第二章节_机械工程材料基础幻灯片

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1、第二章 机械工程材料基础,1. 材料的主要性能 2. 金属和合金的晶体结构与结晶 3. 铁碳合金 4. 钢中的合金元素 5. 常用金属材料 6. 其它工程常用材料,2.1 材料的主要性能,2.1.1工程材料的力学性能 1.强度 强度：金属材料在外力作用下都会发生一定的变形，甚至引起破坏。其抵抗永久变形和断裂破坏的能力称为强度。 (1) 静载强度,测定强度的最基本方法是拉伸试验,弹性变形 指外力去掉后变形能全部消除，恢复原状的变形【oe段】。拉伸曲线为一条直线，完全符合胡克定律。 e为弹性极限。 刚度图中Op为直线，表示应力()与应变()成正比。P点是保持这种正比关系的最高点，p称为比列极限。p

2、与e在数值上很接近，应用时两者常取同一数值。刚度指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在弹性范围内，应力与应变成正比，其比例常数称为弹性模量E。 塑性变形 当载荷超过e点时，试样开始永久变形。,屈服 当载荷继续增加到s点时，试样所承受的载荷不增加，但也继续产生塑性变形，图中出现了水平线段。s点为屈服点；Re称为屈服极限。 “缩颈”现象 当载荷继续增加到b点时，试样的局部截面积缩小。因为缩颈处截面积变小，所能承受的载 荷也就下降，当到k点时试样被拉断。 抗拉强度 金属在拉断前承受的最大拉应 力称为抗拉强度Rm。 屈强比 Re/Rm的比值。 屈强比越小构件可靠性 越高，但若太小材料强 度的有效利用

3、率太低。 工程上在保证安全的 前提下希望屈 强比高些。,（2）变载时的强度 零件在交变载荷作用下工作时，经过较长时间使零件发生断裂，这种破坏现象称为疲劳破坏。疲劳断裂时不会产生明显的塑性变形，而是突然发生，危险性极大。 疲劳极限（强度）金属材料在经受无数此重复或交变载荷作用而不发生疲劳破坏（断裂）的最大应力。 碳素钢：-1(0.40.55) Rm 灰铸铁：-10.4Rm 有色金属：-1(0.30.4) Rm,（3）高温强度 金属材料在高于一定温度长时间的工作。承受的应力即使低于屈服点s，也会出现缓慢塑性变形，这就是所谓的“蠕变”。材料的高温强度有蠕变极限和持久强度来表示。蠕变极限是指金属在给定

4、温度下和规定时间内产生一定变形量的应力。如：0.1/1000600=88MPa持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内，使材料发生断裂的应力。100800=186MPa,2.塑性 塑性：金属材料在外力作用下，产生不可逆永久变形而不破坏的能力，称为塑性。,伸长率A A=（lu-l0) l0100% 式中l0-式样原始的标尺长度（mm） l-式样受拉伸断裂后的长度(mm),断面收缩率Z Z =（s0-su）s0100% 式中s0-式样的原始截面积（mm） Su-式样拉断后的最小截面积（mm）,3. 硬度 硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力 (1)布氏硬度,布氏硬度是用单位压痕面积的力作为

5、布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示,表2-1 布氏硬度试验规范,(2)洛氏硬度,指标有HRA、HRB、HRC 见P23表1.3,(3)维氏硬度 维氏硬度是根据单位压痕面积上所承受的平均压力来计算的，指标HV,4.冲击韧度 冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力称为冲击韧度。 冲击韧度用在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示，ak=AK/A0 冲击性能受温度的影响很大，多数材料的冲击功随温度下降而减少，材料由韧性变为脆性，该温度称为冷脆转化温度TK。 TK越低，材料的低温性能越好。,5.断裂韧度 断裂韧度：在弹

6、塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。K1=Ya0.5 断裂韧度为安全设计提供了一个重要的指标。对于一种特定的材料而言，它是一个常数，可以根据它来确定应力和裂纹尺寸间的关系。高强度材料的断裂韧度低，低强度材料的断裂韧度高。因些，理想的材料是强而韧，在不可兼得的情况，可以略为降低强度来保证足够的韧度较为安全。,6.耐磨性 耐磨性：一定的工作条件下材料抵抗磨损的能力。 耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。 耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响。在大多数情况下，材料的硬度越大，则耐磨性越好。,7.粘弹性

7、 粘弹性：材料在外力作用下，产生的变形随时间呈线性增加，而当外力去除后，剩余应变随时间不断松驰的特性，具体表现为蠕变、应力松驰、滞后和内耗。 蠕变：在高温下长时间工作的金属材料或常温使用的高聚物均可能发生的缓慢的塑性变形。 应力松驰：材料受力变形后所产生应力随时间而逐渐衰减的现象称为应力松驰。 滞后和内耗：加载和卸载时，应力和应变不一致的情况，见P26图1.32,1.电性能 导电性能：材料传递电流的能力。 介电性能：电介质或介电体在电场作用下，虽然没有电荷的传输，但材料仍对电场表现出某些特性，这就是介电性能。 2.磁性能 磁性能对磁场的响应特性。 3.光学性能 指材料在受到波或粒子的辐射时所呈

8、现的反应特性。 4.热性能 热性能包括热容、热导率和热膨胀系数。,2.1.2工程材料的物理性能,1.抗氧化性 金属的抗氧化性并不是说在高温下不氧化，而是指在高温下迅速氧化后形成一层致密的氧化膜，覆盖在金属表面，使钢不再继续氧化。 2.抗腐蚀性能 指材料抵抗环境而造成的化学或电化学反应所引起的损坏能力。,2.1.3工程材料的化学性能,2.1.4工程材料的工艺性能,主要指铸造性可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等,2.2.1金属的晶体结构,1. 金属理想的晶体结构 晶体：当材料处于固体状态时，若组成它的离子、原子或分子在三维空间呈有规则的长距离（大大超过原子或分子尺寸）的周期性重复排列，即具有长

9、程有序，这一类固体物质称为晶体。（绝大多数物质都是晶体 如：金刚石、石墨及一切固态的金属和合金） 非晶体：原子作不规则排列、无固定熔点、表 现 为各向同性 （只有少数物质属于非晶体 如：松香、普通玻璃、沥青、石蜡和赛璐珞等）,2.2 金属和合金的晶体结构与结晶,晶体中原子排列示意图,晶格或点阵：把晶体中的原子想象成几何结点，并用直 线从其中心连接起来而构成的空间格架。 结点：晶格中直线的交点，代表原子在晶体中平衡位置 晶面：通过结点的任一平面。 晶面：通过结点任一直线所指的方向。 晶胞：能反映空间晶体排列方式的基本单元称为晶胞。 它代表着整个晶格的原子排列规律。,常见纯金属的晶格类型,（1）体

10、心立方结构,原子数：181/8=2 典型金属：-Fe、Cr、Mo、W、V等 性能特点：强度很高，塑性较好 致密度：68（原子占有晶胞体积的百分数）,（2）面心立方晶格,原子数：6(1/2)8 (1/8)=4 典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt 性能特点：塑性极好 致密度：74,(3)密排六方晶格,原子数32(1/2)12(1/6)=6 典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、- Ti、- Co 性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间 致密度：74,2.金属实际晶体结构,单晶体: 结晶方位完全一致的晶体。 多晶体: 由多晶粒组成的晶体结构。 每个小晶体的晶格是一样的，而各个小晶体之

11、间彼此方位不同，且具有不规则的颗粒状外形，故每个小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界限称为晶界。 常温下，晶粒越细小，强度越高，塑性，韧性越好。 单晶体 多晶体,晶格缺陷： a.点缺陷 b.线缺陷 c.面缺陷（晶界和亚晶界）,3.合金的晶体结构,（1） 合金的相、组织及其关系 由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金 组成合金的最基本、最独立的物质称为组元。一般来说组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。有两种组元组成的合金称为二元合金 液态合金结晶时，合金组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相，相是指合金中成分相同、结构相同，并与其他部分以界面分开

12、的均匀组成部分 合金的组织是用金相显微镜观察法，在金属及合金内部看到的涉及各相（晶体或晶粒）大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。,（2） 固溶体,当合金由液态结晶为固态时，合金组元间仍能互相溶解而形成单一均匀、并能保持某一组元晶格的合金固相，称为固溶体。如碳的原子能够溶解到铁的晶格里，这时铁是溶剂，碳是溶质。 （1）置换固溶体溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格的结点位置所形成的固溶体。（当溶剂和溶质原子直径相近时易形成） （2）间隙固溶体溶质原子不是占据晶格结点位置而是分布在晶格间隙所形成的固溶体。（当溶质原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时才能形成）,溶剂原子,溶质原子,a）

13、置换式固溶体,溶剂原子,溶质原子,b）间隙式固溶体,固溶体的两种类型,（3） 金属间化合物,当合金中溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶体结构与合金其它组元的相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质化合物。如Fe3C 金属化合物的性能：熔点高、硬度高，脆性较大，适于做合金的强化相。当它们与固溶体适当配合时，对材料的强度、硬度耐磨性、高温硬性以及工艺性能均有非常重要的意义。,（4） 合金性能, 固溶体和固溶强化 在固溶体中，溶质原子的溶入将造成晶格畸变，并随着溶质原子浓度的增加，晶格畸变增大，从而导致固溶体的强度和硬度

14、升高，其他性能未发生变化，这种现象称为固溶强化。 化合物与第二相强化 化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。 因此，化合物很少作为单相合金材料，而是与固溶体组成复相合金材料。化合物作为第二相可提高合金材料的强度，又称第二相强化。,形成置换固溶体时的晶格畸变 形成间隙固溶体的晶格畸变,1.金属的结晶过程,2.2.2金属的结晶过程和同素异构转变,由液体金属冷却时温度和时间的变化关系作出冷却曲线。,t为理论结晶温度，t为实际结晶温度 过冷度t=t-t,液态金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内进行的。首先是晶格的形成，其次是晶核的长大。在晶核长大的过程中，又不断形成新的晶核，它们也同

15、样地形成晶体。所以结晶过程实质上是晶核不断形成、不断长大的过程,形核（自发形核、非自发形核） 长大 晶核的长大有平面长大和树枝状长大两种方式 树枝晶的形成 由于金属容易过冷，因此实际金属结晶时一般均以长大方式结晶。在一些金属铸锭表面可见到呈浮雕状的树枝晶,1）自发形核 从液体内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。,2）非自发形核 实际金属往往是不纯净的，内部含有很多杂质。那些晶体结构和晶格参与金属晶体相似的杂质的存在，常常能够成为晶核的基底，容易在其上长出晶核。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。,平面长大 在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。晶体沿最密排列的垂直方向长大速度最慢。 树枝状长大 当冷却速度过大， 特别是存在有杂质时，晶体 与液体界面的温度会高于近 处液体的温度，形成负温度 梯度，这时金属晶体往往以 树枝状的形式长大。 （该方式比较普遍）,2.金属的同素异构转变,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。,铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,铁的同素异构转变,（1）匀晶相图,匀晶相图 特点：液态、固态均无限互溶 同类： Cu-Ni、 Cu-Au、 Au-A