吉林大学1材料概论

机械工程概论 绪论 一、机械工程概论的主要内容 1、机械工程材料 材料是人类赖以生存及发展的基础，社会的进步与材料的发展密切相关 石器时代 -青铜器时代 -铁器时代 -近代钢铁、高分子材料 材料的基本分类： 1）金属材料、 2）无机非金属材料、 3）高分子材料 材料学习的主要内容： 1、材料的组织和性能、钢铁材料的分类、编号 2、改善钢铁材料性能的方法 3、金属热处理的原理、工艺方法、特点、适用范围2、机械制造工艺方法材料成形技术 机械制造的基本流程： 矿石冶炼 金属材料 铸造、压力加工、焊接（材料热加工） 毛坯或零件 切削加工（车、铣、刨、磨等材料冷加工） 热处理 零件 装配 机器 材料成形技术研究的对象： 1、铸造： 铸造的原理、工艺方法、特点、适用范围 2、压力加工： 压力加工的原理、工艺方法、特点、适用范围 3、焊接： 焊接的原理、工艺方法、特点、适用范围 4、切削加工： 切削加工的原理、工艺方法、特点、适用范围二、目的和任务 1、掌握金属材料的基本知识 2、掌握各种成形方法的工艺过程、特点和应用范围 3、掌握各种成形工艺方法与结构工艺性 4、掌握工艺方法与金属材料的关系 三、基本要求 1、按时上课，遵守课堂纪律，不得无故缺席、迟到和早退。 2、按时完成作业，不得互相抄袭，要独立完成作业。 3、主动提出问题和答疑 4、实验项目不得缺席，闭卷考试 四、必备基础知识 金工实习、机械制图第一篇 材料的基本知识 第一章 材料的机械性能 材料的性能主要是 力学性能 、 物理性能 、 化学性能 和 工艺性能 材料在外力 (载荷 )作用下所表现出来的性能，称为机械性能，或力学性能。 机械性能是衡量材料的重要指标，亦是选择材料的重要依据。 机械性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 物理性能是指比重、熔点、导电性、导热性和磁性等。 化学性能是指耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。 工艺性能是指材料是否易于进行热、冷加工获得优质产品的性能，如铸造性、可锻性、焊接性；切削加工性等。它们实质上是材料机械性能、物理性能、化学性能在成形和加工过程中的综合反映 。11 强度与塑性 强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 根据外力性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等等。 强度是通过拉伸试验测定的。 拉伸试验时，将加工好的标准拉伸试样安装在材料试验机上，并对试样施加轴向静拉力。随着拉力的增加，试样产生变形，直到拉断。 以试样所受外力（ P） 为纵坐标，伸长 L为横坐标，绘出载荷与伸长的关系曲线 -拉伸曲线（应力 -应变曲线）。 应力：单位面积上的作用力 ,单位： (N/m2)Pa 工程上常用 MPa=106Pa 应变：单位长度上的变形， %低碳钢的拉伸曲线分析 当载荷到达 S点以前，试样产生的变形为弹性变形。 当载形超过 S点，试样开始产生明显的塑性变形。 在 S点附近，曲线出现水平线段，表明载荷不增加，试样还继续发生塑性变形，即试样丧失了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服 。 S点为屈服点 。 低碳钢的拉伸曲线分析 载荷超过 S点 后，变形量随着载荷的增加而急剧增加。该阶段称为强化阶段。 当载荷达到 B点后，试样上出现缩颈现象。拉伸曲线开始下滑。 由于缩颈处横截面积的缩小，则继续变形所需的载荷下降，试样很快在 K点断裂。强度的计算方法 产生屈服现象时的应力称为屈服强度，用符号 s来表示，即： 屈服强度 s = Ps / Fo 式中 s -屈服强度 ， MPa Ps-试样产生屈服时的载荷 ， N Fo 试样原横截面积 ， m2 材料在断裂前所能承受的最大应力，称为抗拉强度，用符号 b 来表示，即： 抗拉强度 b =Pb/ Fo 式中 b-抗拉强度 ， MPa Pb -试样在断裂前所承受的最大载荷 ， N Fo 试样原横截面积， m2 关于屈服强度 但有些钢铁材料在拉伸曲线上没有明显的水平线段，它的屈服强度很难测定，通常规定产生 0.2%塑性变形时的应力作为屈服强度，用 0.2来表示，称为条件屈服强度。 屈服强度 s 和抗拉强度 b 是评定钢铁材料的重要指标，是设计和选材的主要依据之一。因为钢铁材料不能在超过 s 的条件下工作，否则会引起机械零件的塑性变形；钢铁材料也不能在超过 b 的条件下工作；否则会导致机械零件的破坏。 Ps0.2%P L二、塑性 塑性是钢铁材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 由拉仲试验可以得到材料的两种塑性指标。 1、延伸率 = （ L1 L0） / L0 100% -试样的 延伸率 ； L1 - 试样拉断后的标距长度， mm； L0 - 试样原标距长度， mm。 2、 断面收缩率 = （ Fo F1 ） / Fo100% - 试样的断面收缩率； Fo - 试样原截面积 ， mm2； F1 - 试样拉断后的断口截面积 mm2； ， 和 的数值越大，说明钢铁材料的塑性越好；反之亦然。1-2 硬度 硬度是指钢铁材料抵抗更硬物体压入其内的能力，或表示钢铁材料在局部体积内抵抗塑性变形的能力。 一、布氏硬度 布氏硬度是用一定的载荷，把直径为 D的钢球压入被测材料的表面，数秒钟后，卸去载荷，用读数显微镜测出压痕直径 d， 根据 d， 从已备好的表中查出硬度值。 硬度值愈高，表示钢铁材料愈硬；布氏硬度用符号 HBS来表示，它适用于测量布氏硬度在 450 HBS以下的材料，如测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁等的硬度 。二、洛氏硬度 洛氏硬度是用金刚石压头压入试样表面，然后根据压痕深度计算的硬度值，或从硬度计上直接读出的硬度值。 洛氏硬度用符号 HRC表示， HRC数值愈大，硬度愈高。 适用范围为 2067 HRC。 洛氏硬度试验操作简便、迅速、可测定淬火钢及白口铸铁的硬度。 洛氏硬度值与布氏硬度值之间的关系， 30HRC=300HBS。 硬度与强度的关系 材料的强度越高，硬度值也越高。 强度与布氏硬度有如下的近似关系，可供换算： 低碳钢 b=（ 0 34 0 36)HBS 铸钢件 b =(0 3 0 4)HBS 灰口铸铁件 b = 0 1 HBS l3 冲击韧性与疲劳强度 一、冲击韧性 冲击韧性是指钢铁材料抵抗冲击载荷的能力。 目前，工程技术上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定钢铁材料的冲击韧性。 ak=Ak/F J/cm2 式中 Ak-冲断试样所消耗的冲击功 ， J F-试样缺口处的横截面积cm2二、疲劳强度 钢铁材料在交变应力（该应力远小于屈服强度）长时间作用下发生断裂现象叫做疲劳断裂 (或疲劳破坏 )。 不论是脆性材料或韧性材料，在疲劳断裂时，都不会产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的。因此具有很大的危险性。 钢铁树料经无数次重复或交变应力作用而不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度。通常用 -1表示。 因实际上不可能进行无数次试验，故各种材料应有一定的应力循环基数 (以 N表示 )，如钢材以 107为基数，即钢材的应力循环次数达到 107 次仍不发生疲劳破坏，就认为不会再发生疲劳破坏了。 有色金属和某些超高强度钢则常取 106 为基数 。 第二章 纯铁及铁碳合金 -1 铁的结晶及铁碳合金的基本组织 合金：在一种金属元素中加入其它元素，经熔炼得到的具有金属性质的材料。 如：钢是 e 二元合金、铸铁是 e - i三元合金 一、晶体的概念 1、晶体：原子有规则排列形成的物质 a、 有一定的熔点 b、 各向异性 2、晶格：用点（原子所在位置的中心）线连接构成的，用以描述原子排列规律的空间格子。 3、晶胞：反映晶格原子排列规律的最小单元。二、纯铁的晶体结构 常见金属的晶格类型： 、体心立方晶格 具有较大的强度、较好的塑性。 纯铁、铬、钨、钒在一定温度下具有该种晶格。 、面心立方晶格 塑性好。 纯铁、铝、金、镍在一定温度下具有该种晶格 。三、纯铁的一次结晶 、纯铁一次结晶的冷却曲线 。 n ： 实际结晶温度 0：理论结晶温度 因为结晶过程放出结晶潜热，所以冷却曲线出现平台，该平台为结晶过程，拐点为结晶的开始与结束。 过冷度： 0 n 冷却速度增大，过冷度增大， 实际结晶温度降低，结晶速度加快 。、金属的结晶过程 凝固过程 结晶的基本规律： 1、晶核形成， 2、晶核长大。 晶核形成： 1、自发形核：液体中自身原子形核。 2、异质形核：液体中的不熔的杂质质点形核。 晶核长大： 以树枝状晶方式长大。最后长成外形不规则的小颗粒 -晶粒。 过冷度增大，形核数目增多。3、晶粒及细化晶粒的方法 金属材料是由很多大小不同、外形不规则、晶格排列方向不同的晶粒组成。称为多晶体。晶粒的边界称为晶界。 晶粒越细小、机械性能越好。 细化晶粒的方法： 1、提高冷却速度，形核数目增多。 2、变质处理，加入外来异质晶核。 3、结晶时进行震动或搅拌，打碎树枝状晶，增多晶核数目 。四、纯铁的同素异构转变 1、同素异构转变： 固态下金属随着温度的变化，发生的晶格类型的转变。 -Fe （ 体心） -Fe （ 面心） -Fe （ 面心） -Fe （ 体心） 纯铁具有两次同素异构转变，只有少数金属具有这种转变。 同素异构转变的特点 1、 同素异构转变 发生晶体结构转变。 2、是固态下的结晶过程，称为重结晶或二次结晶，以区别于液态金属的一次结晶。 3、遵循结晶的基本规律，即晶核的形成和晶核的长大。 4、可以细化晶粒。 5、发生体积变化，产生较大的内应力。称为相变应力。五、铁碳合金的基本组织 铁与碳相互作用可以形成： 1、固溶体：有铁素体、奥氏体 2、金属化合物：渗碳体 3、机械混合物：珠光体 铁素体（）：碳在 - e中形成的固溶体。性能接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性高。 奥氏体（）：碳在 - e中形成的固溶体。高温下存在的组织。性能：塑性高。 渗碳体（ F3C）： 铁和碳形成的金属化合物。性能又硬又脆，可以作为金属组织的强化相。 珠光体（ P）： 铁素体和渗碳体的机械混合物 。 性能：强度较高。五、铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态图 一、铁碳合金状态图中主要点和线的意义 、特性点 A点，纯铁的熔点，1538 C=0 C点，共晶点， 1148 C=4.3 D点，渗碳体的熔点，1227 C=6.69 E点， 碳在 e中最大溶解度点。也是钢与生铁的分界点。1148 C=2.11 S点，共析点， 727 C=0.772一些主要线的含义 ACD线 液相线，液态合金冷却到此线时开始结晶。在此线以上的区域为液相 。 AECF线 固相线，当合金冷却到此线，金属液全部结晶为固相。在此线以下的区域为固相。 ECF线 共晶线， (1148) 。 PSK线 共析线， (727) 。 GS线 冷却时，从奥氏体中结晶出铁素体的开始线，通常称为 A3线。 ES线 碳在 -Fe中的溶解度线，通常也称之为 Acm线。共晶线与共析线 ECF线 共晶线。碳在 2.116.69的合金，当冷却到此线时(1148) ，都将发生共晶转变。液态转变为固态 。 L4.3% A2.11%+Fe3C6.69% (1148) 转变产物称为莱氏体。又称为共晶体。它是奥氏体和渗碳体的机械混合物。 727 以下的莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物，用 L表示。 PSK线 共析线，通