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1、第一章 金属材料的机械性能引言金属材料的性能可分为：第一章 金属材料的机械性能 工程材料课件（金属材料及热处理）：金属材料在不同性质外力作用下表现的抵抗能力，也称力学性能。如：弹性、塑性、强度、硬度、韧性等。物理性能：如导电性、导热性、热膨胀性、熔点、磁性、密度等。化学性能：如耐酸碱、耐腐蚀、抗氧化。以上三种性能统称为使用性能。 工艺性能：材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度，如：铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性等本章主要内容：1、强度和塑性2、硬度3、冲击韧性4、疲劳强度本章基本要求： 1、理解材料的常用机械性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）的含义及其
2、指标。2、了解材料的常用机械性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）测定方法。本章重点难点： 1、强度的概念及其指标2、塑性的概念及其指标3、硬度的概念及其指标第一章 金属材料的机械性能第一节 强度和塑性一、强度 1、概念：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形（不可恢复变形）和断裂的能力。 抵抗塑性变形和断裂的能力越大，强度越高。根据受力状况的不同，可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭、抗剪强度等。一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。 2、低碳钢拉伸过程：强度的大小通过拉伸实验来测定，试验时，将按国家标准规定的试样两端夹在试验机的两个夹头上，随着负荷的缓慢增加，试样逐步变形并伸长直至被拉断为止。低碳钢
3、的拉伸曲线如下图所示。3、强度指标： (1)屈服强度（s ，MPa）：Fs试样产生屈服现象时的载荷(N)； S0试样原截面积(mm2)。除低碳钢种中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度0.2可以替代s，称条件（名义）屈服强度。屈服强度标志着材料对起始塑性变形的抗力，是工程技术中最重要的机械性能指标之一，设计零件时常以s 或0.2作为选用金属材料的依据。 (2)抗拉强度（b ，MPa）：Fb试样拉断前的最大拉力(N)；S0试样原截面积(mm2)。抗拉强度表示试件在拉断前能承受的最大应力。显然，材料不能在
4、承受b的载荷条件下工作，这样会导致金属构件和零件的破坏。 另外，抗拉强度和屈强比s/b 也是设计和选材的重要依据。二、塑性： 1、概念：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 。2、塑性指标：(1)伸长率（）：L1拉断后的长度（mm），L0原长度（mm）。(2)断面收缩率（）：S1断口处截面积(mm2)，S0原面积 (mm2)。 由于值与试样尺寸有关，一般规定L05d0（短试样）或L010d0（长试样），分别以5或10表示伸长率，10通常写成。、越大，材料的塑性越好，一般达5%，达10%能满足大多数零件要求。 第二节 硬度硬度指金属材料抵抗更硬物体压入的能力，或者说金属表面对局部塑性变
5、形的抵抗能力。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。 根据测定硬度方法不同，可用布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）来表示材料的硬度。 一、布氏硬度 用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径，之后将测得参数代入计算公式，即可得布氏硬度值：HBF/S（N/mm2），F所加压力，S压痕表面积，可通过钢球直径和压痕直径计算。2、布氏硬度特点 优点：测量数值稳定，准确，一般不标单位 缺点：操作慢，不适用批量生产和太薄、太硬（450HB）的材料 3、布氏硬度的应用范围：铸铁，有色金属，退火、正火、调质处理钢，原材料，毛
6、坯 4、布氏硬度的表示方法：HBS：淬火钢球，HBW：硬质合金球 二、洛氏硬度 、原理：洛氏硬度试验原理示意图在初始试验力及总试验力的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，经规定时间后，卸除主试验力，由测量原残余压痕深度增量（h2h1）计算硬度值。洛氏硬度试验机 (点击图片观看视频)2、洛氏硬度特点 优点：操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件 缺点：测量数值分散，不如布氏硬度测量准确 3、洛氏硬度表示方法：第三节 冲击韧性一、概念： 冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度ku表示，ku越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。 二、冲击韧度 概念：冲击韧度反
7、应了材料抵抗冲击载荷的能力。 指标：冲击韧度ku=Aku/S （J/cm2） Aku冲击功，摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功， S 试样缺口处截面积。三、冲击韧性测量方法： 第四节 疲劳强度一、交变应力： 大小、方向随时间周期性变化的应力称为交变应力。二、疲劳现象： 材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂。三、疲劳极限： 材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力,它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。当循环的应力是对称循环交变应力时，疲劳强度用-1表示。本章小结 本章主要应掌握以下内容：1、强度的含义及其指标：屈服强度、抗拉强度。2、塑性的含义及其指标：伸长率、断面收缩率。3、硬
8、度的含义及其指标：布氏硬度、洛氏硬度。4、冲击韧度的含义及其指标：冲击功。5、疲劳强度的含义。第二章 碳素钢（上） 工程材料课件（金属材料及热处理）引言不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是成分相同的材料，当经过不同的热加工或冷变形加工后性能也会有很大差异。金属材料之所以具有不同的性能与它的内部原子排列规律和结构缺陷有密切的关系。纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。本章主要内容： 1金属的晶体结构2金属的实际晶体结构3金属的结晶过程和同素异构转变4合金的基本概念5铁碳合金的
9、基本组织6铁碳合金相图7碳素钢本章基本要求：1、了解金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论； 2、理解合金的基本概念； 3、理解铁碳合金的基本组织的概念和特点； 4、掌握铁碳合金相图主要点、线、区的含义以及典型铁碳合金的结晶过程； 5、理解钢中常存的杂质元素及其对钢的性能的影响； 6、掌握碳素钢的分类、牌号和应用。 本章重点难点： 1、金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论；2、合金的基本概念及铁碳合金的基本组织；3、铁碳合金相图；4、碳素钢的牌号和用途。第一节 金属的晶体结构一、金属是晶体 金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为非晶体与晶体两种。非晶
10、体：原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等。晶体特点：晶体的原子排列1、原子都按一定的次序作有规则的排列；2、具有一定的熔点；3、具有各向异性。如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。二、晶体结构的基本概念晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：晶格的最小单元，如下图所示。胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角、（轴间夹角）。晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-8cm。通常数值在2.55.0A之间。简单立方晶格 a=b=c , =各种金属元素的主要差别就在
11、于晶格类型和晶格参数的不同。三、常见晶格类型 常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1、体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示, 属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和-Fe(温度小于912纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。体心立方晶格2、面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示 。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和-Fe等（温度在1394912纯铁)。这类金属的塑性都很
12、好。密排六方晶格第二节 金属的实际晶体结构一、单晶体与多晶体金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体，如图所示。多晶体：是由多晶粒组成的晶体结构。晶界：晶粒之间的接触面。单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致)，如图所示。单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。 单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。二、晶
13、体的缺陷在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。晶体缺陷按几何形状可分为：1、点缺陷 晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。如图所示。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。2、线缺陷 线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。如图所示。3、面缺陷
14、面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。多晶体存在有晶界，由于晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，致使该区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变，如图所示。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全有规则的，而是由许多位向差很小的晶块所组成的。这些小晶块称为嵌镶块或亚晶粒。在亚晶粒的交界面，即亚晶界处也存在着晶格畸变，如图所示，它也是面缺陷。第三节 金属的结晶过程一、金属的结晶过程 1、基本概念结晶：是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程。冷却曲线：通过实验将金属液体缓慢冷却凝固过程中温度与时间的关系绘制成的曲线，如图所示。冷却曲线上有一水平段，就是纯金属的实际结晶温度，图中T0表示理论结晶温度，也就是金属的结晶速度恰好等于它的熔化速度时所对应的温度，显然当高于这个温度时，固态金属便不断熔化，只有当低于这个温度时，液态金属才会不断结晶。所以实际结晶温度必须在理论结晶温度以下，这种现象称为过冷。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差：T=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。晶核：形成规则排列的原子集团而
