工程材料及成形工艺基础.doc

绪论1材料是指那些能够用于制造结构，器件或其他有用产品的物质，例如金属，陶瓷，聚合物，半导体，超导体介电材料，木材，沙石，复合材料等。2工程材料根据其组成与结构特点，可分为金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料和复合材料。根据材料的性能特征，可分为结构材料和功能材料。根据材料的用途分为建筑材料能源材料机械工程材料电子工程材料。3材料的主要加工主要指材料的成形加工及强化，改性和表面技术的应用。4第一章1材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能分为物理性能，化学性能和力学性能。2力学行为：材料在载荷作用力下的表现3弹性变形：当物体所受外力不大而变形处于开始阶段时，若去除外力，物体发生的变形会完全消失，并恢复到开始状态。4塑性变形或残余变形：当外力增加到一定数值时，物体发生的变形不能完全消失，而一部分被保留下来，这时材料进入塑性变形阶段所保留下来的变形。5韧性断裂：断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂6脆性断裂：在断裂前没有宏观塑性变形的断裂行为综上所诉，对所有材料而言，在外力作用下虽外力增加 而变形和断裂是普通规律；而对金属等晶体材料而言，该规律是由弹性变形，塑性变形，断裂三个阶段组成。服役条件：是指零件在工作过程中承受的温度，介质环境，加载速率和载荷作用放式7载荷按其性质分为静载荷和动载荷。8静载荷是指加载方式不影响材料的变形行为，加载速率较为缓慢的载荷9动载荷是指突加的，冲击性的及大小，方向随时间而变化的载荷10所谓载荷作用方式既加载方式，主要指拉伸，压缩，弯曲，扭转剪切等不同作用方式11内力：材料在外力的作用下其内部将产生相应的作用里的作用力以抵抗变形，并在整体上外力达到平衡12应力：分布在单位面积上的内力13抗拉强度：标志着材料在断裂前所能承受的最大应力14断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。伸长率越高 材料塑性越好。15断面伸长率：试样拉断后 标距处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，16测量硬度的方面有很多，主要有压入法，刻画法，回跳法17常用的测量方法 有布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 。布氏硬度的实验师用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面。布氏硬度适用于测量组织出大且不均匀的金属材料的硬度，如铸铁 铸钢 非铁金属及合金， 各种经退火和调制处理后的钢材，不适宜用大批量的生产检验 测量太硬的材料时 压头可能产生变形 故不宜采用布氏硬度，对于产品特别是有较高精度要求的配合面的零件及小件不宜采用这种方法18 洛氏硬度测试操作简便迅速 可直接读出硬度值 压痕小 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用，但由于压痕过小，测量误差大代表性 重复性差分散度大19 维氏硬度特别使用于工件的硬化层及薄片 小件成品的测量但由于操作复杂 不宜用于大批量检测 由于压痕很小 致使所测量硬度重复性差 分散度大20 韧性：就是材料在断裂前吸收变形能量的能力。韧性好的材料在使用中不至于产生突然的脆性断裂 从而保证零件的安全性。21 Ak即为表征材料冲击韧性的指标称为冲击吸收功，22 疲劳断裂 材料在循环载荷的作用下即使所受应力低于屈服强度也常发生断裂 23 疲劳强度 是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力 用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力24 低应力脆断 高强度材料的机件常常在远低于屈服点的状况下发生脆性断裂 中低强度的重型机件 大型结构件也有类似的实例 这就是低应力脆断 低应力脆断总是与材料内部的裂纹及裂纹的扩展有关。25 裂纹扩展的形式有张开型 （最危险）划开型 裂开型 26 断裂韧度：应力场强度因子的临界值就是材料的断裂韧度K1他表征了含裂纹的材料抵抗裂纹失稳扩展而断开的能力 作为衡量材料断裂韧性的重要性能指标之一27 高温 是指其工作温度超过其再结晶温度 材料的高温力学性能主要有蠕变极限 持久强度极限 高温韧性和高温疲劳极限等指标28 蠕变极限 是指材料长时间在一定的温度和应力作用下 即使应力小于&0.2 也会缓慢产生塑性变形的现象29 蠕变极限是指在规定的温度下， 引起试样在规定的时间内的蠕变伸长率或恒定蠕变速度不超过某规定值的最大最大应力 有一下两种表示方法（1）在规定的时间内达到规定的变形量的蠕变极限（2）恒定蠕变速度达到规定值时的蠕变极限30 持久强度极限：是指试样在恒定温度下 达到规定的持续时间而不断裂的最大应力31 在规定的温度下测定的高温冲击韧性指标称为高温冲击吸收功和高温冲击韧度32 高温疲劳极限： 是指材料在高温下 往往是疲劳和蠕变同时作用的结果 当金属材料的温度超过0.5TM时，其疲劳极限会急剧下降33 随着温度的下降 多数材料会出现脆断增加的现象 易产生脆断 对在低温条件下工作的零构建造成严重的危害第二章材料的结构1工程材料的各种性能（力学性能 物理性能 化学性能）取决于二大因素：一是其组成原子或分子的结构及本性；二是这些原子或分子在空间的结合和排列方式2结合键：固定物质内部原子 都排列在能量较低的位置 彼此之间存在一种约束力使其牢固地结合在一起，这种约束力即为结合键 通常结合键有四种，离子键 共价键金属键和分子键3离子键：电负性差别较大的两种原子，通过电子失得变成正 负离子从而靠正负离子间的库伦力相互作用而形成的结合键称为离子键4离子键有较强的结合力 因此离子化合物或离子晶体的熔点 沸点硬度均很高 热膨胀系数小 但相对脆性较大5共价键：得失电子能力相近的原子在相互靠近时 依靠共用电子对产生的结合力而结合在一起的结合键6金属键：金属晶体的结合主要靠这些共用的负电子云与正离子之间的库伦力作用这种结合键称为金属键7金属键不具有方向性 在结构上要求尽量密排 使之势能降低 结合最稳定 由于金属晶体靠金属键结合 所以金属具有良好的导电性导热性可塑性 正的电阻温度系数和金属光泽8分子键：具有稳固电子结构的原子或分子靠瞬时电偶极矩的作用而产生结合力的结合键称为分子键或范德瓦耳斯键 分子晶体具有低熔点低沸点低硬度等性能特点9晶体：就是原子本身沿三维空间按一定几何规律重复排列成有序结构10晶体具有固定的熔点 规则的几何形状和各向异性的特点；非晶体没有固定的熔点且各向同性11晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架12晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性 这个最小的几何单元称为晶胞13晶胞的致密度：是指晶胞中原子所占的体积与晶胞总体积的比值14体心立方晶格晶胞中实际原子数为2 致密度为0.68 面心立方晶胞中的原子数为4致密度为0.7415密排六方晶格 晶胞中的原子数为6 致密度为0.7416点缺陷：是指三维尺度都很小的 不超过几个原子直径的缺陷17线缺陷：是指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷 位错是在晶体中某处一列或若干列原子发生有规则的错排现象18晶体中位错的量常以单位体积内所包含的位错线总长度来表示19单晶体：金属和陶瓷这样的晶体材料的结晶过程中，会形成许多位向各不相同的小晶体20晶界：晶粒之间的边界 晶界在常温下强度和硬度较高 而在高温下则较低 晶界易腐蚀 原子扩散速度快21金属材料主要由金属晶体组成 对纯金属而言 其结构主要是指由何种金属原子依靠金属键结合成为何种晶体结构类型的晶体 以及这些晶体的显微组织结构和缺陷状态 包括晶粒形状 大小 晶格的畸变 位错密度等22组元：组成合金的最基本的独立的单元 组元可以是金属元素 非金属元素 和稳定的化合物 由二个组元组成的具有金属特性的合金23相：是指合金系统中具有相同的化学成分，相同的晶体结构和相同的物理或化学性能并与该系统的其余部分以界面分开的部分24合金的基本相结构可分为固溶体和金属化合物两大类（1）固溶体：合金在固态下游组元间相互溶解而形成的相 固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体（2）置换固溶体：有溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中某些结点位置而形成的固溶体 晶格类型相同 原子直径差越小 在周期表中的位置越靠近 则溶解度越大 甚至可以任意比例溶解而形成无限固溶体（3）间隙固溶体：有溶质原子嵌入溶剂晶格中各结点间的间隙中而形成的固溶体 25固溶强化：晶格畸变使晶体的抗力增大 材料的强度 硬度提高 25金属化合物：他们一般熔点较高 硬而脆才 当合金中出现金属化合物时 通常能够提高合金的强度 硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性26同素异构转变：当温度压力等外界条件改变时 晶格类型可以发生转变。27近代有机化学指明：有机物除了上述由于原子互相联接的方式和次序不同形成异构体外，还可以由于原子本身在空间的排列方式不同引起同分异构 28晶体的各向异性：沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性 导热性热膨胀性，弹性强度以及外表面的化学性能等）并不相29非晶体的各向同性：非晶体的性能不因方向而异。30单晶体：冷却时仅有液体中一个晶核核心长大而成的晶体 第三章1结晶：金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。2金属的结晶过程：是在液体中先形成许多晶核，然后再由晶核长大成晶粒，众多的晶粒组成多晶体。3金属由液态转变成为固态的凝固过程，实质就是原子由近程有序状态过渡为远程有序状态的过程。金属从液态过渡到固态晶态的转变称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶4过冷度：平衡结晶温度与实际结晶温度之间的温度差5晶粒越细小，金属材料的强度值越高，晶粒细小还可以提高材料的韧性。6控制铸件晶粒的大小是提高铸件质量的重要措施。细化晶粒有三种方法1正大过冷度2变质处理3附加振动7偏析：由于冷却速度较快，固溶体中的原子不能充分扩散，则成分不均匀的成分保留下来。8铁素体：强度硬度较低，塑性韧性较好 在727时溶碳量为0.0218%，最低0.0008%。奥氏体：最大2.11%最低0.77%渗碳体：硬而脆 溶碳量= 6.69% 萊氏体 是奥氏体与渗碳体的机械混合物 P=F+Fe3C 第四章1刚的热处理是钢固态下通过加热保温冷却以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺方法，热处理的目的不仅在于消除毛培中的缺陷 改善其工艺性能，为后续工艺工程创造条件 更重要的是热处理能够显著提高钢的力学性能，充分发挥钢材的潜力，提高零件的使用寿命1热处理分为1整体热处理2表面热处理3化学热处理 热处理还分为预备热处理和最终热处理3过热：凡是晶粒度超过了规定的标准时就成为一种加热缺陷 在实际生产中常从加热温度保温时间和加热速度几个方面来控制奥氏体的晶粒大小 加热温度越高保温时间越长奥氏体晶粒越大，在加热温度相同时，加热速度越快保温时间越短，奥氏体晶粒越小。4冷却的方式主要有连续冷却（卢冷空冷水冷）和等温冷却（等温淬火）5珠光体的转变过程：在过冷度较小时，727-650 片间距0.4um 是P 650-600片间距小于0.4-0.2 um 实际S 600-550片间距小于0.2um 是T 珠光体组织中的片间距越小，相界面越多，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高 同时由于渗碳体变薄，使得塑性和韧性也有所改善 550-350 上贝氏体 350-230 下贝氏体 它具有较强的强度和硬度 塑性和韧性 在实际生产中常