种以上的晶体结构的性质纯铁的同素异构转变1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe金属的塑性变形与再结晶l金属的塑性变形弹性变形和塑性变形的实质塑性变形的基本形式l滑移l孪晶单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形l比单晶体更高的塑性变形抗力晶界比晶粒本身具有更高的塑性变形抗力多晶体中晶粒位向不同l晶粒越细强度越高，塑性越好l塑性变形对金属组织和性能的影响晶粒沿变形方向拉长，形成“纤维组织”产生加工硬化现象产生织构组织产生残余应力l变形金属在加热时的组织和性能的变化回复 (Recovery)l低温加热l显微组织未发生明显变化，力学性能变化不明显，残余应力部分消失再结晶(Recrystallisation)l再结晶的定义 变形组织、性能完全消失， 硬度、强度显著下降，塑性、韧性明显提高，内应力基本消除l再结晶温度 影响再结晶晶粒度的因素l加热温度越高，晶粒越大l变形度越大，变形越均匀，晶粒越细小晶粒长大l金属的热加工(hot working)热加工的概念热加工对金属组织和性能的影响l细化晶粒，改善机械性能l消除铸态组织缺陷l形成“锻造流线”l合金的相结构基本概念l合金(alloy)、组元(component)、相(phase)固溶体(solid solutions)l晶格结构与溶剂相同l间隙固溶体、置换固溶体l固溶体的溶解度化合物(compound)l组元间以化合键结合，晶格类型与组元不同l熔点高、硬度高、脆性大二元合金相图l二元合金相图基本概念l合金系l平衡l显微组织相图的建立l配制合金系l测定上述合金的冷却曲线l找出上述合金的临界点l将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标的图中，将同类临界点连接。

名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%.合金920%80%合金1010%90%合金110%100%时间温度90 705030AB温度A温度B温度l匀晶相图 2 phases: L (FCC solid solution) 3 phase fields: LL +wt% Ni2040608010001000110012001300140015001600T(C)L (liquid) (FCC solid solution)L + liquidussolidus(Liquid)MLMRSwt% Ni2012001300T(C)L (liquid)(solid)L + liquidussolidus304050L + BTBtie lineCoCLCSRl杠杆定律l共晶相图 L (liquid)L + L+b b + bCo, wt% Ag2040608010002001200T(C) 400600800 1000CETE8.071.9 91.2779C l共析相图l相图与合金物理、力学性能之间的关系铁碳合金相图l铁碳合金的相结构及性能铁素体 碳在-Fe中的间隙固溶体；强度、硬度低，塑性好。

奥氏体 碳在-Fe中的间隙固溶体；硬度低，塑性好渗碳体 碳与铁的化合物；硬度高，脆性大l铁碳合金相图l铁碳合金相图分析五个重要的成份点: P、S、E、C、K四条重要的线: EF、ES、GS、FK三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析转变二个重要温度: 1148 、727 l铁碳合金的分类工业纯铁钢l亚共析钢l共析钢l过共析钢白口铁l亚共晶白口铁l共晶白口铁l过共晶白口铁l典型铁碳合金的结晶过程共析钢( Wc = 0.77% )亚共析钢( Wc = 0.45% )过共析钢( Wc = 1.2% )共晶白口铁( Wc = 4.3% )亚共晶白口铁( Wc = 3.0% )l碳的质量分数对平衡组织的影响常用工程材料l碳钢 含碳量在0.0218% - 2.11%之间的铁碳合金分类l按钢的含碳量：低碳钢（含碳量0.25%）、中碳钢（含碳量在0.25% - 0.6%之间）、高碳钢（含碳量 0.6% ）l按钢的质量（钢中硫、磷的含量）：普通碳钢、优质碳钢、高级优质碳钢l按用途分：碳素结构钢（主要用于制造各种工程构件和机器零件，一般属于低碳和高碳钢）、碳素工具钢（主要用于制造各种刀具、量具、模具，属于高碳钢）。

碳钢的编号l碳素结构钢 Q X X X钢屈服点“屈”字汉语拼音首位字母钢材厚度不大于16mm钢的屈服强度数值，单位：兆帕l 优质碳素结构钢 以含碳量的万分数表示，如20, 35, 45 等 钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较高，多用于制造较重要的零件如Q215, Q235, Q255 等l碳素工具钢 在“碳”或“T”后加一数字，数字表示钢含碳量的千分数，如：T7, T8, T12等 碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加一个“高”字或“A”，如：T12高，T12A碳钢机械性能与含碳量的关系含碳量对钢力学性能的影响第六章 钢热处理第一节 概述l热处理的概念对钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺l热处理的目的：改变钢的性能l热处理的分类l普通热处理：退火、正火、淬火、回火l表面热处理：表面淬火、化学热处理l热处理在零件加工过程中的作用 预先热处理赋予毛坯良好的加工性能 最终热处理赋予零件良好的使用性能第二节钢在加热时的转变l钢的临界转变温度l钢的奥氏体化l奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体的晶粒度l起始晶粒度l实际晶粒度l本质晶粒度奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响l奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。

l粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂第三节 钢在冷却时的转变l钢在热处理时的冷却方式：连续冷却、等温冷却连续冷却等温冷却时间温度临界温度（727）时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1l奥氏体等温转变曲线稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线 A +产 物 区产物区A1550;高温转变区;扩散型转变; P 转变区550230;中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;230 - 50; 低温转变区; 非扩散型转变;马氏体 ( M ) 转变区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfl过冷奥氏体转变产物的组织和性能珠光体型（P）转变( A1550 ) ，珠光体片间距越小，力学性能越好lA。