课件：第一讲性能及晶体.ppt

机械工程材料,第一讲 工程材料的基础知识,机电产品的制造过程，首先要解决的是根据产品的使用条件，分析对材料的性能要求，确定所用的材料。 本讲主要介绍材料的种类、组织结构与性能。,一、工程材料的分类,二、金属材料的性能,材料的性能包括工艺性能和使用性能两类。 工艺性能：是指材料对某种加工工艺的适应性。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。 使用性能：是指金属材料在使用过程中所表现出来的性能，是保证工件的正常工作应具备的性能。包括力学性能、物理性能、化学性能。 本节主要介绍使用性能，工艺性能以后介绍。,一、力学性能 力学性能是材料在各种载荷作用下表现出来的性能。它不仅是产品设计的依据，还是对产品加工过程实行质量控制的重要参数。 常用的力学性能有：强度，塑性，硬度，冲击韧度，疲劳极限，弹性，刚度 1、强度 定义：在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。 意义：强度是零件设计和选材的主要依据。 指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度 测量：拉伸试验机,（1）弹性极限e 材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值，表征材料发生微量塑性变形的抗力。 （2）屈服强度s 材料发生屈服现象时的应力值，表征材料开始发生明显的塑性变形。 （3）抗拉强度b 材料在拉伸载荷作用下所能承受的最大应力值，表征材料的断裂抗力。,2塑性 定义：材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。 指标：工程上常用断后伸长率和断面收缩率作为材料的塑性指标。材料的和值越大，塑性越好。,3硬度 定义：指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。 指标：与试验方法有关：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,（1）布氏硬度HBS： 淬火钢球压头，压痕大，不能测太硬的材料，适用于测量退火和正火钢、铸铁、有色金属等材料的硬度。,（2）洛氏硬度HR： 锥角为120的金刚石圆锥体压头，适用于调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。 洛氏硬度与布氏硬度相比压痕小，软硬材料都可以测量。,（3）维氏硬度HV： 锥面角为136 的金刚石四棱锥体为压头，适于测定薄件和经表面处理零件的表面层的硬度，如渗碳层、表面淬硬层、电镀层等，以及微观组织的硬度。 维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压痕小，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度。 由于硬度测量简便、快捷、不破坏试样，在一定条件下能反映材料的其它力学性能，所以硬度测量应用极为广泛。,4、冲击韧性 定义：指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，是材料强度和塑性的综合表现。 指标：冲击韧度k 测定：一次弯曲冲击实验法 对材料的意义： （1）k 对材料内部缺陷很敏感（可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量）； （2）k 随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象。,5、疲劳强度 -1 交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力。 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。 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。 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。（纯弯曲疲劳极限用-1表示）,第二讲 金属的晶体结构与结晶,不同的材料具有不同的性能，即使成分相同的材料，经不同的热处理后也会使性能产生很大的差异，其根本原因在于材料的内部结构不同。因此，研究金属材料的内部组织结构，对于掌握材料的性能是非常有意义的。,一、纯金属的晶体结构,1、晶体结构的基本知识 （1）晶体与非晶体 晶体：原子规则排列的物体（金刚石、固态金属及合金) 非晶体：原子无规则堆积的物体（玻璃、松香、石蜡 ） 晶体特征：固定的熔点，各向异性 （2）晶格与晶胞 晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架 晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元,2019/8/20,15,可编辑,2、常见的晶格类型,二、纯金属的实际晶体结构,1、多晶体结构 单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性） 多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性） 晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体 晶界：晶粒之间的界面,2、晶体缺陷 （1）点缺陷空位和间隙原子 点缺陷 导致晶格畸变强度高，硬度大 空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主要方式之一。温度，空位 （2）线缺陷位错 位错密度大 强度高 （3）面缺陷晶界、亚晶界 晶粒细晶界面积大强度高,三、 合金的晶体结构,同纯金属相比，合金材料的应用要广泛得多。碳钢、合金钢、铸铁、黄铜、硬铝等都是常用的合金材料。 1、合金的基本概念 合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属特征的物质。 组元：组成合金的基本物质。（二元合金、三元合金） 相：结构相同，成分相同，与其它部分有界面分开的部分 组织：相的聚合体。(单相组织，多相组织),2、合金的相结构 合金的性能一般都是由组成合金的各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况所决定的。因此，在研究合金的组织与性能之前，必须先了解合金组织中的相结构。 合金相结构主要有固溶体和金属化合物。,（1）固溶体 定义：固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。溶剂保持原晶体结构的元素； 溶质 失去原晶体结构的元素 种类：置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点。 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中。 固溶强化：溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度增加(仍保持良好的塑性和韧性)。,（2）金属化合物 定义：合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。 特征：有金属性质； 晶体结构不同于任何组元； 成分可用分子式表示Fe3C。 性能：硬，脆，熔点高 弥散强化：当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的强度、硬度、耐磨性大提高。 调整合金性能的途径： 改善固溶体溶解度； 改变化合物形状、数量、大小、分布。,四、金属的结晶,大多数金属材料都是经过熔化、冶炼和浇铸得到的，即由液态金属冷却凝固而成。由于固态金属是晶体，故液态金属的凝固过程则称为结晶。 金属结晶后的组织对金属的性能有很大影响。因此，研究金属的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。,1、纯金属的结晶 （1）冷却曲线与过冷度 过冷：实际结晶温度 T1 总是低于理论结晶温度 T0 的现象 过冷度： T = T0 - T1 （ 冷速 T ） 结晶的必要条件：过冷（结晶的动力）,（2）金属的结晶过程,结晶过程是晶核不断形成和长大的过程 晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大,（3）晶粒大小对力学性能的影响 细晶强化：晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好 。 细化晶粒的主要方式 ： 1、提高冷速（增加过冷度）在铸造生产中，常用金属型代替砂型来加快冷却速度，以达到细化晶粒的目的。 2、变质处理变质处理是一种细化晶粒的有效方法，因而在工业生产中得到了广泛的应用。 3、附加振动采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法,思考题 一、填空 1、工程材料按成分特点分为金属材料、（ ）、（ ）；金属材料又可分为（ ）和（ ）两类；非金属材料主要有（ ）、（ ）。 2、金属材料的力学性能主要包括强度、（ ）、（ ）、（ ）等；强度的主要判据有（ ）和（ ），强度和（ ）可以用拉伸试验来测定；力学性能测试方法中，（ ）测量方法最简便、不破坏试样，并且能综合反映其他性能，在生产中最常用。 3、晶体是指（ ）。晶体结构可用晶格来描述，常见金属晶格有（ ）、（ ）和（ ）。金属-Fe,Cr,W,V等的晶格类型为（ ）， -Fe,Cu,Ag,Au等金属的晶格类型为（ ）。 4、实际金属的结晶温度总是低于（ ）结晶温度，