机械基础 项目一 机械工程材料

1、项目一 机械工程材料任务一任务一 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 任务二任务二 金属材料的晶体结构及性能金属材料的晶体结构及性能 任务三任务三 铁碳合金铁碳合金 任务四任务四 钢的热处理钢的热处理任务五任务五 常用金属材料常用金属材料任务六任务六 非金属材料非金属材料 机械基础机械基础学习目标：n了解常见金属材料的力学性能；n了解金属材料的晶体结构及相图分析；n掌握材料的普通热处理及其工艺的基本知识；n了解常见工程材料的分类及选用方法。任务一 金属材料的力学性能n任务描述：任务描述： n灰铸铁制造的缸体应该用何种方法测试其硬度？试阐述该方法的原理与方法。任务一 金属材料的力学性能金属材料

2、的分类：金属材料的分类： 黑色金属：钢铁材料 有色金属：是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，如铜、铝、镁、钛、锡及其合金。 任务一 金属材料的力学性能力学性能：指金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗力的性能。金属材料的力学性能，不仅是设计零件、选择金属材料的重要依据，还是验收、鉴定金属材料性能的重要依据之一。任务一 金属材料的力学性能金属材料的力学性能包括：强度、硬度、塑形、冲击韧性和疲劳强度等。强度是指金属材料在外力作用下，所表现出的抵抗永久变形和断裂的能力。根据外力作用的形式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度和抗弯强度等。其大小用材料在破坏前所承受的最大应力来衡量，常

3、用的指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度和抗拉强度。一、强度拉伸试验方法：将一截面为圆形的低碳钢拉伸试样，如图1-1所示，装夹在拉伸实验机的夹头上，缓慢加载，随着外力(负荷)的不断增加，试样会产生拉伸变形，长度不断增加，直至试样拉断。一、强度拉伸试验过程：拉伸试验过程： 曲线分为四阶段：曲线分为四阶段： 1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 p: p: FpFp ，e: Fe e: Fe （不产生永久变形的最（不产生永久变形的最大抗力）大抗力） opop段：段：L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段：极微量塑性变形（段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)0

4、.001-0.005%) 2 2）阶段）阶段IIII（essess）段）段屈服阶段屈服阶段 S: S: 屈服点屈服点 FsFs 3 3）阶段）阶段IIIIII（s sb b）段）段强化强化阶段阶段 b:b: FbFb 材料所能承受的最大载荷材料所能承受的最大载荷 4 4）阶段）阶段IV(IV(bKbK) ) 段段局部集中塑性变形局部集中塑性变形缩颈缩颈 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段一、强度图1-2 低碳钢的拉伸曲线灰铸铁的拉伸曲线如图1-3所示，从图中可以看出，试样从开始拉伸至拉断作用力、变形量都很小，也没有屈服阶段和

5、缩颈阶段。试验证明灰铸铁抗压能力远远大于抗拉能力（约3-4倍）。所以以灰铸铁为代表的脆性材料常用作受压构件。一、强度图1-3 灰铸铁的拉伸曲线二、硬度材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，即材料抵抗比它更硬的物质压入其表面的能力 。通常采用的硬度试验方法有以下三种：（1）布氏硬度HB（2）洛氏硬度HR （3）维氏硬度HV（1）布氏硬度HB布氏硬度试验方法是以直径为D的淬火钢球（或硬质合金球）作压头，在一定负荷F的作用下，压入被测材料表面，并保持一定的时间，然后卸除负荷，材料表面上出现一个压坑(压痕)。压痕越小，硬度值越大，材料越硬；反之，材料越软。 优点是数据准确、稳定、数据重复性强。缺点是

6、压痕较大、易损伤零件表面，不能测量太薄、太硬的试样硬度。（2）洛氏硬度HR用顶角为120的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在一定负荷(初负荷F1)的作用下压入被测材料表面，其目的是为了消除表面不同状态对试验结果的影响，此时压头处于图中位置1；（2）洛氏硬度HR然后再施加一定负荷(主负荷F2)，总负荷为FF1十F2，此时压头处于图中位置2；保持一定时间后，卸除主负荷F2，仍保持初负荷F1，此时由于弹性变形的恢复使压头略有上升，压头处于图中位置3。压头在主负荷作用下压入材料的深度(见图中h)，称压痕深度。金属越硬，h越小。 （3）维氏硬度HV维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬

7、度计维氏硬度计（3）维氏硬度HV维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。 三、塑性 n金属材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力称为塑性 。n常用的指标有延伸率A和断面收缩率Z n（1）伸长率A：是试样被拉断后，试样标距的伸长量与原始标距的百分比，即00100%uLLALuL0L试样拉断后的标距长度（mm）；试样原始标距长度（mm）。 三、塑性 （2）断面收缩率Z：n试样被拉断后，其断面横截面积的最大收缩量与试样原始横截面积的百分比，即 （1-6） S0试样原始的横截面积（

8、mm2）； Su试样拉断后断面的最小横截面积（mm2）。n金属材料的A，Z越高，塑性越好 00100%uSSZS三、塑性 四、冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，称为冲击韧性(简称韧性)。材料韧性的好坏，可通过冲击韧度来衡量。图1-7 摆锤冲击测试原理五、疲劳强度交变负荷：一种大小、方向随时间发生周期性变化的负荷。零件在交变负荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的强度极限，甚至低于屈服极限，这种现象称为金属的疲劳，由此引起的断裂称为疲劳断裂。材料在无数次重复的交变负荷作用下不破坏的最大应力，称为疲劳强度，用-1来表示。 任务二 铁碳合金相图n任务描述：n大多数的金属制件都是经过熔化

9、、冶炼和浇注而获得的，在这个过程中，如何提高金属的强度、塑形和韧性？一、金属的晶体结构1. 晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体：指原子呈规则、指原子呈规则、周期性周期性排列的固体。排列的固体。常态下金属常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体非晶体：原子原子呈呈无规则堆积，和液体相似，亦称为无规则堆积，和液体相似，亦称为“过过冷液体冷液体”或或“无定形体无定形体”。 在一定条件下晶体和非晶体可互在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。相转化。区别：区别： (a) (a)是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性 (b) (b)是否长程有序是否

10、长程有序 (c) (c)是否有确定的熔点是否有确定的熔点 (d) (d)是否各向异性是否各向异性2、晶格和晶胞 用一些直线将各原子的中心连接起来，就得到一个立体的几何格架，称为晶格。晶格中一个能完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 3、金属中常见的晶格类型n体心立方晶格n面心立方晶格n密排六方晶格二、纯金属的结晶金属由液态转变为固态(晶体)的过程，称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。结晶与凝固的区别凝固：LS S可以是非晶结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一 种原子规则排列状态（晶态）的转变过程二、纯金属的结晶1、冷却曲线与过冷现象金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。

11、曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。过冷现象 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T= T0 T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。图1-12 纯金属的冷却曲线冷却速度越快，过冷度越大，实际结晶温度越低。2、纯金属的结晶过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产晶核形成后便向各方

12、向生长，同时，又有新的晶核产生。生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、纯金属的结晶过程 3、结晶后的金属 结晶后的金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内的晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。试验证明，在常温下的细晶粒比粗晶粒金属具有更高的强度、塑性和韧性。常用的细化晶粒方法有增加过冷度、变质处理和振动处理等。合金合金是指将两种或两种以上金属或金属与非金属熔合在一起，获得具有金属特性的一类物质。 组元组元是组成合金最基本的、能独立存

13、在的物质。合金系合金系是指组元一定而成分比例不同的一系列合金。 相相是指合金中成分相同、结构相同，并与其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。 三、合金的晶体结构与结晶2、合金的组织合金是由一种或多种相集合在一起组成的。合金中相的综合体叫做合金组织。在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成一个均匀的液相。在结晶时，由于各组元之间相互作用的不同，固态合金中可能出现固溶体、金属化合物或混合物。2、合金的组织固溶体。合金两组元在液态下相互溶解、结晶时，其中一组元保持原有晶格，另一组元则以原子的形式均匀地分布在该组元的晶格中，形成成分、性能均匀的固态合金，称为固溶体；其中能保持晶格结构的组元，称为溶

14、剂；晶格结构消失的组元，称为溶质。 金属化合物。合金组元之间按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的固态物质，称为金属化合物。 机械混合物。由两种或两种以上的固溶体和金属化合物所构成的混合物称为机械混合物。 2、合金的组织3、合金的结晶过程 其结晶过程和组织与纯金属相比较有以下区别：合金结晶不在恒温下进行，而是在一定温度范围内进行。合金在结晶过程中，在不同温度范围内存在着不同数量的相，且各相成分也会发生变化。同一合金系，因成分不同，其组织也不同。即使是同一成分的合金，其组织也会随温度不同而发生变化。3、合金的结晶过程 若要全面了解合金的组织随成分、温度变化的规律，就必须取不同成分的合金

15、进行试验，观察分析其在加热、冷却过程中内部组织构造的变化，绘制成图，称为合金相图。合金相图是全面表示合金的组织随成分、温度变化规律的图，是研究与选用合金的重要理论工具，对于金属的加工及热处理也具有重要的指导意义。3、合金的结晶过程 相图的建立：相图的建立：几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。3、合金的结晶过程 二元相图的建立：二元相图的建立： 以以Cu-NiCu-Ni合金合金( (白铜白铜) )为例为例 ：纯铜：纯铜 ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯：纯Ni 任务三 铁碳合金现代工业中使用最广泛的钢铁材料，其基本组元是铁

16、和碳，故统称为铁碳合金。一、金属的同素异构转变一、金属的同素异构转变金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。任务三 铁碳合金液态铁在1538时结晶成为具有体心立方晶格的 ；冷却到1394时发生同素异构转变，由体心立方晶格的 转变为面心立方晶格的 ；冷却到912发生同素异构转变，由面心立方晶格的 转变为体心立方晶格的 。再继续冷却，晶格的类型不再变化。FeFeFeFeFe 铁素体：铁素体：碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体，用，用F 或或 表示。表示。 碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素

17、体，用，用表示。表示。 都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。二、铁碳合金的基本组织及其性能二、铁碳合金的基本组织及其性能 奥氏体奥氏体: :碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。二、铁碳合金的基本组织及其性能二、铁碳合金的基本组织及其性能(3)渗碳体（Fe3C）。它是由碳和铁形成的一种金属化合物，其分子式为Fe3C，含碳量为6.69，具有硬而脆的性能特点 二、铁碳合金的基本组织及其性能二、铁碳合金的基本组织及其性能（4）珠光体（P）。它是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。平均含碳量为0.77%。 （5）莱氏体（Ld）。它分为高温莱氏体和低温莱氏体。1）高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，用符号Ld表示。2）低温莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的共晶体，用符号Ld表示。莱氏体的平均溶碳量为4.3%，由于溶碳量高，其力学性能与渗碳体相似 二、铁碳合金的基