机械工程材料基础A.

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1、机械工程材料基础 机械工程学院 熊敏 主讲 1、了解金属及合金的性能、组织结构、结晶、塑性变 形及二元合金相图的基本理论; 2、了解钢铁材料热处理基本原理和工艺; 3、掌握常用的碳钢、铸铁、合金钢的成分、组织、性 能和用途的基本知识 学习内容 n教材: 机械工程材料 于永泗 齐民 主编 大连理工大学出版社 内容 第一章 金属材料的主要性能 第二章 金属及合金的晶体结构 第三章 铁碳合金 第五章 钢的热处理 第六章 合金钢 第四章 金属的塑性变形和再结晶 第一章 材料的性能 1 材料的力学性能 拉伸试验机 三、塑性 二、强度 1、屈服强度 s 2、抗拉强度 b 3、条件屈服强度 0.2 材料抵抗

2、塑性变形的能力 材料抵抗断裂的能力 1、延伸率 2、断面收缩率 测量方便、欠准确； 测量不方便、准确； 材料塑性变形的能力 材料对塑性变形的抗力 一、刚度 刚度大。 材料抵抗弹性变形的能力。 四、硬度 材料表面上，局部体积内对塑性变形的抗力。 1、布氏硬度 HB 测量有色金属、 铸铁等软材料； 2、洛氏硬度 HRC 测量淬火钢等 硬材料； 3、维氏硬度 HV 测量硬质合金 等高硬度材料 ； 洛氏硬度试 验机 五、冲击韧性ak 材料抵抗冲击载荷的能力 冲击韧性试验机 1、疲劳机理：应力集中、表面状态、内部缺陷等导致显微裂纹 裂纹扩张零件有效截面减小断裂 2、提高材料疲劳强度的措施： 六、疲劳强度

3、-1 材料承 受N次应 力循环 而不断 裂的最 大应力 。 2 材料的物理和化学性能 比重、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。 二、化学性能 耐腐蚀性、抗氧化性等。 一、物理性能 比强度 : 材料的强度值与密度值之比。 名称密度 (g / cm3) 强度 ( Mpa ) 比强度 纯铝2.7801003037 纯铁7.871802802336 纯钛4.540550090111 3 材料的工艺性能 一、铸造性能 二、可锻性 三、可焊性 四、切削加工性 材料对各种加工方法的适合性 思考题： 1. 在测定强度上s和0.2有什么不同? 2. 在设计机械时多用哪两种强度指标?为什么? 3. 设计刚度

4、好的零件,应根据何种指标选择材料?采 用何种材料为宜?材料的E越大，其塑性越差,这种说 法是否正确?为什么？ 4. 常用的硬度方法有几种?其应用范围如何？这些 方法测出的硬度值能否进行比较? 5. 反映材料受冲击载荷的性能指标是什么?不同条件 下测定的这种指标能否比较？ 比较各种材料拉伸曲线图的s、 b 、 、E 第二章 材料的结构 1 金属的晶体结构 一、金属的晶格 晶体、非晶体、晶格、晶胞、 1、体心立方晶格： 2、面心立方晶格 ： (BCC; Body- Centered Cubic) (FCC; Face- Centered Cubic) 二、常用金属的晶体结构 3、密排六方晶格 ：

5、(HCP; Hexagonal Close-packed) 晶格类型不同，致密度不同，同素异晶转变时有体积变化。 三、金属晶体结构的致密度 1.晶格尺寸a a a,c 2.晶胞原子数 2 4 6 BCC FCC HCP 3.原子半径 4.配位数 8 12 12 5.致密度 68% 74% 74% 四、晶面与晶向 1、晶面指数 求晶面指数： （1）建立坐标系； （坐标轴不在平 面上） （2）求截距； （3）取倒数； 金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面。 （4）标定 (xyz)； 2、晶向指数 通过两个以上原子的直线表示原子列的位向。 求晶向指数： （1）建立坐标系；（原 点定在矢尾） （2）

6、求另一点的坐标值； （3）化简，标定 xyz； 3、晶面族、晶向族 晶面族指数 xyz 晶向族指数 在立方晶系中，晶面指数与晶向指数相同时，则晶面与晶向互相垂 直。 实际金属的晶体结构 n点缺陷：空位，间隙原子，置换原子 n线缺陷：位错 n面缺陷：晶界，亚晶界 金属的晶粒越细，晶界总面积就越大，金 属的强度就越高，因而实际使用中的金 属材料力求获得细晶粒。 2 合金的晶体结构 合金的概念工程上广泛使用合金的原因 一、合金的相结构 组元：组成合金的最基本的、独立的物质。纯金属、稳定的化合物 相：合金中具有相同的化学成分、相同的结构、能够与其他部分区 分的部分。 1、固溶体 间隙固溶体 置换固溶体

7、 有限置换固溶体 无限置换固溶体 2、金属化合物两个组元相互作用形成的新的相。 固溶强化：通过溶入溶质原 子使溶剂原子的晶格发生畸 变，从而使金属材料的强度 、硬度升高的现象。 金属化合物的晶格与其组元的晶格完全不同，因此其性能也 不同与组元。 3 金属的结晶 一.纯金属结晶的条件 1、过冷度（T） T0 为金属的晶体与液体平衡共存的温度。称为理论结晶温度。显 然，在这一温度时，金属的结晶速度与熔化速度相等，所以只有 进一步冷却，使金属的实际结晶温度（Tn )低于T0 时，结晶才能 进行。结晶时Tn低于T0 的现象称为过冷。其相差的度数，称为过 冷度（ T = T0 Tn ）。纯金属的冷却曲线

8、出现一个水平线段 ，说明其结晶过程是一个恒温过程。这是由于放出的结晶潜热与 散热损失相抵消的缘故。直到结晶完了温度才继续下降。 二. 纯金属的结晶过程 生核: 自发形核 非自发形核 长大: 均匀长大 树枝状长大 金属结晶速度，决定于形成晶核的速度、数量（形核率N）及 晶核的长大速度（V）生核和长大 形核率越高，获得的晶粒越细，材料的强度、硬度越高，其 塑性、韧性也好 三、 同素异构转变 金属在固态下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。 1.增大过冷度 金属结晶时过冷度增大，晶粒细化。因此可用低温浇注 及增大冷却速度的方法使晶粒细化。但对大型铸件不容易获 得较大的过冷度，对精

9、密复杂件过冷度大时会产生较大应力 而造成缺陷或开裂。 浇注时，向金属液中加入一定量的变质剂，可以在整个 体积内同时得到大量的非自发形核，从而使整个铸件获得均 匀细小的晶粒。 2、变质处理 3. 振动 4. 电磁搅拌 四、细化金属晶粒的措施 五、铸锭的结构 1、铸锭结构 细等轴晶区；柱状晶区；粗等轴晶区； 2、铸锭的缺陷 缩孔；缩松；气孔； 1、什么是过冷度？为什么金属结晶时一定要有过冷度？ 2、过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什 么影响？ 3、液体金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么？ 4、晶粒大小对金属机械性能的影响是什么？简述晶粒细化的途径 。比较下列情况晶粒的粗细

10、： （1）金属模浇注与砂模浇注 （2）较高温度下浇注与较低温度下浇注 （3）薄壁铸件与厚壁铸件 （4）浇注时振动与不振动 5、 何谓同素异构现象？以铁为例阐述之。试分析-Fe 向 Fe 转变时的体积变化情况。 习题与思考题 5 二元合金的相图 一、二元合金的结晶 相图 平衡图 状态图 1、发生匀晶反应的合金的结晶 Gu-Ni 匀晶相图分析 结晶过程：形核 ；晶核长大； 结晶在一个温度区间 内进行：变温结晶过程； 两相区内：温度一定 时，两相的成分是确定的 ； 两相区内：温度一定时 ，两相的质量比是一定的 ；（杠杆定律） Ld c+e 共晶点、共晶体 、共晶温度和共 晶组织 初生相和次生相的 区

11、别 杠杆定律（相对量 计算） 液态，无限互溶 固态，有限固溶 溶解度 2、发生共晶反应的相图 共晶反应 4、含有稳定化合物的合金相图 3、共析相图 6 合金的性能与相图的关系 根据图3-14 Pb-Sn二元合金相图, P38, 说明80% Sn的Pb-Sn合金在下列各温度时存在有哪些相 和组织？并分别求各相的含量、组织的含量。 1）高于300 2）刚冷却到183，共晶转变尚未开始。 3）在183，共晶反应结束。 4）冷却到室温。 1、铁素体( 相) 碳溶于Fe之中所形成的间隙固溶体.具 有体心立方晶体结构. 常用字母F或 表示. 727 时碳的溶 解度最大，也仅有0.0218%. 2、奥氏体(

12、 相) 碳溶于Fe之中所形成的间隙固溶体.具有面心立方晶体结构. 常用字母A或 表示. 1148 时碳在Fe中的最大溶解度为2.11%。 3、Fe3C相 Fe3C相具有确定的化学成分,含碳量6.69%,属具有复杂立方晶格的间隙化 合物。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形状,对铁 碳合金的机械性能有很大影响. 7 铁碳合金相图 一 铁碳合金的组织 4、珠光体（两相混合物 ） 渗碳体+F 5、莱氏体（两相混合物） 渗碳体+A 一、含碳量与平衡组织间的 关系 二、含碳量与机械性能间 的关系 三、含碳量与工艺性能间 的关系 网状渗碳体 8 钢的分类 一、按化学成分分 二、按质量分 三、

13、按用途分 钢 碳钢 合金钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 低合金钢 中合金钢 高合金钢 普通钢 优质钢 高级优质钢 结构钢 工具钢 特殊性能钢 常用碳钢 一、普通碳素结构钢 Q235 Q235A 二、优质碳素结构钢 三、碳素工具钢 2、画 相图，并进行分析： (1) 标注出相图中空白区域相和组织； (2) 分析 的亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织及含 量，相及含量； (3) 指出 、 、 的钢在1400 、 1100 、800 时奥氏体的含碳的量。 3、二种铁碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体占75， 铁素体占25，另一种合金的显微组织中珠光体占92，二次 渗碳体占8。问这二种合金各属于哪一类

14、合金？其含碳量各为 多少？ 1、二元共晶反应 1)共晶反应刚结束时，含30%B的合金: 相组分？组织组分？ 2)从显微镜中观察初晶 与共晶 各占50%（共晶反应 刚结束时），求合金中B的含量。 1、分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体 、共析渗碳体的异同。 2、合金中相组分和组织组分的区别何在指出常温下亚共析钢 与亚共晶白口铸铁中的相组分和组织组分。指出常温下碳钢 与白口铸铁相组分和组织组分的异同。 课后思考题 第四章 金属的塑性变形与再结晶 一、金属的塑性变形 1、单晶体的塑性变形 2、多晶体的塑性变形 滑移滑移系 孪生 晶间变形 晶内变形 面心立方晶格的金属塑性最好 晶粒大小

15、对金属机械性能的影响 细晶组织晶界面积大，位错障碍多，需要协调的具有 不同位向的晶粒多，金属塑性变形的抗力大，强度高。 细晶组织单位体积内晶粒数目多，同时参与变形的晶粒 数目多，变形均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得金属在 断裂以前产生较大的塑性变形，塑性好。 二、合金的塑性变形与强化 1、单相固溶体的塑性变形与固溶强化 2、多相固溶体的塑性变形与弥散强化 硬颗粒不容易切变，阻碍了位错运动，提高了变形抗力。 三、塑性变形对金属组织结构的影响 1、塑性变形对金属组织结构的影响 纤维组织；形变组织； 2、塑性变形对金属性能的影响 加工硬化 加工硬化组织 晶粒拉长；碎晶；内应力； 四、回复与再结晶 1、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 回复 再结晶 晶粒长大 2、再结晶温度 金属的预变形量 金属的纯度 加热速度与保温时间 纯度下降，再结晶温度上升。 五、金属的热加工 1、冷加工与热加工的区别 2、热加工对金属组织和性能的影响 非金属夹杂物 习题与思考题 p.66 1、金属钨在1100下的变形加工和金属锡在室温 下的变形加工是冷加工还是热加工？为什么？ 钨的熔点温度3810；锡的熔点温度232 第五章 钢的热处理 1 概述 等温冷却