工程材料(吕烨)

1、工程材料工程材料第一章 工程材料的分类及性能 第二章 金属的结构与结晶第三章材料的变形第四章钢的热处理第五章 工业用钢 第六章 铸铁第七章 有色金属 第八章 常用非金属材料第九章 机械制造中的材料选择 第一章 工程材料的分类及性能 1.材料的分类 2.材料的性能绪论以轿车为例车身 零件：车顶、前壁、后壁、车门 材料：钢、塑料、复合材料车轮 零件：轮毂、轮体、轮胎 材料：钢、铝合金、复合材料变速器 零件：箱体、齿轮、传动轴、轴承 材料：钢、铸铁发动机 零件：气缸、活塞、连杆、曲轴 材料：钢、铸铁、铝合金1.材料的分类 工程上使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料。按属性分类：

2、 一金属材料：钢、铸铁、有色金属二高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维三陶瓷材料四复合材料2.材料的性能 一机械性能 (一)强度 (二)刚度 (三)塑性 (四)硬度 (五)冲击韧性 (六)疲劳强度二物理性能三化学性能四工艺性能一机械性能（一）强度1.定义：强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。拉伸试样低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸过程分三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂阶段。b是抗拉强度，是试样拉断前承受的最大载荷；s是屈服强度，是弹性变形转向塑性变形的明显标志；e是弹性极限。2.屈服强度及抗拉强度 屈服强度为金属材料产生屈服时的应力,抗拉强度为拉断前所承受的最大应力,两者大小可由拉伸

3、曲线测得. 屈强比越小,安全系数越大. 低碳钢具有屈服阶段，对于其它无明显屈服现象的材料，如高碳钢、铸铁、铜、铝等，可用0.2代替屈服极限，称为名义屈服点。(二)刚度定义：金属材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。弹性模数E：是衡量刚度大小的指标，其值等于在弹性变形范围内，应力与应变的比值。在相同外力作用下，E越大，则弹性变形越小，刚度越大。E只与材料的本性有关。 刚度除了与E有关，还与零件的形状、尺寸有关。(三)塑性 定义：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。塑性通常用伸长率，断面收缩率表示。=（LL0）/ L0100%=（F0F）/ F0100%、越大，塑性越好。(四)硬度1定义

4、：金属材料抵抗其他更硬的物体压入其内的能力。2类型：布氏硬度（HB）：HBS、HBW。洛氏硬度（HR）：HRC、HRA、HRB。维氏硬度（HV）：4硬度是一个重要的综合力学性能指标，反 映了材料在小范围内抵抗变形和断裂的力。3. 硬度实验(五)冲击韧性1定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。2冲击韧性值k用来衡量冲击韧性的大小。 k 越大，韧性越好3摆锤冲击实验4强度、塑性均好的材料，韧性好。(六)疲劳强度 1 疲劳断裂：在交变载荷下工作的一些构件,所受应力虽然低于其屈服强度，但使用中往往突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。2. 疲劳强度-1：金属材料在无数次(钢 107有色金属108)

5、重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力 3. 疲劳强度实验物理性能、化学性能和工艺性能二物理性能密度、熔点、热容、热膨胀性、导热、导电性、磁性。三化学性能耐腐蚀性、高温抗氧化性。四工艺性能 铸造性能、可锻性、可焊性、热处理性能、切削加工性能。第二章 金属材料的结构与结晶什么叫材料的结构?组成材料成分的原子及其在空间的排列方式，统称为材料的结构1金属及合金的结构一金属的晶体结构1.晶体与非晶体晶体：原子沿三维空间重复排列成有序 结构（长程有序）。特点：有序排列各向异性固定的熔点非晶体：原子无序排列（短程有序）。2晶体结构的基本概念 晶格结点晶胞晶格常数，单位是 (埃，10-10m或0.1nm)

6、晶面、晶向3常见晶体结构类型： 体心立方，如-Fe、Cr、V、W、Mo等面心立方，如-Fe、Al、Cu、Ni、Pb等密排六方，如Mg、Zn、Be等不同金属，晶体结构和晶格类型不同，因而性能不同；在同一晶体内，不同晶面和晶向上原子密度不同，因而性能不同（各向异性）。二多晶体结构与晶体缺陷1晶粒与晶界2晶体缺陷点缺陷：空位、间隙原子，导致晶格畸变，使强度、硬度升高，塑性、韧性降低。线缺陷：位错，其存在及数量的变化对性能影响很大。面缺陷：晶界，使晶体的强度、塑性、韧性提高（细化晶粒以提高材料性能），但晶界处熔点低，易腐蚀，且易聚集杂质原子。三合金的相结构和组织 概念：通过熔炼、烧结等方法，将一种金属

7、元素与其它一种或几种元素结合一起形成的具有金属特性的新物质叫合金。组成合金的各元素叫组元。合金中成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相；不同相的结合称组织。相与相之间的转变称为相变。2固态合金的基本组织（1）相结构固溶体：溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，并且不改变溶剂的晶格类型。如：铁素体、奥氏体。 置换固溶体：溶质原子占据溶剂结晶原子位置。可形成无限固溶体。 间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子晶格的间隙中。溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，造成溶剂元素的晶格畸变，导致合金强度、硬度的升高。称为“固溶强化”。 金属化合物：当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相（单相），若

8、新相的晶格结构不同于任一组成元素，则它属于金属化合物金属化合物具有较高的熔点和硬度及较大的脆性，使合金的强度、硬度上升，但塑性、韧性降低。如渗碳体Fe3C是铁碳合金中的重要强化相。（2）机械混合物 由两种或两种以上的单相机械混合而成,各单相保持晶格结构不变。机械混合物的性能一般介于各单相之间。如由铁素体和渗碳体构成的机械混合物珠光体。2金属的结晶一结晶过程1定义：液态金属在冷凝过程中，原子由无序到有序，金属由液态到固态即晶体的过程，叫结晶。2冷却曲线及过冷度实际结晶温度低于熔点，称为过冷，其差值为过冷度。冷却速度越大，过冷度也越大。 3.结晶过程 结晶过程=晶核形成+晶核成长晶核来源：自发形核

9、、外来形核树枝晶的成长 尖端处散热快，温度低，过冷度大，成长动力大，长得快，形成一次晶轴、二次晶轴等，直到晶间填满。形成大小不一、方向不同的多晶体。 二晶粒粗细对材料性能的影响晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 三凝固过程中细化晶粒的措施增大过冷度变质处理附加振动四金属铸锭的组织与缺陷（一）铸锭的组织1表层细晶区2柱状晶区3中心等轴晶区 （二）铸锭的缺陷 1缩孔和缩松 2气孔和夹杂纯铁的同素异构转变金属在固态时改变其晶格类型的过程叫同素异构转变。 3 铁碳合金相图铁碳合金是以铁为主要元素，含少量碳及其它元素的合金，也是钢和铁的总称。含碳量Wc727时, 渗碳体与奥氏体的机械混合物，含碳

10、量4.3,是液态铁碳合金在1148的共晶转变产物（当T727时，该产物转变为渗碳体与珠光体的机械混合物，称为低温莱氏体Ld），其机械性能类似于渗碳体。 二铁碳合金状态图 (一) 相图简介 (二) 结晶过程分析 1共析钢的结晶过程 室温组织：P性能：良好的综合的机械性能2亚共析钢的结晶过程室温组织：P+F性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低3过共析钢的结晶过程室温组织：P+Fe3C性能：强度、硬度较高，塑性、韧性较低；但是当含碳量过高时，晶界上形成完整网状渗碳体，强度随之下降。(三) 钢的含碳量与组织、性能的关系 利用组织和性能之间的关系，解释上图(四) 相图的应用： 铁碳合金相图主要用于铸造、

11、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的制定第三章 金属材料的变形与再结晶1 金属的塑性变形一单晶体的塑性变形1单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的,即：在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（滑移面），相对于另一部分发生滑动。 2.滑移的机理近代位错理论认为，滑移不是沿整个滑移面同时进行的，而是借助于位错的运动来实现的。二多晶体的塑性变形 晶粒度对机械性能的影响： 晶粒越细，塑性变形抗力越大，即强度越高；同时，晶粒越细，总变形量相同情况下，变形可分散在更多晶粒内进行，减少应力集中，使其在断裂前能承受较大的变形量，即提高了塑性和韧性。 细晶强化是金属的重要强韧化手段。 2冷

12、塑性变形后金属的组织和性能1 组织的变化：（1）点阵畸变，产生内应力（2）晶粒沿变形最大的方向伸长，甚至产生纤维组织，导致性能各向异性 （3）产生碎晶，即亚晶粒，位错密度增大2性能的变化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象叫加工硬化或形变强化。 3变形组织加热后的变化 1回复：T回 = 0.25T熔目的：消除内应力，部分消除加工硬化2再结晶：T再 = 0.4T熔组织：细小均匀的无畸变等轴晶目的：消除加工硬化3 晶粒长大 4金属的热变形后的组织和性能 在金属的再结晶温度以上的加工变形称为热变形（热轧、热锻）1 通过热加工碎化了铸锭中粗大的铸造组织，同时将气孔、缩松等压

13、缩，提高气密性，及力学性能2 使铸锭中的枝晶偏析和非金属夹杂物沿着变形方向细碎拉长，形成热加工纤维组织（锻造流线），使性能各向异性。3 锻造流线不能通过热处理消除，必须采用正确的热加工工艺，使流线分布合理，以保证金属的机械性能。第四章 钢的热处理 定义：将钢在固态下加热到一定温度，并保持一段时间，以适当的冷却速度进行冷却，以改变钢的组织，从而获得预期性能的工艺方法。 温度时间热处理的分类预处理、最终热处理整体热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加热表面 淬火化学热处理：渗碳、渗氮1钢的热处理原理一钢在加热时的组织转变 1.实际转变温度、过热度与过冷度：2钢在加热时的

14、组织转变 钢在加热到AC1以上温度时的组织转变P (F+Fe3C ) A3. 钢加热后得到均匀细化的奥氏体；若温度过高或保温时间过长，会导致奥氏体粗化，形成过热组织。钢的加热缺陷：氧化脱碳过热过烧二钢在冷却时的组织转变（一）过冷奥氏体的等温转变1.过冷奥氏体的等温转变曲线 （C曲线、TTT曲线)孕育期越长，过冷奥氏体越稳定；其长短取决于驱动力和扩散两个因素。“鼻温”处孕育期最短。（二）钢在冷却时的组织转变转变产物高温转变产物：过冷到727550，发生珠光体转变。 727650：珠光体P 650600：索氏体S600550：屈氏体T中温转变产物：过冷到550230，发生贝氏体转变。贝氏体：含过饱

15、和碳的铁素体及渗碳体。550350：上贝氏体B上350230：下贝氏体B下低温转变产物：过冷到230 -50，发生马氏体转变。马氏体：含过饱和碳的铁。具有硬度大、脆性大、耐磨等特点。马氏体中含碳量越高,硬度越大。马氏体转变特点：无孕育期速度快体积膨胀导致内应力增加有残余奥氏体(三)过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 (CCT 曲线)(四) 影响C曲线的因素1.含碳量的影响 亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移。共析钢过冷奥氏体最稳定、淬透性最好。2.合金对C曲线的影响2钢的热处理工艺 一.退火 把钢加热到一定温度，经过适当保温，再缓冷下来的工艺过程叫退火1完全退

16、火工艺：亚共析钢加热到Ac3以上3050组织：细化的、均匀的P+F目的：消除锻造过热组织2球化退火工艺：加热到Ac1以上2040组织：球粒状Fe3C + F目的：消除片状Fe3C，降低硬度，提高塑性；改善切削加工性及淬火易开裂性。 3扩散退火 工艺：加热到熔点以下100200 长时间保温 组织：均匀但粗化的组织 目的：消除成分偏析 4低温退火 工艺：加热到500600500600 目的：消除铸、锻、焊及机加工造成的内应力 二正火 1工艺加热到A A3 3或Acm以上3050，保温、空冷。 2组织索氏体3目的细化晶粒，提高性能。要求不高时，可代替调质处理。 锻件正火后的组织变化 改善低碳钢的切削

17、加工性球化退火前的预处理 三淬火 1工艺：加热至Ac3 或Ac1以上3050，保温，快速冷却。 2目的 获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。3淬火方法 4钢的淬透性及其影响因素由表面到50马氏体的距离为淬硬性深度，用来表示钢的淬透性影响淬透性的因素主要是化学成分：除Co以外，所有溶于奥氏体的合金元素都可提高淬透性四回火1工艺：将淬火工件重新加热到低于A1的某一温度，保温，空冷。 低温回火：温度150250 组织:回火马氏体 目的:消除内应力,不降低硬度. 用途:刀具、模具中温回火：温度350500 组织:回火屈氏体 目的:获得高弹性、高屈服强度 用途：弹簧钢高温回火：温度500600组织:回火索

18、氏体目的:获得良好的综合的机械性能，又称调质处理用途：轴、齿轮回火脆性第一类回火脆性：淬火钢在250350范围内回火时出现的脆性。（不可逆）第二类回火脆性： 淬火钢在500650范围内回火时出现的脆性。（可逆）五钢的表面热处理 1表面淬火 （1）感应加热表面淬火 （2）火焰加热表面淬火2表面化学热处理 (1) 渗碳 (2)渗氮。 热处理实例第五章 工业用钢 1 钢的分类2 合金元素对钢性能的影响 3 牌号及用途 1钢的分类 1按成分分类：碳素钢： 低碳钢：C%0.25% 中碳钢: 0.25%C%0.6%合金钢 低合金钢: 合金元素总量10% 2.按用途分类结构钢工具钢特殊用途钢3.按杂质含量分

19、类( (常存杂质:Si,Mn,P,S) )普通钢：Ws0.055,Wp0.045优质钢：Ws、Wp0.044.按金相组织分类2钢中杂质及合金元素对钢性能的影响 一杂质元素对钢性能的影响1 Mn脱氧、脱硫、固溶强化2 Si脱氧、固溶强化3 S热脆4 P冷脆二合金元素对钢的影响常用合金元素有：Si,Mn,Cr,Ni,Mo,V,W,Ti,Al等三合金元素在钢中的作用1提高机械性能固溶强化、细晶强化、弥散强化2对工艺性能的影响（1）改善钢的热处理工艺性能（2）降低铸造、锻造、焊接、切削等工艺性能3获得某些特殊的性能 耐腐蚀性、耐磨性、耐热性3 钢的牌号 一碳钢 1.结构钢：结构件及零部件 普通碳素结构

20、钢 Q235-A.F 优质碳素结构钢 08，10，15，60 碳的万分含量2. 工具钢：手动低速刀具、模具、量具等。T7T13 碳的千分含量二合金钢 1.合金结构钢 牌号：数字+化学元素+数字 碳万分含量 合金 合金百分含量 如：60Si2Mn渗碳钢：15，20，20Cr，20MnVB，20CrMnTi 如：汽车齿轮调质钢: 45，40Mn，40B，35SiMn 如：车床齿轮、轴弹簧钢: 65，65Mn，60Si2Mn 2.合金工具钢 低合金工具钢：模具，量具，低速刀具当Wc1.0%时，牌号前无碳含量。如：CrWMn当Wc1.0%时，牌号前为碳的千分含量。如9SiCr高速钢：车刀、铣刀、钻刀等

21、牌号前不标碳含量。如：W18Cr4V硬质合金：高速切削刀具钨钴合金：YG3,YG6等钨钴钛合金：YT5,YT15等 3特殊用途钢 牌号同于低合金工具钢 不锈钢：1Cr18Ni9Ti，1Cr17，1Cr13 耐热钢：4Cr9Si2 耐磨钢：ZGMn13 4 钢的性能、用途一.结构钢（一）工程构件用钢普通碳素结构钢：含碳量较低，热轧状态，不经热处理强化低合金高强度钢：低碳、低合金、较高强度，热轧或正火状态（二）机器零件用钢1.渗碳钢：低碳钢0.10.25 ，经渗碳、淬火、低温回火，表面高碳回火M,内部低碳回火M，表硬里韧，适合制造高速重载的汽车齿轮等零件。2.调质钢中碳钢0.30.5 ，经调质热处

22、理，得到回火索氏体，综合力学性能好，适合制造中速中载的齿轮、轴等零件。3.弹簧钢含碳量0.450.7，淬火中温回火，回火屈氏体 ，屈服强度和弹性极限很高 二.工具钢1.碳素工具钢： 0.71.3 ，经球化退火、淬火、低温回火，得到M回球状Fe3C+A残，高硬度，高耐磨性2.低合金工具钢含碳量0.751.5，热处理同于碳素工具钢9SiCr CrWMn 9Mn2V3.高速钢经等温退火、淬火、多次回火，得到M回碳化物+A残W18Cr4V第八章 铸铁 1铸铁的分类 2灰口铸铁的分类 1铸铁的分类 1白口铸铁：C以渗碳体形式存在 。硬而脆，一般不用来制造零件，可用作炼钢的原料。2灰口铸铁：C以游离态石墨

23、形式存在，其组织为:基体（F/F+P/P)上分布不同形态的石墨3石墨对铸铁性能的影响（1）力学性能低空洞效应、尖端效应（2）耐磨性与减振性好（3）切削加工性工艺性能好2灰口铸铁的分类 1（普通）灰口铸铁 石墨形态：片状 特点：力学性能差，消震性好，耐磨好，切削加工性能好，铸造性能好，价格便宜 。可孕育处理，提高力学性能牌号：HT100灰铸铁抗拉强度最低(MPa)牌 号用 途HT100低压力零件，如轴承盖、手轮、支架等HT200机床床身、低压气缸、低速轴瓦等。HT350气缸、飞轮、齿轮等重要零件2可锻铸铁 石墨形态：团絮状特点：力学性能比灰铸铁好。适宜做薄壁、形状复杂的小型铸件。工艺复杂，不能锻

24、造。由白口铸铁通过扩散退火获得。牌号：KTH300- 6可锻铸铁组织基体抗拉强度最低最小延伸率H:铁素体Z:珠光体(MPa)(%)牌 号用 途KTH300-6管道的弯头、接头、三通等KTH370-12农机的犁刀、犁柱、汽车拖拉机的前后轮壳等KTZ650-2曲轴、凸轮轴、连杆等3球墨铸铁 石墨形态：球状特点：基体利用率高达7090，抗拉强度、塑性、韧性高。可代替钢在静载荷或冲击不大的条件工作的凸轮、曲轴等。需球化处理和孕育处理。牌号：QT400- 18球墨铸铁抗拉强度最低最小延伸率(MPa)(%)牌 号用 途QT400-18泵、阀体、受压容器、受冲击零件等QT500-7支器底坐、齿轮、支架等QT

25、800-2曲轴、凸轮、齿轮等高强度零件第九章 有色金属1 铝及铝合金 2 铜及铜合金 看书自学1.高分子及陶瓷材料的结构高分子材料的分类 按用途分类： 橡胶 塑料 合成纤维 按性能分类： 热塑性 热固性第十章 常用非金属材料一高分子化合物的结构（1）大分子链的空间几何形状 线型（包括带支链的线型）：通常呈卷曲状，特点是弹性高、可塑性好，是热塑性高聚物（可反复塑制）。如：聚乙烯、尼龙。 网体型：呈三维网络结构，特点是硬度高、脆性大、耐热、耐溶剂，是热固性高聚物。如：酚醛塑料、环氧树脂。（2）大分子链的柔顺性线型大分子运动是以单键的内旋转方式进行的，即每个单键可绕着临近的键在保持键角不变的情况下旋转。大分子由于单键数目很大，因而使大分子的形状有无数的可能性（称为大分子链的构象），在受到不同外力时具有不同的卷曲程度，从而