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1、第一章 工程材料导论,第一节 材料的性能 第二节 材料的微观结构基础 第三节 铁碳合金相图 第四节 常用钢铁材料 第五节 钢的热处理 第六节 常用有色金属及其合金 第七节 金属材料的微观检验,第一章 工程材料导论,掌握金属材料的主要力学性能 能画出铁碳合金相图，并运用相图判断铁碳合金的成分、组织与性能。 熟悉热处理“四把火”，工艺特点和应用。 掌握常用钢铁和有色金属合金的种类、牌号、性能及应用。,本章基本要求,金属材料的主要性能,1.使用性能 反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。 包括： 力学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性
2、、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等 2. 工艺性能 反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。 包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因此作为本章讨论的重点。,一、金属材料的力学性能,常用力学性能指标：,第一章 工程材料导论,1.1 静载荷下材料的力学性能,第一章 工程材料导论,图1.1 拉伸试样 (a) 拉断前 (b)拉断后,1）强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 抗拉强度测试实验,电子拉伸试验
3、机,第一章 工程材料导论,工程应力：=F/A0 工程应变：=(L-L0)/L0,图1.3 低碳钢应力-应变曲线,e,s,b,e,s,b,k,0,低碳钢的应力-应变曲线,e最大弹性变形点 s 屈服点 b 最大外力点 k 断裂点 e弹性极限 s屈服极限 b抗拉强度,第一章 工程材料导论,四个阶段 1. 弹性变形阶段 变形可逆 变形量1 2. 屈服阶段 不需要进一步增加外力就可产生明显的塑性变形 发生塑性变形的标志 3. 塑性变形阶段 产生永久变形 4. 缩颈和断裂阶段 超过b点后局部迅速变细，直至断裂,第一章 工程材料导论,低碳钢应力应变曲线,弹性极限 ：对应最大弹性变形的应力 抗拉强度：最大载荷
4、所对应的应力 伸长率： （恒量塑性变形的指标） 断面收缩率： 断口处,第一章 工程材料导论,良好的塑性是塑性变形加工的必要条件。,拉伸试样的颈缩现象,注意与断裂强度的区别,不同材料的拉伸曲线,(a) 脆性材料,(b) 塑性材料（塑性较低）,(c) 塑性材料,举例：(a) 铸铁 (b) 铝青铜 (c) 退火低碳钢、有色金属,卸载后，恢复部分为弹性应变量； 残留部分为塑性应变量。,第一章 工程材料导论,2）硬度 材料抵抗更硬物体压入的能力称为硬度; 表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。 常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度等 （1）布氏硬度 （HBW） HBW试验力压痕面
5、积，单位N/mm2 压头：硬质合金球 有效值：小于650HBW 适用材料：退火钢、正火钢、有色金属、不锈钢等。,第一章 工程材料导论,布氏硬度计,第一章 工程材料导论,用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d，查表获得硬度值. （一般不写单位）,图1.4 布氏硬度计及测试原理,第一章 工程材料导论,（2）洛氏硬度 HRC、HRA、HRB,表1.1 三种洛氏硬度的特点及适用范围,第一章 工程材料导论,洛氏硬度计,用金刚石圆锥作压头，在规定的预载荷和总载荷下压入材料，卸载后测其深度h，由压痕深度计算硬度，可在洛氏硬度计上直
6、接读出，无单位。,图1.5 洛氏硬度计及测试原理,第一章 工程材料导论,布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 布氏硬度：压痕面积大； HB值的代表性较全面；实验数据的重复性好；由于淬火钢球本身易变形，不能试验太硬的材料；由于压痕较大，不能进行成品检验 洛氏硬度：一般采用金刚石压头，因此可用于硬度很高的材料；压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多；由于压痕小，数据代表性、重复性差些；必须进行多点测试，取平均值。,动画 洛氏硬度测量,动画 布氏硬度测量,第一章 工程材料导论,第一章 工程材料导论,1.2 动载荷下材料的力学性能 设计受冲击载荷件时，必须考虑材料的抗冲击性能； 在某些
7、条件下（如低温）具有脆性倾向的材料，如鸟巢Q460E钢，-40冲击功27J。 1）冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。 通过摆锤冲击实验测得冲击韧度,Ak冲断试样所消耗的冲击功（J） Ao试样断口处的原始截面积（mm2）,第一章 工程材料导论,摆锤冲击试验：由摆锤将试样一次冲断后，计算缺口处断面单位面积上的冲击吸收功。,冲击试样,图1.6 冲击韧性试验原理图,第一章 工程材料导论,第一章 工程材料导论,第一章 工程材料导论,2）疲劳强度 许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失
8、效是由于疲劳破坏。 疲劳强度：材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。 注：疲劳强度用-1表示。规定钢铁材料经受107、有色金属 经受108次循环对应的应力为-1。 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1 = (0.450.55)b,图1 轴的疲劳试验,材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定 疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系,第一章 工程材料导论,疲劳破坏原因: 材料中的杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.,第一章 工程材料
9、导论,疲劳曲线,1943年美国T-2油轮发生断裂,陶瓷、高分子材料：疲劳抗力很低； 金属材料：疲劳强度较高； 纤维增强复合材料：较好的抗疲劳性能。 为提高零件的疲劳强度，除废改善其结构形状、减少应力集少外，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。,第一章 工程材料导论,二、金属材料的物理性能,1. 密度 金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为kg/3。 根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于45g/cm3 的金属叫做轻金属，如铝，钛等。,第一章 工程材料导论,2.熔点 金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。 熔点一般用摄氏温度（）表示。
10、各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ，钢的熔点为1538。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合 金等都很重要。 熔点低于 1000的金属称为低熔点金属，熔点在10002000的金属称为中熔点金属，熔点 高于2000的金属称为高熔点金属。,第一章 工程材料导论,3.导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。 一般用热导率（导热系数）表示金属材料导热性能的优劣。 热导率大的金属材料的导热性好。 在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性 以银为最好，铜、铝次之。 导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。,第一章 工程材料导论,4.热膨胀性 金属材料
11、在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。 各种金属的热膨胀性能不同。 在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。,第一章 工程材料导论,5.导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。 各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。 导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。,第一章 工程材料导论,6.磁性 金属导磁的性能称为磁性。 具有导磁能力的金属材料都能被
12、磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768以上就表现为没有磁性或顺磁性。 铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。,第一章 工程材料导论,三、金属材料的化学性能,金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。 1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。 常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 2.抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热
13、作业时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。 3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。 金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。 用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。,第一章 工程材料导论,四、工艺性能 工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性、热处理性和切削加工性等。,1.铸造性能（流动性、收缩、偏析倾向） 铸造铝、铜合金铸铁（灰口）铸钢（共晶点附
14、近最好） 2.锻造性能（塑性、变形抗力） 低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压 3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度） 低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金 4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量） 5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向） 淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等,第一章 工程材料导论,第二节 材料的微观结构基础,2.1 晶体与非晶体 晶体：材料内部的原子呈周期性规则排列，如固态金属、合金、金刚石、石墨等。 非晶体：材料内部的原子排列是不规则的，如松香、玻璃、沥青等。 性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，
15、非晶体没有；晶体呈各向异性，非晶体各向同性;非晶没有晶界、枝晶，避免了偏析，从而具有高的强度、硬度，还有优异的耐腐蚀性。,第一章 工程材料导论,(a),(b),图2.1 晶体与非晶体的 高分辨图像 (a) Si3N4陶瓷晶体 (b) 非晶碳膜,2.2 晶体学基础,第一章 工程材料导论,图2.2 a) 晶体；b)晶格；c)晶胞；,（1）基本概念 晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架。 晶胞：空间点阵中的最小几何单元，能代表整个晶格中的原子排列规律。 晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 晶格常数： 晶胞中各棱边的长度a,b,c及夹角,第一章 工程材料导论,（2）晶向和晶面（国际
16、上通用米勒指数标定） 晶向：空间点阵中各阵点列的方向。 晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。,第一章 工程材料导论,14种布拉菲点阵、7种晶系,第一章 工程材料导论,图2.3 14种布拉菲点阵,（3）常见金属晶体结构 三种 面心立方 体心立方 密排六方,第一章 工程材料导论,图2.4 典型晶体类型,（4）金属的实际晶体结构 （多晶体缺陷） 单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致 多晶体：许多晶粒组成的晶体结构 晶粒：外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体 晶界：晶粒之间的界面 晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。 点缺陷 线缺陷 面缺陷,第一章 工程材料导论,2.3 金属的结晶和同素异构转变 （1）纯金属的结晶 过冷现象：在一定冷却速度下，实际结晶温度低于理论结晶温度。 过冷度 T = T0 T1 过冷是结
