机械制造技术基础hfut第2(34)章机械工程材料基础

,第二章工程材料基础,2.5钢的热处理,2.3铁碳合金,2.4常用工程材料,2.1工程材料的性能,2.2金属材料的结构,材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。,目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽等。,高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属，但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。,材料性能的决定因素：化学成分、内部组织和状态。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根据。,第1节工程材料的性能,2.1.1金属材料的性能,1物理性能,密度（比重）、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、导磁性等。,2化学性能,化学稳定性,耐腐蚀性高温抗氧化性,4工艺性能材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度。铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性,3力学性能金属材料在外力作用下（静载荷、动载荷、交变载荷）所表现的抵抗变形和破坏的能力。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、断裂韧度,1）铸造性能。指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。,2）锻造性能。指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。,3）焊接性。指材料被焊接的难易性质。,4）切削加工性。表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。,5）热处理工艺性。指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。,金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图1-8所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。,力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。,2.1.1.1金属材料的力学性能,图1-8圆形拉伸试样,拉伸试验,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,弹性变形外力去除后能完全消失的变形塑性变形外力去除后不能消失的变形,变形过程：oe为纯弹性变形阶段外力去除后试样完全恢复原状e以上为弹塑性变形阶段es为屈服阶段外力不增加，试样明显伸长sb为大量塑性变形阶段外力增加不多，试样明显伸长bk为颈缩阶段试样出现集中变形，抵抗外力能力下降,F(N)FbFsFeo,L%,1.拉伸曲线分析：,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,塑性变形:外力去除后不能消失的变形,变换：F/S0=(MPa)S0为试样原始截面积(mm2)L/L0=（%）L0为试样标距长度转化：纵坐标：以应力表示，横坐标：以应变表示，,怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？,2.应力-应变曲线（-曲线）,图2.1.5普通低碳钢应力-应变图,弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。,1.屈服点材料产生屈服点的最小应力。表征金属发生明显塑性变形的抗力。2.抗拉强度材料在拉断前所承受的最大应力。表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力。,3.强度指标：,（1）断后伸长率（延伸率）=(L1-L0)/L0100%（2）断面收缩率=(S0-Sk)/S0100%和越大，材料的塑性越好,塑性对材料的意义：提高安全性2.便于压力加工成型（钣金件加工成型）,(二)塑性产生塑性变形而不断裂的能力。,（三）硬度指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。,常用的硬度指标：,布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV,压入法,（1）试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,HBS（HBW）=F/S=2F/DD-(D2-d2)1/2不写单位：kgf/mm2淬火钢球：HBS硬质合金钢球：HBW当F的单位取N时，加系数0.102,图2.1.8布氏硬度实验原理,（2）计算公式：,（3）特点：,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。,2洛氏硬度HR(Rockwllhardness),（1）试验原理：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,HR=(k-h)/0.002不写单位对金刚石圆锥压头k=0.2mm对钢球压头k=0.26mm,图2.1.10洛氏硬度实验原理,（2）计算公式：,7085HRA25100HRB2070HRC,注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,例如：50HRC40HRC,（3）洛氏硬度值的表示：,（4）特点：,优点：,测量操作简单，压痕小。,缺点：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广泛的硬度试验方法。用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。,应用：,维氏硬度计,3.维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,（1）试验原理：,与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。,（2）压头：,锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体,HV=F/S,（3）特点：,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,一、金属材料的力学性能,（四）冲击韧度材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。,图2.1.3一次摆锤冲击实验,冲击韧度：k=Ak/SN（J/cm2）Ak冲断试样所消耗的冲击功；（J）SN试样缺口处的截面积。,冲击吸收功对材料的意义：Ak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Ak随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象（寒冷地区的机械）,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:,Ak=mgHmgh(J),疲劳试验,疲劳曲线,疲劳强度（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。当应力为对称交变应力时，疲劳极限用-1表示,（五）疲劳强度,影响材料疲劳极限的因素：材质（组织、缺陷、夹杂、）设计（尺寸变化、缺口、避免尖角）工艺（降低表面粗糙度、表面强化）,应力场强度因子KI=Y(a)1/2Y是裂纹形状系数是外加拉应力a是裂纹半长度当KI较小时，裂纹稳定扩展；当KIKIC（临界值）时，裂纹加速扩展断裂断裂韧度KIC：材料有裂纹时，抵抗脆性断裂的能力。,2a,（六）断裂韧度,非金属材料的基本性能包括物理性能、力学性能、与水有关和与热有关的性能及耐久性。,2.1.2非金属材料的性能,2.1.2.1非金属材料的力学性能,非金属的力学性能包括强度、刚度、韧性、蠕变性、减摩性等，一般高分子材料的塑性、刚度、韧性较钢低；但具减摩性。陶瓷在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧度、抗拉强度比金属低。,1）强度。金属材料一般用拉伸试验测定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力应变用拉伸试验。,强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：,2）变形。除弹性变形、塑性变形、弹性模量外，还有徐变（蠕变）、松弛。徐变指材料在恒定载荷的作用下，随时间的延长而变形不断增长的现象。松弛指总的变形不变，但塑性变形增大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降低的现象。,2.1.2.2非金属材料的物理性能,1）松散密度。材料在自然状态下包括孔隙或空隙在内的单位体积的质量。即,2）密度。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。,式中松散密度（kg/m3）；材料的质量（kg）；材料在自然状态下的体积（m3）。,3）孔隙。用孔隙率作为衡量指标，即材料内部空隙体积占材料总体积的百分比。,4）材料的胀缩：指由于大气中温度、湿度变化或其他介质的作用而导致的材料的膨胀或收缩。,1）亲水性。材料在空气中与水接触，如果材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，水就能湿润材料的表面，三相（材料、水、空气）交点处，沿水滴表面的切线与材料表面的夹角叫湿润角，如果为亲水性材料；反之为憎水性材料。,2）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水达到饱和状态时的含水率叫吸水率。他与孔隙率和孔隙特征有关。,3）耐水性。指材料长期在水的作用下，其强度不显著降低的性能。,4）抗渗性。指材料抵抗压力水渗透的性能。,2.1.2.3与水有关的性能,水对材料性能有很大影响，特别对强度，抗腐蚀性、耐久性。主要有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。,1）导热性。与金属材料的导热系数相同。,2.1.2.4与热有关的性能,2）热容。指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热量的性质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容c(J/kgK)。,3）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。,4）耐燃性。指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不燃材料、难燃材料，易燃材料。,5）耐火性。指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。,2.2.1金属的晶体结构,固态物质按其原子排列的状态分为两大类：晶体和非晶体晶格或点阵最常见的晶格有：(1)体心立方晶格(2)面心立方晶格(3)密排六方晶格,晶体：原子按一定几何规律周期性重复排列，有固定熔点，具有各向异性。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。晶体之所以按规则的原子排列，主要是因为各个原子之间的相互吸应力与排斥力相平衡的结果。,2.2.1金属的晶体结构,原子排列模型,2.2.1金属的晶体结构,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。,2.2.1金属的晶体结构,非晶体原子排列示意图,二氧化硅晶体,晶体排列与非晶体排列的比较,2.2.1金属的晶体结构,晶格或点阵：把每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，形成的空间格子。结点：晶格中直线的交点。晶面：各种不同方位的原子平面。晶胞：晶格的最小单元。,2.2.1金属的晶体结构,(1)体心立方体晶格a=b=c;=90晶胞的八个角上各有一个原子，体心处还有一个原子。每个立方体晶胞中仅含有1/8x8+1=2个原子。如铬、钼、钨等，这类金属一般都具有较高的强度、硬度和熔点以及一定的冷脆性，在通常情下，具有一般的塑性和韧性。,2.2.1金属的晶体结构,(2)面心立方体晶格,在晶胞的八个角上各有一个原子,立方体六个面的面心各有一个原子。每个立方体晶胞中实际含有1/8x8+1/2x6=4个原子。如金、银、铜、铝等,这类金属具有良好的塑性和韧性,特别是没有低温脆性,是工业上良好的低温合金材料的基础。,a）b）c）,图2-10面心立方晶胞示意图,2.2.1金属的晶体结构,(3)密排六方晶格,abc;=90;120,在六棱柱晶胞的12个角上各有一个原子，上下底面中心各有一个原子，晶胞内部还有三个原子。密排六方晶胞实际上只有1/612+1/2x2+3=6个原子。常见的有铍、镁、锌、镉等，这类金属不仅强度较低且塑性、韧性也较差，故很少用作重要的结构材料。,a）b）c）图2-11密排六方晶胞示意图,2.2.1金属的晶体结构,2.2.2金属的结晶,1）结晶。指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程。,2）纯金属结晶的冷却曲线。金属液非常缓慢的冷却时，记录温度随时间而变化的曲线，如图1-6所示。出现水平线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。,3）过冷。在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象。理论结晶温度和实际结晶温度之间的温度差叫过冷度，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度越大，反之。过冷度越大，晶核越多，每个晶核生长的空间就越小，获得的晶粒越细。,图1-6冷却曲线,4）结晶过程。晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。,图1-7结晶过程示意图,5）单晶体。结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为单晶体。,6）多晶体。由许多外形不规则、大小不等、排列位向不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体叫晶粒；晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。,7）细晶强化。用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。,金属的同素异构,同素异构：固态金属由一种晶格转变为另一种晶格的变化过程金属的同素异构转变过程，实质也是一个结晶的过程，一般称为二次结晶或重结晶。铁：体心立方晶格铁：面心立方晶格铁：体心立方晶格钢能够通过热处理来改变其性能，是与铁的同素异构转变有关的。,2.2.3合金的晶体结构,1.固溶体合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。根据