机械工程材料主要内容

《机械工程材料主要内容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料主要内容（149页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,工程材料,第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形 第三章 金属结晶及合金相图 第四章 钢的热处理 第五章 钢铁材料及其应用 第六章 有色金属及应用 第七章 非金属材料 第八章 材料选择基础,2,绪 论,材料的分类？ 三分法：是最常用的材料分类方法，将材料分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。 四分法：将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料四大类。 金属材料包括： 工程材料：是工业生产中用作结构和机械零件的材料。,黑色金属（钢和铁）及有色金属。,3,工程材料,第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形 第三章 金属结晶及合金相图 第四章

2、 钢的热处理 第五章 钢铁材料及其应用 第六章 有色金属及应用 第七章 非金属材料 第八章 材料选择基础,4,第一章 金属材料力学性能,1.1 金属的拉伸试验 1.2 金属的弹性与塑性 1.3 金属的力学性能,1.1 金属的拉伸试验,脆性材料拉伸曲线,6,1.2 金属的弹性与塑性,弹性指标：弹性模量、比例极限、弹性极限 弹性模量E ：表征金属材料对弹性变形的抗力，主要由金属的种类和晶体结构所决定。 比例极限p ：是应力与应变成正比关系的最大应力值。 弹性极限e ：是材料发生弹性变形的最大应力值。,7,1.2 金属的弹性与塑性,塑性指标：延伸率、断面收缩率 延伸率：拉伸断裂后试样标距长度的相对伸

3、长量。 = (Lk- L0 ) /L0100% 断面收缩率：拉伸试样断裂处截面的相对收缩量。 = (F0- Fk)/F0100%,8,1.3 金属的力学性能,强度：表征金属材料抵抗变形和断裂的能力。 屈服极限s：金属产生塑性变形的最小应力。没有明屈服现象金属以0.2表示。 抗拉强度b ：拉伸试验中金属所能承受的最大拉伸应力。 疲劳强度-1 ：材料经受无限次应力循环而不断裂的最大应力。 材料的疲劳极限主要取决于抗拉强度，抗拉强度相近时，塑性好的材料疲劳强度高。,9,1.3 金属的力学性能,韧性：表征金属材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力或材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 冲击韧性ak ：单位面积所消

4、耗的冲击功, 表征材料抵抗冲击载荷作用不发生断裂的能力。 断裂韧性KIC：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KI = Ya（MN/m3/2）,10,1.3 金属的力学性能,硬度：衡量金属材料软硬程度的性能指标，表示金属抵抗局部塑性变形的能力。 主要硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、里氏硬度。 布氏硬度：压头是淬火钢球或硬质合金球，载荷大、压痕大、数据稳定、重复性强。适用于较软金属、毛坯或半成品，以HB表示。,11,1.3 金属的力学性能,洛氏硬度：有HRA、HRB、HRC三种标尺，其中 HRA、 HRC的压头为120的金刚石圆锥， HRB的压头为淬火钢球，可根据材料的软硬程度及

5、试样厚度选择不同的标尺，但不同标尺的硬度值不能直接比较。 HRC是最为常用的标尺。 维氏硬度：压头是对面夹角136的金刚石正四棱锥体，以HV表示。,12,1.3 金属的力学性能,显微硬度：是载荷以克计量、压痕对角线以微米计量的维氏硬度。主要用于测定各种组成相的硬度以及表面硬化层的硬度分布，用HM表示。 里氏硬度：是一种便携式动载荷硬度计，用于检验大型金属产品及部件的硬度，测量精度较低。,13,工程材料,第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形 第三章 金属结晶及合金相图 第四章 钢的热处理 第五章 钢铁材料及其应用 第六章 有色金属及应用 第七章 非金属材料 第八章 材料选择基

6、础,14,第二章 金属晶体结构与塑性变形,2.1 金属的晶体结构 2.2 金属的塑性变形 2.3 回复与再结晶,15,2.1 金属的晶体结构,三种常见的金属晶体结构：体心立方晶格、面心方晶格、密排六方晶格 单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。 多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。实际金属材料是多晶体结构。 常见的三种晶体缺陷：点缺陷（空位间隙原子异类原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界亚晶界） 三种缺陷都增大塑性变形抗力，提高屈服强度。,16,2.2 金属的塑性变形,单晶体的塑性变形 位错的滑移：在切应力作用下，金属的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面和晶向 (滑移系)发生的相对滑动。体心有

7、48个滑移系、面心有12个滑移系、密排六方有3个滑移系。 孪生：在切应力作用下，金属的一部分相对于另一部分，沿着特定的晶面发生均匀切变。孪生变形所需的切应力较大，但产生的变形量却很小。,17,2.2 金属的塑性变形,多晶体的塑性变形 多晶体的晶界和晶粒不同位向：阻碍位错运动，使变形抗力增大。 多晶体变形是分批地逐步进行,变形分散在每个晶粒中。细晶金属不仅强度高，塑性、韧性也好。细晶强化是金属重要的强韧化手段。 第二相粒子：脆性相以颗粒状分布于塑性相之中, 会阻碍位错滑移，提高强度。用生成第二相粒子强化金属的方法称为弥散强化或沉淀强化。,18,2.2 金属的塑性变形,塑性变形对金属组织结构的影响

8、 晶粒沿形变方向被拉长压扁，形成纤维组织。 位错密度增大、塞积、缠结，形成晶内亚结构。 晶粒发生转动、位向趋近于一致，产生形变织构。 塑性变形对金属性能的影响 产生加工硬化。随塑性变形的增大，强度硬度显著提高，塑性韧性明显下降。,19,2.2 金属的塑性变形,产生加工硬化原因是位错密度增加，相互缠结，造成位错运动阻力增大，塑性变形抗力提高，产生残余内应力。 产生形变织构趋于各向异性。 影响金属的物理、化学性能，电阻增大，耐蚀性降低。,20,2.3 回复与再结晶,回复 加热温度较低，原子晶内移动，点缺陷、线缺陷减少、消失。晶粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。 强度和硬度只略有降低，

9、塑性有所增高，残余应力大大降低。 去应力退火就是利用回复过程、消除冷变形金属残余内应力，保留加工硬化效果的工艺方法。,21,2.3 回复与再结晶,再结晶 加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、破碎的晶粒重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。 再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。 物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。,22,2.3 回复与再结晶,晶粒长大 继续加热保温会发生晶粒长大。粗大的晶粒组织使金属的强度、硬度、塑性、韧性等都显著降低。 冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷

10、冲等，有加工硬化的现象产生。 热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工。如碳钢的热轧、锻造等，因有动态再结晶发生，无加工硬化现象产生。,23,工程材料,第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形 第三章 金属结晶及合金相图 第四章 钢的热处理 第五章 钢铁材料及其应用 第六章 有色金属及应用 第七章 非金属材料 第八章 材料选择基础,24,第三章 金属结晶及合金相图,3.1 纯金属的结晶 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图及结晶 3.4 铁碳合金相图,25,3.1 纯金属的结晶,理论结晶温度：纯金属的结晶有一个严格的理论结晶温度Tm，在Tm下金属的液固两相达成相平衡。

11、 过冷度：金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差T称为过冷度，即T = TmTn。过冷度是金属结晶的必要条件，冷却速度愈快，过冷度愈大。 结晶过程是一个形成晶核和晶核不断长大的过程。,26,3.1 纯金属的结晶,细晶强化：晶粒越细小，金属的强度，塑性和韧性越好。结晶晶粒细化有以下措施： 快速冷却，增加过冷度。 变质处理，加入难熔固态粉末作为外来晶核。 振动和电磁搅拌。,27,3.2 合金的相结构,概念：合金, 组元, 合金系, 相 合金的基本相：固溶体、金属化合物。 固溶体 间隙固溶体, 置换固溶体 固溶体的性能：较软，通常作为合金的基体组织。 固溶强

12、化：固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变，位错滑移阻力增大，合金的强度和硬度提高。,28,3.2 合金的相结构,固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 金属化合物 金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。,29,3.2 合金的相结构,常见的金属化合物有三种：正常价化合物, 电子化合物，间隙化合物： 间隙相，结构复杂的间隙化合物。 金属化合物一般熔点较高，硬度高, 脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低。,30,3.3 二元合金相图及

13、结晶,相平衡：在一定条件下合金系中参与相变各相的成分和相对重量不再变化达成的一种状态。此时合金系状态稳定不随时间改变。相平衡是一种动态平衡。合金在极缓慢冷却条件下的结晶过程，可以认为是平衡的结晶过程。 合金相图？ 合金相图是表明在平衡状态下合金系中各合金的组成相与温度、成分之间关系的图解。,31,3.3 二元合金相图及结晶,匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程，称为匀晶转变。 匀晶转变的条件：合金系的两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶。 共晶转变：在一定温度下，从一定成分液相中同时结晶出两种一定成分固相的转变称为共晶转变。 共晶转变的条件：合金系的两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶

14、。,32,3.3 二元合金相图及结晶,杠杆定律适用条件：双相区、平衡状态。 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点为合金的成分点。 会用杠杆定律计算双相区中各相的含量。 合金铸锭组织：细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区,33,同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变。 铁的同素异构转变： L (1538) -Fe（体心立方） (1394) -Fe（面心立方） (912) -Fe（体心立方）,3.4.1 铁的同素异构转变,34,铁碳合金基本相有两种固溶体和一种金属化合物。 铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体，以符号 F 或 表示。体心立方晶

15、格，727时溶解度最大0.0218%。770以下有铁磁性，在770 以上失去铁磁性。力学性能与纯铁相近。 奥氏体：碳在 -Fe中的间隙固溶体，以符号A或 表示。面心立方晶格，1148时最大溶解度2.11%，727 溶解度0.77%。塑性韧性好，布氏硬度HB170220，延伸率4050%，易于锻压成型。,3.4.2 铁碳合金的基本相,35,渗碳体：Fe3C是铁和碳形成的一种结构复杂间隙化合物，碳含量为6.69%。硬度高（HV9501050），而塑性韧性几乎为零，脆性极大。 在钢和铸铁中，随形成条件不同，渗碳体有片状、网状、球状、棒状等形态，其形态、数量及分布对钢铁的组织和性能起决定性作用。 此外

16、，由铁素体相和渗碳体相可组成珠光体、莱氏体等组织。,3.4.2 铁碳合金的基本相,36,珠光体：由F和Fe3C组成的层片状的机械混合物，碳含量为0.77%，用P表示。珠光体综合了铁素体和渗碳体的性能，力学性能还与层片间距有关。 莱氏体：由F和Fe3C组成的机械混合物，碳含量为4.3%，用Ld表示。莱氏体为生铁组织，脆性大，应用价值低。,3.4.2 铁碳合金的基本相,37,3.4.3 FeFe3C相图,铁碳相图中两个主要转变 共晶转变：一定温度下，从一个液相中同时结晶出两种成分固相的转变，转变产物称为共晶体。 LC (4.3%C)1148 Ld (AE+Fe3C, 莱氏体) 共析转变：一定温度下，从一个固相中同时析出两个新的固相的转变，转变产物称为共析体。 AS (0.77C)727 P (FP+Fe3C, 珠光体),38,组织：合金在结晶的不同阶段