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1、机械工程材料第二章 工程材料的基础知识 1 工程材料的性能表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能1. 使用性能物理、化学、力学性能2. 工艺性能铸造、锻、焊、切削等重点掌握各种力学性能指标(强度，塑性；冲击韧性；硬度 HB HRC HV疲劳强度, 断裂韧性)的物理意义和单位。1.1 工程材料的力学性能一、静载单向静拉伸应力一一应变曲线拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线曲线分为四阶段：1 阶段I (oab)弹性变形阶段a: P p ， b: Pe (不产生永久变形的最大抗力)oa段： Lx P直线阶段ab 段：极微量塑性变形( 0.001-0.005% )2阶段II (bed)段一一屈服变
2、形c: 屈服点 Ps3阶段III (dB)段一一均匀塑性变形阶段B:Pb 材料所能承受的最大载荷4 阶段IV(BK)段一一局部集中塑性变形：颈缩铸铁、陶瓷：只有第 I 阶段中、高碳钢：没有第 II 阶段二、材料的强度一一材料所能承受的极限应力d =P/ Ao 表示材料抵抗变形和断裂的能力 单位：MPa(MN/mnf)1 抗拉强度d b= Pb/A o材料被拉断前所承受的最大应力值(材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值)。2 屈服强度 d s和条件屈服强度 d 0.02a:d s=Ps/Ao(d s代表材料开始明显塑性变形的抗力，是设计和选材的主要依据之。)b：d 0.02 条件屈服强度（中高碳钢
3、、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。） 脆性材料：CT b= b s灰口铸铁3 .疲劳强度 C -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107应力循环而不致断裂的最大应力值。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、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。三、塑性：1. 延伸率Lk：试
4、样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关，5 ,10 （Lo=5do, 10d o）2断面收缩率= F/F o=（Fo-Fk）/F o x 100%越大，塑性愈好；Kc时，裂纹失稳扩展，发生脆断。K = Kc时，裂纹处于临界状态KKc ,失稳扩展。(2) 已知内部裂纹2a,计算承受的最大应力。(3) 已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。1.2工程材料的其它性能一、热学性能材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。1 热膨胀原子(或分子)受热后平均振幅增加(1) 体积膨胀系数 3(2) 线膨胀系数a结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨
5、胀系数越小。2. 热传导自由电子的运动和晶格振动。导热系数 入：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量：3. 热容: 材料在温度升高 10C 时所吸收的热量叫做热容。 一克物质的热容也叫比热。二、电学性能1导电性R=p L/ S电阻率：p电导率：1/ p超导体：p 0、导体：p =10-8-10-5半导体：p =10-5-107、绝缘体：p =10 7-1022三、磁性1 物质接磁性分类： 抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质 2磁化率磁化强度M= X- HX :磁化率（或磁化系数）3. 导磁率B = H （卩：介质导磁率） 4磁弹回线和矫顽力四、比重和熔点1 .比重 2 .熔点五、耐
6、磨性能六、抗蚀性能 2 工程材料的晶体结构 对材料的认识：宏观；微观。材料结构 微观认识。如：晶体结构 重点掌握 1. 有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶 体，三种常见的金属晶格，实际晶体的缺陷；2. 合金相结构的基本类型：固溶体、化合物及混合物，以及这些合金相结构的 结构特点与性能特点。3. 金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素；4. 二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；5二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图；6. 杠杆定律及其应用。 一般要求 1. 晶格的致密度，晶体的各向异性；2. 金属中的扩散。
7、3. 复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标4. 有关滑移和孪生的理论解释。5. 金属铸锭的组织特征及缺陷；6. 形成稳定化合物的相图；7. 合金相图与性能的关系；2.1 金属的晶体结构和结晶一、金属的晶体结构（一）晶体点阵和晶胞晶体：是指由许多质点（原子、离子、分子）在三维空间呈周期性规则排列所构成的固体。这种规 则排列是由于原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。晶体点阵：用来描述晶体中原子（离子、分子）排列规则的空间构架模型称为晶体点阵。 晶胞：晶体点阵的一个基本单元。晶格常数：三个棱边长用a、b、c表示，大小以埃为计量单位。三个棱边之间的夹角用（二）常见的三种晶体结构（在金属元素中
8、，约由百分之九十以上的金属晶体都属于这三种晶格形 式）1、体心立方晶体结构 BCC Body-Centered Cube2、面心立方晶体结构FCC Face-Ce ntered Cube3、密排六方晶体结构HCP Hexago nal Close-Packed金属晶体的典型晶体结构重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,=90o2868%BCCa=b=c, =90o41274%HCPa=bc,c/a=1.633,=90o,=120oa/261274%其中原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的 两个原子间距的一半。配位
9、数：是晶格中与任一原子处于等距离且相距最近的原子数目。致密度：金属晶胞中的全部原子的体积占晶胞总体积的百分数。（三）晶向指数、晶面指数1、晶向指数晶向是晶格中各种原子列的位向，晶向指数即是用来描述晶向的一种符号。如图2-13，以表示。2、晶面指数晶面是指各种不同方位上的原子面，而用来描述晶面位置的符号称为晶面指数。如图2-14,以（） 表示。二、多晶体结构及晶体缺陷1、单晶体：内部晶格位向完全一致。2、多晶体结构：由许多位向各不相同的单晶体块组成，即由多个晶粒组成的晶体结构。3、晶体缺陷：原子偏离规则的不完整区域。1）点缺陷：三维方向尺寸都很小。 分为 空位、间隙原子、置换原子 特点：它们的存
10、在使其周围临近原子偏离平衡位置，造成了点阵畸变，即晶格畸变，引起材料的进 一步变形困难，达到强化效果。2）线缺陷：某一方向尺寸很大，而三维空间的其它两个尺寸小，即晶格中的“位错线”或简称“位 错”。所谓位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果，晶体滑移部 分与未滑移部分的交界线即为位错线，是金属塑性变形的一种。3）面缺陷：两个方向尺寸很大，而第三方向的尺寸很小，即为晶界。由于晶界处原子排列不规则，晶体处于畸变状态，存在畸变能，是杂质原子聚集的场所，也是金 属材料发生损坏失效的策源地。 （是因为晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的） 。这种畸变 也导致材料的强化细晶强化。三、纯金属的结晶及其组织1结晶与凝固的区别凝固：LSS可以是非晶态或晶态结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程次结晶：LS晶态二次结晶：S-S晶态2 .结晶驱动力 FW 0,而不是过冷度 AT自然界的自发过程进行的热力学条件都是 FW0体系中各种能量的总和叫做内能t U,其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能t F, F=U-T（熵）a 当温度TTm时，FsFL,液相稳定b 当温度TTm时，FsFL,固相稳定c 当温度T=Tm时，Fs=FL, 平衡状态Tm理论结晶温度Tn：实际
