工程材料1-5章

工程材料,金工教研室乔志霞,第一章绪论,一.材料重要作用及其发展,材料是人类用来制造各种产品的物质。人类社会的发展和进步是伴随着材料的发明和发展的。根据人类对材料的使用，人类发展史被划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。,陶器,新石器时代(公元前6000年公元前5000年),瓷器,我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。,青铜器,我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。,我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用铁器。,黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸),武汉长江大桥采用Q235制造，主跨度128m;南京长江大桥采用16Mn合金钢制造，主跨度160m九江长江大桥采用15MnVN制造，主跨度216m。,当设计人员设计某件产品或零件时，必须首先考虑应选用何种材料。而当选择材料时，就必须了解各种材料的性能才能做到正确、合理的选材。,能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的基础知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。,金属材料主要以金属键结合；高分子材料以分子键和共价键结合；陶瓷材料以离子键、共价键结合；复合材料可由多种结合键组成。,工程材料按结合键的性质可分为四类：,二.工程材料分类,1.金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工程应用的金属材料，绝大部分是合金。金属材料原子间的结合键基本上为金属键。工业上把金属和其合金分为两大部分:（1）黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；（2）有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。,金属材料,2.高分子材料高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。有机物质主要以碳元素(通常还有氢)为其结构组成，在大多数情况下它构成大分子的主链。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类：塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂,高分子材料制品,3.陶瓷材料陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键。陶瓷的硬度很高，但脆性很大，耐腐蚀性、耐高温、绝缘性好。,陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属非氧化合物。由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。,4.复合材料复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成，所以它的结合键非常复杂。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。,玻璃钢就是由环氧树脂与固化剂按一定比例混合后将无机纤维类材料（如纤维布、纤维丝等）粘结起来的一种复合材料。,三.本课程的性质、目的、任务,性质：本课程是一门技术基础课，是必修课。目的、任务：是使学生获得有关材料的基本知识，了解常用材料的成分、组织、性能之间的关系，以便在学习本课程之后使学生具有合理选用材料，妥善安排工艺路线等方面的初步能力。,四.关于学习本课程,学时、学分考核：平时成绩30%（作业、实验、上课表现、考勤）期末考试70%,一.金属材料的工艺性能,铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。,锻造性能金属材料用锻压加工方法成形的能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,使用性能：物理、化学、力学性能,工艺性能：铸造、锻、焊、切削等,第二章金属材料的性能,焊接性能钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。,切削加工性能金属材料具有适当的硬度(170HBS230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。,热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。,二.金属材料的机械性能,拉伸试验和拉伸曲线,（F）,载荷（F）,伸长量（L）,低碳钢拉伸过程经历四个阶段：,1）弹性变形（oe）（oe）直线阶段，完全弹性变形；（es）极微量塑性变形,弹性变形：去除外力后能完全恢复到原来的形状。塑性变形：外力消除后仍存在的永久变形。,应力:=F/S0应变:=L/L0,R,o,2）屈服（s）：开始发生明显的塑性变形（但不均匀）,4）颈缩（b点）-局部集中塑性变形,3）均匀塑性变形阶段：（b之前）,铸铁、陶瓷：只有第1阶段中、高碳钢：没有第2阶段,5）断裂（k点）,1.弹性和刚度,弹性极限e：e点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力。,对于弹簧等不允许产生微量塑性变形的零件，设计时以Re为依据。,刚度：材料抵抗弹性变形的难易程度，其指标即为弹性模量E。在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为弹性模量E，其主要取决于金属材料的本性。可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度。,2.强度,强度：表示抵抗变形和断裂的能力，单位:MPa(MN/mm2),1）屈服强度s：材料开始明显塑性变形的抗力，即产生屈服现象时的应力,s=Fs/Ao,中高碳钢无明显屈服现象，国家标准以产生0.2%塑性变形的应力来表示屈服强度，即0.2=F0.2/A0,2）抗拉强度b：金属材料被拉断前所承受的最大应力,3.塑性,塑性：在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力,1）延伸率d,2）断面收缩率y,y=A/Ao=(Ao-Ak)/Ao100%,y越大，塑性愈好;FL,液相稳定b.当温度TT0时，FsFL,固相稳定c.当温度T=T0时，Fs=FL,平衡状态,T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。过冷度：T=T0-T1过冷是结晶的必要条件,冷速越快，过冷度越大,3、结晶的过程a.形核自发形核、非自发形核(为主),b.长大平面长大、树枝状长大（为主）,形成晶核与晶核不断长大,以树枝晶方式长大为主,4、晶粒尺寸的控制（1）晶粒尺寸对金属性能的影响晶粒尺寸越小，晶粒越细，机械性能越好（强度越高，塑性、韧性越好）形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。（2）过冷度对形核-长大的影响过冷度T提高，N提高、G提高过冷度T太高，D降低N降低、G降低,（3）细化铸态金属晶粒的措施提高过冷度（提高冷却速度）过冷度T，N，GN/G增大，细化晶粒变质处理（孕育处理）在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，增加晶核数目，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等,单晶体与多晶体示意图,5.金属晶体的特性多晶体各向异性,晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性排列的部分1.点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,三实际金属中的晶体缺陷,空位晶格结点处无原子置换原子晶格结点处为其它原子占据间隙原子原子占据晶格间隙,点缺陷导致的晶格畸变,空位置换原子间隙原子,点缺陷对性能的影响：空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即扩散）；点缺陷造成的局部晶格畸变，使金属电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。,2.线缺陷（位错）二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排（刃型位错螺型位错）,刃型位错模型,螺型位错模型,位错网络,位错对性能的影响：当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度提高。,位错能够在金属结晶、塑性变形和相变过程中形成。,3.面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域晶界、亚晶界、表面等,晶界及亚晶界示意图,亚结构与亚晶界,对性能的影响：晶界或亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属强度、塑性越好。,合金：由两种或两种以上元素(其中至少有一种是金属)组成的具有金属特性的材料。如铁碳合金、铜锌合金（黄铜）、铜锡合金（青铜）等。,几个重要的概念：,3-2合金的晶体结构与结晶,1）.组元：组成合金的最基本的、独立的物质。通常组元即为组成合金的各元素，但元素间所形成的稳定化合物也可为组元。根据组元数目，合金可分为二元合金、三元合金等。,例如：黄铜（Cu-Zn)，铁碳合金（Fe-Fe3C),2）.相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。,（举例：纯金属，合金）,3）组织：不同的类型、形态、数量、大小与分布的相的组合状态。由于合金的成分及加工、处理等条件不同，其合金相将以不同的类型、形态、数量、大小与分布相结合，构成不同的组织。相是组织的基本组成部分，而组织决定性能。,固溶体合金中的相结构：金属化合物,一合金的晶体结构及组织,1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质,置换固溶体溶剂与溶质晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近间隙固溶体溶剂原子半径较小,无限固溶体,固溶体性能特点固溶强化:由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,固溶强化是一种重要的强化手段,铁碳合金中的固溶体：,铁素体F（C固溶到-Fe中）,奥氏体A（C固溶到-Fe中）,溶质原子的溶入，使固溶体晶格产生畸变,-Fe的固溶强化,在合金中的地位与作用基体相，用以保证合金的塑性与韧性。,2、金属间化合物金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。,性能不同于各组元，一般硬而脆，熔点高在合金中的地位与作用:是重要的强化相，用以提高合金的强度、硬度、耐磨性。,有一定或大致一定的原子比值，可用化学式表示其组成,新的不同于任一组元的晶格类型,特点：,（铁碳合金中的金属化合物：渗碳体Fe3C）,具有复杂晶挌的金属化合物Fe3C,1.合金结晶特点（1）一般是在一定温度范围内结晶的，也是一个放热的过程（2）结晶过程也包括形核和长大两个过程。2.二元合金状态图的建立（以Cu-Ni合金为例）相图：描述平衡条件下，合金系中各相之间关系的温度、成份坐标图称为相图（平衡图，状态图）,步骤：,（1）配置不同成分的合金。,(：纯铜：75%Cu+25%Ni：50%Cu+50%Ni：25%Cu+75%Ni：纯Ni）,二合金的结晶与相图,（2）测定各合金的冷却曲线，找出组织转变的临界点，并标到温度-成分坐标图中。（3）连接具有相同意义的点。,相图分析：液相线固相线LL+,结晶过程（LL+aa）,两平衡相的成分:液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。,三铁碳合金相图及应用,铁碳合金相图,几点说明：,（1）实际是Fe-Fe3C相图（2）字母标识固定（3）是平衡状态图，是在极缓慢条件下测定的。,1.Fe-Fe3C相图的组元1)Fe组元强度低、硬度低、韧性、塑性好,-Fe-Fe-Fe,912,1394,（体心）,（体心）,（面心）,同素异构转变,纯铁的冷却曲线,2)Fe3C（Cem，Cm）熔点高，硬而脆，塑性、韧性为零。,网状,层片状,大片状,球状,2.Fe-Fe3C相图中的相,四个基本相：液相（L），铁素体F，奥氏体A，渗碳体Fe3C,1)液相L2)铁素体(F或）（C固溶到-Fe中）晶格类型：体心立方溶解度：室温：C%=0.0008%；727：C%=0.0218%）性能：强度、硬度低、塑性好3)奥氏体（A或）（C固溶到-Fe中）晶格类型：面心立方溶解度：1148度：C%=2.11%，存在温度：727之上性能：强度低，易塑性变形4)渗碳体（Fe3C）（C%=6.69%）片状、网状、条状、粒状,3、相图分析（重要点和线的意义）,A,G,D液相线（ACD）固相线（AECF）,C共晶点，ECF共晶线,共晶反应：,L4.3A2.11+Fe3C,1148,共晶体：莱氏体(Le),(3)S共析点，PSK共析线,共析反应：,A0.77F0.02+Fe3C,727,共析体：珠光体(P),珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间,珠光体,(4)溶解度曲线：ES，PQES线:碳在奥氏体中的溶解度曲线。随温度降低,析出二次渗碳体Fe3CIIPQ线:碳在铁素体中的溶解度曲线。随温度降低,析出三次渗碳体Fe3CIII,铁碳合金状态图,网状Fe3CII,(5)同素异构转变线：GSAF,4、基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类,钢（0.0218%C%=2.11%）,亚共析钢:（0.0218%C%0.77%共析钢:C%=0.77%过共析钢:0.77%C%=2.11%,铸铁2.11%C%6.69%,亚共晶铸铁:2.11%C%4.3%共晶铸铁:C%=4.3%过共晶铸铁:4.3%C%6.69%,工业纯铁(C%1%，Fe3CII呈连续网状分布在晶界处，强度性能,7、Fe-Fe3C相图的应用,1)选材方面2)铸造工艺3)锻压工艺4)热处理工艺,1.碳钢的分类C%1.3%，含有S、P、Si、Mn等杂质,1)按质量,普通碳素钢(S0.055%,P0.045%)优质碳素钢(S0.04%,P0.04%）高级优质碳素钢（S0.03%,P0.03%）,2)按成分,低碳钢C%0.25%,3)按用途,中碳钢0.25%0.6%,第五章金属材料及其选用,5-1碳钢,2.碳钢中的杂质对性能的影响,1)锰有益；0.25-0.80%脱氧剂；降低FeO脆性，降低S的有害作用：Mn+SMnS，热加工性能固溶强化；使性能更优；2)Si有益脱氧，脆性固溶强化3)硫有害985（Fe+FeS）热脆加入MnMnS4)磷有害Fe3P室温下100，脆性大冷脆,3.碳钢的牌号及应用,碳素钢,碳素结构钢,碳素工具钢,（普通）碳素结构钢,优质碳素结构钢,1）（普通）碳素结构钢,牌号：Q+三位数,“屈”,最低屈服强度（MPa),典型钢号：Q235,热处理：热轧状态使用,性能特点：塑性韧性好，焊接性能好，价格廉,应用：钢板、钢管、钢筋、螺钉、螺帽、型钢、焊接件、冲压件,成分特点：低碳，C%0.38%，一般0.25%S、P含量较高,2）优质碳素结构钢,牌号：两位数,碳的平均万分含量,成分特点：S、P含量较低,低碳钢（08，10，15，20，25）,中碳钢（30，35，40，45，50，55）,性能特点：塑性好,应用：冷冲压件，焊接件，渗碳件,典型钢号：10，20,性能特点：综合机械性能好,应用：齿轮、轴类,典型钢号：45,热处理：锻造，焊接，冲压，渗碳,热处理：淬火+高温回火,高碳钢（60，65,70,75）,应用：弹簧,性能特点：弹性好,典型钢号：65,热处理：淬火+中温回火,3）碳素工具钢,牌号：T+一位或两位数,碳的平均千分含量,“