机械工程基础教学课件作者第三版李铁成1章.ppt

第1章 机械工程材料,1-1 金属材料的力学性能及工艺性能 1-2 金属及合金的晶体结构与结晶 1-3 铁碳合金及其相图 1-4 钢的热处理 1-5 常用金属材料 1-6 常用非金属材料和复合材料 1-7 新型材料简介 1-8 选用材料的一般原则,1.1.1 金属材料的力学性能 1.1.2 金属材料的工艺性能,1.1金属材料的力学性能 及工艺性能,材料：金属材料（纯金属和合金） 非金属材料（陶瓷材料、高分子材料） 复合材料,使用性能 （使用特性） 工艺性能 （加工特性）,金属材料的性能,,金属材料的力学性能及工艺性能,金属材料的力学性能：金属材料抵抗不同性质载荷的能力，通常又称为机械性能 主要力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度1.1.1 金属材料的力学性能,金属材料的力学性能及工艺性能,1. 强度和塑性,强度：是指金属材料在载荷（外力）作用下抵抗变形和破坏的能力 可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯曲强度、抗扭转强度、抗剪切强度等 抗拉强度通过静拉伸试验来测定 衡量材料强度指标：屈服极限σs和强度极限σb 塑性：在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力 通过拉伸试验测定。

衡量材料塑性指标：伸长率δ和断面收缩率ψ 材料的δ和ψ值越大，说明塑性越好,金属材料的力学性能及工艺性能,2. 硬度,硬度：是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力它是衡量金属材料软硬程度的指标 硬度值与强度值之间有一定的经验关系，还与材料的耐磨性和某些工艺性能有关 常用的硬度测定法是压入法：在规定的静态试验力下将压头压入材料表面，用单位压痕面积上所承受的载荷或压痕深度来评定硬度 测定金属材料硬度方法 布氏硬度、洛氏硬度、（维氏硬度）等1）布氏硬度,布氏硬度试验是指用一定直径D的钢球（淬火钢球或硬质合金球），以规定载荷F压入被测材料表面，保持一定时间并达到稳定状态后卸除载荷，测量材料表面压痕直径，计算单位压痕面积上所承受的载荷,即为布氏硬度值XHB-3000型数显布氏硬度计,金属材料的力学性能及工艺性能,金属材料的力学性能及工艺性能,材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值越低当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于测量布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于测量布氏硬度值在450--650的材料硬度数值均标写在布氏硬度符号之前例如230HBS、500HBW。

布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定，数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度其缺点是压痕较大，易损坏成品的表面，不能测定太薄的试样硬度金属材料的力学性能及工艺性能,（2）洛氏硬度,洛氏硬度：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.5875mm的淬火钢球作为压头，以一定的载荷压入被测金属材料的表面层，然后根据压痕的深度来确定洛氏硬度值洛氏硬度用符号HR表示根据压头类型及载荷的不同，有HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度标尺洛氏硬度表示方法为硬度值+符号 如58HRC、85HRA等金属材料的力学性能及工艺性能,压痕越深，硬度越低，反之，硬度越高实际测定时，洛氏硬度值可直接从洛氏硬度计刻度盘上读出金属材料的力学性能及工艺性能,优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度 缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度金属材料的力学性能及工艺性能,3.韧性和疲劳强度,（1）韧度：冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力是一种动载荷性能指标目前常用摆锤式一次冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度。

金属材料的力学性能及工艺性能,试样缺口有U和V两种，冲击韧度值分别以αKU和αKV表示, αKV值越大，材料的冲击韧度越好冲击韧度指标：Wk表示冲击吸收功，是指标准试样在冲击载荷作用下发生断裂所消耗的能量，可从冲击试验机上直接读出用试样缺口处的横截面积A去除WK所得的商即为该材料的冲击韧度值，冲击韧度αk表示在单位截面积上的冲击吸收功金属材料的力学性能及工艺性能,（2）疲劳强度：材料在规律性变化应力长期作用下，抵抗破坏的能力 金属的疲劳：机件在交变载荷作用下经过长时间工作发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳 测定方法：对称弯曲循环载荷试验影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等疲劳强度用σ-1表示钢：0.5σb 非金属: （0.3—0.4）σb,金属材料的力学性能及工艺性能,金属材料的工艺性能:金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力,实质上是机械、物理、化学性能的综合表现 主要工艺性能指标有：铸造性 锻造性 焊接性 切削加工性,1.1.2 金属材料的工艺性能,金属材料的力学性能及工艺性能,1. 铸造性,铸造性能：浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性能 铸造性能指标：流动性、收缩率、偏析倾向 代表金属:灰铸铁和青铜,,金属材料的力学性能及工艺性能,2. 锻造性,锻造性能：材料在塑性加工时能改变形状而不产生裂纹的性能，它实质上是材料塑性好坏的表现 压力加工：锻造、轧制、冷拉、挤压 代表金属:低碳钢,,,金属材料的力学性能及工艺性能,3. 焊接性,焊接性：材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。

评价标准：焊缝中是否有气孔、夹渣、裂纹等缺陷 代表金属:低碳钢,,,金属材料的力学性能及工艺性能,4. 切削加工性,切削加工性：对工件材料进行切削加工的难易程度 相关因素：化学成分，金相组织、刀具的几何形状 代表金属:灰铸铁和硬度为170-250HBS的碳钢,,,金属材料的力学性能及工艺性能,金属材料的力学性能指标,金属材料的力学性能及工艺性能,学习目标达到了吗？,1 金属的力学性能有哪些指标？,2 金属的工艺性能有哪些指标？,,3 课外链接 弹塑性变形 金属疲劳曲线,,金属材料的力学性能及工艺性能,The End,金属材料的力学性能及工艺性能,1.2 金属及合金的 晶体结构与结晶,1.2.1 实际金属的晶体结构 1.2.2 金属的结晶 1.2.3 金属的同素异构转变 1.2.4 合金的结构,1.晶体结构的基本知识,晶体与非晶体 晶体---固体物质中原子呈周期性有规则的排列如金钢石、石墨和一切固状金属 非晶体---固体物质中原子呈不规则排列如玻璃、沥清和松香1.2.1 纯金属的晶体结构及其结晶,金属及合金的晶体结构与结晶,晶体具有固定的熔点和各向异性的特征,晶格 为了便于分析晶体中原子排列的规律性，用假想的线条将原子的中心连接起来，使之构成一个空间格子。

这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子称为晶格 晶胞 取晶格中一个最基本的几何单元来表明原子排列的规律性（晶格形式特征），称为晶胞金属及合金的晶体结构与结晶,晶格常数 晶格是由无数个晶胞重复堆积而成的晶胞的棱边长度和棱边夹角称为晶格常数金属及合金的晶体结构与结晶,2.常见的金属晶格,体心立方晶格：晶胞是一个立方体，八个顶角和立方体的中心各排列着一个原子如：α铁、铬、钨、钼、钒强度较大，塑性较好金属及合金的晶体结构与结晶,面心立方晶格：晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子铜、铝、银、金、镍、γ铁塑性优于体心立方晶格的金属金属及合金的晶体结构与结晶,密排六方晶格：晶胞是在正六方柱体的十二个顶角和上、下两底面的中心处各排列一个原子，另外中间还有三个原子原子排列最紧密，属于这种晶格类型的金属有镁、锌、镉、铍等金属及合金的晶体结构与结晶,3.实际金属的晶体结构,单晶体：晶体内部晶格方位完全一致的晶体，具有各向异性的特征 多晶体：由许多方位不同的单晶体组成，具有各项同性的特征 晶粒：在多晶体材料内，晶体位向基本相同的小晶体 晶界：多晶体材料中相邻晶粒间的界面。

金属及合金的晶体结构与结晶,结晶：金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程,结晶温度：纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度每种金属都有一定的理论结晶温度，用T0表示纯金属的冷却曲线有一水平段，对应的温度为实际结晶温度Tn过冷：纯金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷1）冷却曲线与过冷度,1.2.2 纯金属的结晶,金属及合金的晶体结构与结晶,结晶过程是在冷却曲线平台上所经历的时间内发生的实质上是金属原子由不规则排列过渡到规则排列而形成晶体的过程理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度(用△T表示)，即△T= T0 -Tn冷却速度越快，过冷度就越大，实际结晶温度越低金属及合金的晶体结构与结晶,2）结晶过程,（1）生核——晶核 （2）长大——晶体,金属及合金的晶体结构与结晶,晶粒大小的控制有两种方法：,（1）控制过冷度，提高过冷度使晶粒细化2）在结晶过程进行变质处理3）影响晶粒大小的因素,晶粒的大小对金属性能有影响，且晶粒越细小，性能越好 晶粒的大小通常以单位界面面积上的晶粒数或晶粒的平均直径来表示晶粒大小的影响因素： 晶核数目：晶核越多，每个晶核长大的余地就越小，长成的晶粒就越细。

晶核长大速率：晶核长大的速率越小，生成的晶粒尺寸就越小，反之则晶粒粗大细晶原则：促进晶核生长；抑制晶粒长大金属及合金的晶体结构与结晶,有些金属在固态可以有两种或两种以上的晶体结构，如Fe、Mn、Ti等 金属在固态下随外界条件（温度、压力）的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变 金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程，亦应遵守前述的一般规律 最常见的是铁的同素异构转变，可表示为： δ-Fe（1394℃）→γ-Fe（912℃）→α-Fe （体心立方） （面心立方） （体心立方）,1.2.3 金属的同素异构转变,金属及合金的晶体结构与结晶,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,金属及合金的晶体结构与结晶,1.合金的基本概念,合金：一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质 组元：组成合金的最基本、独立的物质通常是组成合金的元素或某些稳定的化合物按组元数 二元合金 三元合金 多元合金 相：金属或合金中化学成分相同、晶体结构相同的原子聚集状态，并与其他部分之间有明确的界面的独立均匀组成部分 组织：用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌的图像。

只有一相组成的组织称为单相组织；由两种或两种以上相组成的组织称为多相组织1.2.4 合金的结构,金属及合金的晶体结构与结晶,1）固溶体,合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类型相同的合金，称为固溶体保留原有晶格类型的组元称为溶剂，其他组元称为溶质置换固溶体：是指溶剂晶格上的原子被溶质原子所取代而形成的固溶体 间隙固溶体：指溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体2.合金的结构,金属及合金的晶体结构与结晶,由于溶质原子和溶剂原子的直径差别，溶质原子溶入后，造成棱边长度发生撑开或靠拢的的现象（晶格畸变）使晶体的变形抗力增大，导致强度、硬度提高，称为固溶强化，它是改善材料性能的重要途径之一金属及合金的晶体结构与结晶,金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性的化合物，其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可用分子式表示如,其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般具有复杂的晶格，且熔点高，硬度高，脆性大,低塑性和韧性2）金属化合物,金属及合金的晶体结构与结晶,组成合金的各组元在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物，其各相仍保持原来的晶格结构和性能。

所以，机械混合物的性能取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况 在常用合金。