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1、第一章 工程材料导论按结构工程材料可分为金属、非金属和复合材料。 其中，金属材料得到了最为广泛的应用，良好的使用性能，优越的工艺性能。?使用性能：力学（机械）性能、物理性能、化学性能?工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能1.1 工程材料的性能1.1.1 力学（机械）性能材料在力的作用下所表现出来的性能。对材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响一.强度与塑性拉伸试验FFe: 弹性变形Fe: 弹性期限载荷FeFFs: 发生部分塑性变形Fs: 屈服载荷；S：屈服点FsFFb: 载荷下降，变形增加Fk: 断裂，强度极限载荷拉伸图 ， 1强度材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂
2、的能力屈服强度试样产生屈服时的应力。 （MPa）Fs试样发生屈服时所承受的最大载荷，（N）；A0试样的原始截面积，（mm2）。对于没有明显屈服现象的金属材料，用r0.2作为屈服点。r0.2产生0.2%塑性变形时的应力。抗拉强度金属材料在拉断前所承受的最大应力。 （MPa）Fb试样在拉断前所承受的最大载荷，（N）；s，b在选择金属材料，设计机械零件时有重要意义。s：强度设计的依据，不允许发生塑性变形；b：脆性材料，不发生塑性变形，在强度计算时用b。2塑性金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。伸长率： l0试样原始标距长度，mm；l1试样拉断后的标距长度，mm。断面收缩率： A0试样原始截面积，m
3、m2；A1试样拉断后，断口处截面积，mm2。，越大，塑性越好脆性材料：5塑性材料：5，10?例：一根10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为 8.5mm，此钢的抗拉强度b450MPa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率为多少?例：如图所示为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小，并指出屈服强度的确定方法。 二. 硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。1.布氏硬度(HB) 测压痕直径，计算或查表求HB值。纯铁80HB，石墨3HB。?特点：压痕大（压头直径10、5、2.5），准确性好，但不宜成品检验，不宜薄试样，不能测太硬材料（HB
4、450）。?应用：铸铁、有色金属、低合金结构钢。淬火钢球压头：HBS; 硬质合金：HBW2.洛氏硬度（HR）根据压痕的深度，可从刻度盘上直接读出HR值?特点：简单、迅速、压痕小，可测薄试样和硬材料，但不及HB准确。?应用：从软到硬的各种材料。根据所用压头计载荷的不同，分为HRA、HRB、HRC，其中HRC最为常用。例50HRC。硬度和强度都反映了材料对塑变的抗力，两者有一定的换算关系。一般强度愈高，硬度愈高。碳素钢b0.36HB。三. 韧性金属材料断裂前吸收的变形能量测试方法：摆锤式冲击试验.冲击韧度：缺口处单位截面积上所吸收的冲击功 式中：k冲击韧度. Ak冲断试样所消耗的冲击功 A试样缺口
5、处的截面积 mm2冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。1.其值与很多因素有关2.大部分情况是多次小能量冲击冲击值对组织缺陷很敏感。常用于检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量。四. 疲劳强度.金属材料在无数次循环载荷作用下而不致引起破坏的最大应力。受到周期性或非周期性动载荷作用，在大大低于该材料的强度极限下断裂-1测量：旋转对称弯曲疲劳试验机钢铁 N107； 有色金属 N108影响疲劳强度的因素材料内在因素，含杂质，表面划痕，化学成分，内部缺陷外在因素：温度，形状表面质量 1.1.2材料的物理、化学性能工程材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀件和导电性等。不同的机器零件有不同的用途
6、，对材料物理性能的要求亦不相同。例如飞机零件应选用密度小、强度高的铝合金制造以减轻飞机的自重；电器零件应选择导电性良好的材料；内燃机活塞应选用热膨胀性小的材料。材料的化学性能是指其在室温或高温下抵抗各种化学作用的性能，包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。在腐蚀介质中或在高温下工作的零件比在空气中或在室温下工作的零件腐蚀更加强烈。设计这类零件时，应特别注意材料的化学性能。例如，设计化工设备、医疗器械时可采用耐腐蚀性好的不锈钢、工程塑料等材料。1.1.3材料的工艺性能材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。根据工艺方法的不同
7、，材料的工艺性能可分为热处理性、铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。在设计零件和选择工艺力法时，为了使工艺简便，成本低廉，并能保证产品质量，必须要求材料具有良好的工艺性能。例如，灰铸铁的铸造性、切削加工性很好，而锻造性和焊接性很差，故只能用于制造铸件。低碳钢的锻造件和焊接性都很好，而高碳钢的锻造性和焊接性都较差，切削加工性也不好。 材料的各种工艺性能将在有关章节中分别介绍。 思考题：1.什么叫做应力？什么叫做应变？2.缩颈发生在拉伸图上那一点？3.如果式样没有出现缩颈现象，是否表示该式样没有塑性变形？4.0.2的意义是什么？能在拉伸图上画出 0.2吗？5.布氏和洛氏硬度法各有什么优缺点？下列
8、情况应采用那种硬度法来检查其硬度？ 库存钢材 硬质合金刀头 锻件 台虎钳钳口6.下列符号所表示的力学性能指标的名称和含义是什么？ b s r0.2 -1 k HRC HBS HBW 7.将钟表发条拉成一条直线，这是弹性变形还是塑性变形？8.布氏、洛氏、维氏等硬度机，用于测量硬度时各有什么优缺点？9.为什么冲击值不直接用于设计计算？10.硬度和抗拉强度之间有没有一定的关系？为什么？11.一根10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为 8.5mm，此钢的抗拉强度b450MPa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率为多少12. 有一低碳钢试样，原直径为10 mm，长度为100mm。在试验力为 2 10
9、0 N 时屈服，试样断裂前的最大试验力为30 000 N，拉断后长度为 133 mm，断裂处最小直径为6 mm，试计算s、b、。13 图所示为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小，并指出屈服强度的确定方法。 1.2铁碳合金的组织与状态图1.2.1 铁碳合金的基本组织一. 纯铁的晶体结构1. 晶体的基本概念 抽象化 最小单元 棱边常数晶体晶格晶胞晶格常数晶体：原子在空间呈规律性排列。晶格：为了清楚地表明原子在空间的排列规则，可以把原子看成是一个几何质点，把原子之间的相互联系与作用假想为几何直线。这种用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称
10、为晶格。晶胞：能够代表晶格特征的最小几何单元。晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。晶格常数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数数。包括晶胞的三个棱边 a、b、c和三个棱边夹角、共六个参数。2. 纯铁的晶体结构体心立方晶格：-铁，强度高、塑性较好。面心立方晶格：-铁，很好的塑性。体心立方晶格：在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。面心立方晶格：在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶
11、格的金属有铝、铜、镍、铅和-铁等。3. 金属的实际晶体结构?多晶体：由多晶粒组成的晶体结构?晶体缺陷：偏离晶体完整性的微观区域。有点缺陷、线缺陷、面缺陷。以上讨论的金属晶体结构是理想的结构，是由原子排列位向或方式完全已知的晶格组成的，称为单晶体。单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。而一般的金属材料，即使一块很小的金属中也含有许多颗粒状小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而每个小晶体彼此间位向却不同，这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒。晶粒：颗粒状小晶体。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。
12、研究发现，即使在一个晶粒内，实际金属的结构与理想的状态也有差异。因此，在实际金属中或多或少地存在着偏离理想结构的微观区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷：偏离晶体完整性的微观区域。有点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷空位和间隙原子使得原子之间的作用力失去平衡，其周围的原子发生靠拢或撑开，使晶体结构的规律性遭到破坏，晶格发生扭曲，即晶格畸变面缺陷晶界晶界是位向不同，相邻晶粒之间的过渡层。它可以看做是由空位、间隙原子以及位错堆积起来的一种面层状晶体缺陷，也是各种杂质原子聚集的场所。晶界处表现出较高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。一般情况下，晶体缺陷的存在
13、可以提高金属的强度，但常常降低金属的耐腐蚀性能。二. 金属的结晶?结晶： 金属液体固态晶体 金属原子无序有序排列的过程1.冷却曲线纯金属由液态向固态的冷却过程，可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线冷却转变曲线来表示，这种方法称热分析法。纯金属的结晶是在一定温度下进行的?T0理论结晶温度，纯金属在在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶的温度，称为理论结晶温度（即熔化温度）。在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都比较快，因而液态金属的结晶总是在T0以下发生。?T1实际结晶温度金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷现象。?T=T0T1 过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差，称为过
14、冷度。过冷度并不是一个恒定值，v冷，T，结晶推动力。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。2.结晶过程?晶核的不断形成和长大?自发形核：金属液中的原子自发聚集到一起。T，自发形核?外来晶核：外来细小的固态质点，如杂质液态纯金属在冷却到结晶温度时，其结晶过程是：先在液体中产生一批晶核，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到全部液体转变成固体为止。最后形成由外形不规则的许多小晶体所组成的多晶体。3.晶粒的细化金属的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界处的品格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合。从而增强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。液态金属中的晶核越多，则每个晶核长大的余地越小，长成的晶粒就越细。生产中，细化晶粒的方法如下：?增加过冷度结晶时增加过冷度T 会使结晶后晶粒变细。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又
