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1、第一章 工程材料及其改性工艺理论基础,第一节 工程材料的主要性能 第二节 金属的结晶与合金的结构 第三节 铁碳合金的组织与状态图 第四节 高分子材料的基本知识,一、工程材料的力学性能 二、工程材料的物理、化学性能 三、工程材料的工艺性能,基本内容和要求,一、金属材料力学性能,1. 了解力学性能的种类、概念及指标。,2. 了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。,3. 了解各种硬度实验测试方法和应用范围。,4. 了解冲击实验方法和所测指标的意义。,金属材料的性能包含工艺性能和使用性能。,使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。,如：机械性能、物理性能、化学性能。,工艺性能：是指制造工艺
2、过程中材料适应加工的性能。,如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。,第一节 工程材料的主要性能,金属材料的性能,一、金属材料的力学性能,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。,机械性能,外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。,载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。,指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。,强度,金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。,单位: MPa(MN/mm2),分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。,静载单向静拉伸应力应变曲线,介绍拉伸实验： 弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 缩颈阶段 试样断裂,静载单向静拉伸应力应变曲线,介绍拉
3、伸实验： ob弹性变形阶段 bcd屈服阶段 db强化阶段 Bk缩颈阶段 k试样断裂,根据拉伸实验确定一些强度指标, 弹性极限e（elastic limit）,材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。,比例极限：p=Pp/Fo 应力应变保持线性关系的极限应力值,弹性极限：e=Pe/Fo,工程上，p、e视为同一值，,刚度,表示材料弹性变形抗力的大小。,弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。,E愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。,E=/ 杨氏弹性模量 ,应力应变的比值。单位 MPa, 屈服极限s（屈服强度或屈服点）,金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。,s=Ps/Fo,
4、条件屈服强度0.02 ,产生0.02%残余塑性变形的抗力的极限应力值。,用于无屈服点的中高碳钢。,脆性材料：b=s 灰口铸铁, 抗拉强度b （强度极限）,是试样被拉断前的最大承载能力，,b=Pb/Fo,（MPa）,（MPa）,材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值,屈强比,s与b的比值。,屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，,屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。,延伸率,3. 硬度, 布氏硬度,是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。,硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，,硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出 材料的其它机
5、械性能，因此在生产和科研中应用广泛。 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度， 压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,布氏硬度值HB是以试样压痕面积上的平均压力P/F表示。,即单位面积所承受的压力。,布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢球，以规定的 载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F计算出平均应力值，以此为布氏硬度 值的计量指标，并用符号HB表示。,布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、 正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地 轻软的轴承合金等原材料。,标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示
6、此硬度值120,在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。,简单标注：200230HB或300330HBS,布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料，,洛氏硬度（HR）,基本原理洛氏硬度属压入法 洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2）预加载 荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保证测量结果准确。洛氏硬度就是以,主载荷引起的残余压入深度（,来表示,）。,为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致采用一常数（k） 减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每0.002mm 压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）,洛氏硬度值公式如下
7、：,采用金钢石圆锥时k=0.2（用于HRA，HRC）,用钢球时k=0.26（用于HRB）。,布氏硬度实验,洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验,设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量， 然后取平均值。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度 。,维氏硬度（HV）,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度， 因而制定了维氏硬度试验法。,维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同， 是用一种顶角为136的金钢石角锥压头，在载荷p（kgf）作用下，试样 表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm）供以计算压痕 面积
8、F（m）以P/F的数值表示试样的硬度值。,维氏硬度值表示方法为HV硬度数值，有时为反映试验条件在硬度数值 前用下标加上负荷，例如HV20232，20为加载负荷。,维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及 化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等， 小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,宋昭祥,4. 冲击韧性（Ak或ak ）,韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度,冲击韧性（Ak） ：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。,单位为焦耳/厘米（J/cm）,ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F,ak值低
9、的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。,ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,Ak=mg(h1-h2),冲击韧性实验,Ak=h1-h2,5. 疲劳强度-1,80%的断裂由疲劳造成,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化， 交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小 于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂 的最高应力值。,条件疲劳极限：经受10 应力循环而不致断裂的最大应力值。,7,陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高， 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,影响因素：循环应力特征、温度、材料
10、成分和组织、夹杂物、 表面状态、残余应力等。,（一）、金属材料的物理性能,1. 密度,2. 熔点,3. 导电性,4. 导热性,5. 热膨胀性,6. 磁性,二、工程材料的物理、化学性能,（二） 、金属材料的化学性能,化学性能,指金属材料与周围介质扫触时抵抗 发生化学或电化学反应的性能。,耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。,2. 抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧 化皮的能力。,耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等,如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等等,三、金属材料的工艺性能,指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。,工艺性能,1.铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工
11、艺性能，,包括：流动性能、收缩性、偏析等。含碳量越高，铸造性越好。,2.焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。,3.锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。,含碳量越高，焊接性越差。,含碳量越高，锻造性越差。,4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。,包含：刀具耐用度较高；切削力较小，切削温度较低。,容易获得良好的表面加工质量。,容易控制切屑的形状或容易断屑。,5.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。,含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。,含碳量越高，冲压性越差。,6.热处理工艺性：指材料被热处理时
12、达到性能等要求的难易程度。,如：淬硬性、淬透性。,一、金属的晶体结构,晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则 的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。 非晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间无规 则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等,1 纯金属的晶体结构,晶体结构晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式.,晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。,晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。,晶格常数晶胞的三个棱边的长度a,b,c,第二节 金属的结晶与合金的结构,(一) 常见的金属晶体结构, 体心立方晶格（BCC Body-Centered Cube）,有：钼（Mo）、钨
13、、钒、铬、铌、-Fe等, 面心立方晶格（FCC Face-Centered Cube）,密排六方晶胞（HCP Hexagonal Close-Packed）,面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、金、银、-Fe等。,密排六方晶格金属有：镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。,(二) 金属晶体中的晶面和晶向,晶面晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称晶面。,晶向晶体学中，通过晶体中原子中心的直线为原子,列，其所代表的方向叫晶向。,晶面和晶向可分别用晶面指数和晶向指数来表达。,X,Y,Z,(001),(100),(010),（1）晶面和晶向的表示方法, 立方晶系的晶面表示方法,举例：（100）、（110）,（
14、111）、（010）等,晶面族：原子排列完全相同但在空间位向不同。,如：111、100,110等, 立方晶系的晶向表示方法,举例：111、100、110、 101 等。,晶向族：原子排列完全相同但在空间位向不同。,如：,X,Y,Z,111,100,110,011,101,立方晶系中如一个晶面指数和一个晶向指数数值和符号相同时，则该晶面和该晶向互相垂直。 如：（111）111,（2）密排面和密排方向,体心立方晶格中110为密排面， 为密排方向。 面心立方晶格中111为密排面， 为密排方向。,（三）金属晶体的特性, 金属有确定的熔点。, 金属晶体有各向异性（单晶体）。, 晶体排列有规则的、周期的长
15、程有序（纳米级）。,具有规则的外形。,（四）实际金属中的晶体缺陷,（1）点缺陷三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。, 空位, 空位, 间隙原子, 异类原子, 间隙原子, 异类原子,（2）线缺陷二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。, 刃型位错, 螺型位错, 刃型位错,（3）面缺陷二维尺度很大而第 三维尺度很小的缺陷。, 晶界, 亚晶界,晶界,二、金属的结晶,凝固：液态L固态S S可以是非晶体。,结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态（晶态）的转变过程。,一次结晶：LS晶态,二次结晶：SS晶态,一、纯金属结晶的条件,1 纯金属冷却曲线,液态金属在结晶时的温度时间曲线,过冷度理论结晶温度 和实际结晶温 度之差。,T = T0Tn,冷速越快，过冷度越大,过冷指液态金属实际 冷却到结晶温度 以下而暂不结晶 的现象。,2 纯金属结晶的条件,F,T,T,F,F固,F液,F=,F固,F液0,结晶驱动力,自然界的自发过程进行的 热力学条件都是F0,只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力F大于 建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。,自由能,温度,3、纯金属的结晶过程,.形核自发形核 非自发形核,.长大平面长大,树枝状长大,结晶过程,-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc),1394,912
