机械工程材料-第一章至第四章机械工程材料

1、一、材料科学的重要地位1材料的发展与人类社会的发展紧密联系 。人类社会历史：石器时代、 铜器时代和铁器时代。2我国劳动人民在材料发展上曾取得辉煌成就。3材料在现代科技中占有重要地位。 材料、信息和能源是现代科技三大支柱。二、材料科学与社会发展二、材料科学与社会发展1、材、材料与人类生活料与人类生活人类社会依据制造人类社会依据制造生产工具的材料生产工具的材料来进行历史划分来进行历史划分 旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前） 人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。人类在地球上出现之后，最早使用的工具

2、是石头。 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前） 石头石头石器石器 新石器时代（新石器时代（1万年前）万年前） 原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷陶瓷。精美石器精美石器陶器陶器人类第一种合成材料人类第一种合成材料 青铜器时代（青铜器时代（4000年前）年前） 奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。 我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平 青铜（铜锡合金）青铜（铜锡合金） 人类发明的第一种合金人类发明的第一种合金 铁器时代（铁器时代（1400年前，春秋战国年前

3、，春秋战国）生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。了巨大的推动作用。汉代汉代“先炼铁后炼钢先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。技术居世界领先地位。铁器物品铁器物品铁制车轮铁制车轮 其他材料其他材料与陶瓷材料和金属材料发展的同时与陶瓷材料和金属材料发展的同时天然高分子材料天然高分子材料 棉、麻、丝绸材料棉、麻、丝绸材料功能材料功能材料 磁铁磁铁指南针指南针 新石器（制陶）新石器（制陶）东汉（制磁）东汉（制磁）唐（釉）唐（釉）唐（顶峰）唐（顶峰） 陶瓷的发展陶瓷的发展2. 材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文

4、明的联系 现代社会文明的三大支柱：能源、信息和现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料材料 信息时代是建立在信息时代是建立在材料材料的基础上的基础上 硅半导体硅半导体晶体管晶体管集成电路集成电路计算机计算机 磁性材料磁性材料信息贮存信息贮存 激光材料激光材料+光导纤维光导纤维信息传输信息传输信息网络信息网络 能源技术以能源技术以材料材料为支撑为支撑 再生能源、核能、燃料电池等再生能源、核能、燃料电池等信息时代信息时代基础基础保证保证关键关键扩展扩展课程总特点：课程总特点：内容多，涉及面广，前后关联内容多，涉及面广，前后关联性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容性强，概念性、理解性、结论性、记

5、忆性内容多，数学推理较少。多，数学推理较少。 简单金属原子之间的结合键完全为金属键； 过渡族金属原子的结合键以金属键为主，但是也有共价键成分。 由于金属键没有方向性,原子之间也没有选择性,所以在受外力作用而发生相对移动时金属键不会破坏。 以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电和导热性能。 根据材料的本性或其结合键的性质，工程材料可以分为根据材料的本性或其结合键的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。 陶瓷是金属元素陶瓷是金属元素(或亚金属如硅等或亚金属如硅等

6、)的化合物，可以认为的化合物，可以认为是各种是各种无机非金属材料无机非金属材料的统称。的统称。金属原子与异种原子化合时形成很强的金属原子与异种原子化合时形成很强的离子键离子键，同时也，同时也存在有一定成分的存在有一定成分的共价键共价键，但仍以离子键为主。，但仍以离子键为主。陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作为结构材料。但耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作为结构材料。但是由于离子键、共价键对周围原子（或离子）有选择性或是由于离子键、共价键对周围原子（或离子）有选择性或方向性方向性,在受外力作用而发

7、生相对移动时结合键就会破坏，在受外力作用而发生相对移动时结合键就会破坏，所以一般陶瓷材料所以一般陶瓷材料脆性脆性都很大。都很大。 主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分子主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分子可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在5000以以上。上。大分子内的原子之间由很强的大分子内的原子之间由很强的共价键共价键结合，而大分子与结合，而大分子与大分子之间的结合力为大分子之间的结合力为范德华力和氢键范德华力和氢键。由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别当分子链

8、缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的结当分子链缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的结合力，所以：合力，所以：高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能，蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。在工程上是发展最快的一类新型结构材料。胶粘剂胶粘剂复合材料就是由两种或两种以上不同材料通过定的工艺复合而成的，性能明显优于原材料的新材料。 复合材料通常分为树脂基复合材料、金复合材料通常分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。属基复合材料和

9、陶瓷基复合材料三大类。 如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景阔的发展前景 第一章第一章工程材料的性能工程材料的性能1.1.11.1.2材料的力学性能材料的力学性能材料的物理化学性能材料的物理化学性能1.2 材料的工艺性能材料的工艺性能1.3 常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标在选材中的意义 通过本章的学习，通过本章的学习，掌掌握握材料常用的力学性能材料常用的力学性能

10、指标及力学性能指标在指标及力学性能指标在选材中的应用选材中的应用1.常用的力学性常用的力学性 能指标能指标2.力学性能指标力学性能指标 在选材中的意义在选材中的意义1.1材料的使用性能材料的使用性能 1.1材料的使用性能材料的使用性能1.1.1材料的力学性能材料的力学性能 1. 掌握力学性能指标及意义掌握力学性能指标及意义2. 了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。3. 了解各种硬度实验测试方法和应用范围。了解各种硬度实验测试方法和应用范围。4. 了解冲击实验方法和所测指标的意义。了解冲击实验方法和所测指标的意义。材料的性能：材料的性能：工艺性能工艺性能

11、、使用性能、使用性能。 使用性能使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。如：力学性能、物理性能、化学性能。如：力学性能、物理性能、化学性能。 工艺性能工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。第第1章章 11.1.1材料的力学性能材料的力学性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能力学性能外力外力形式：形式：拉拉伸、伸、压压缩、缩、弯弯曲、曲

12、、剪剪切、切、扭扭转等。转等。载荷载荷形式：形式：静静载荷、载荷、冲击冲击载荷、载荷、交变交变载荷等载荷等。指标指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等。1.强度、刚度与塑性强度、刚度与塑性2第第1章章 静载单向静拉伸实验静载单向静拉伸实验应力应力 ()：单位横截面积的内力：单位横截面积的内力标准拉伸试样：长试样标准拉伸试样：长试样L0=10d0 短试样短试样L0=5d0 1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 3静载单向静拉伸应力静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线介绍拉伸实验：介绍拉伸实验：弹性变形弹性变形阶段阶段屈服屈服阶段阶段强化强化阶段阶段缩颈阶段

13、缩颈阶段试样试样断裂断裂1.1.1材料的力学性能材料的力学性能4静载单向静拉伸应力静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线分析拉伸实验：分析拉伸实验：oe弹性变形弹性变形阶段阶段csd屈服屈服阶段阶段db强化强化阶段阶段bk缩颈缩颈阶段阶段k试样试样断裂断裂第第1章章 1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 5(1)强度强度 弹性极限弹性极限e e=Fe/So 材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。 单位单位: MPa(MN/mm2) 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 屈服极限屈服极限s(屈服

14、强度或屈服点屈服强度或屈服点)s=Fs/So （MPa）金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。（MPa）1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 6条件屈服强度条件屈服强度0. 2 规定残余伸长率为规定残余伸长率为0. 2%时的应力值。时的应力值。(L=0.2%LO) 用于无屈服点的中高碳钢。用于无屈服点的中高碳钢。脆性材料：脆性材料：b=s 灰口铸铁灰口铸铁 抗拉强度抗拉强度b (强度极限强度极限)是试样被拉断前的所能承受的最大应力是试样被拉断前的所能承受的最大应力 b=Fb/So（MPa）材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值材料抵抗外力而不致断裂的最

15、大应力值 屈强比屈强比 s与与b的比值。的比值。 屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高， 屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。(2)刚度刚度表示材料抵抗弹性变形的能力。表示材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量弹性模量EE=/杨氏弹性模量杨氏弹性模量,应力应变的比值应力应变的比值,单位单位MPa。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 7E愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。(3)塑性塑性断后伸长率断后伸长率断面收缩率断面收缩率%100001LLL%100010SSS是衡量材

16、料产生弹性变形难易程度的指标是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。材料在断裂前发生塑性变形的能力材料在断裂前发生塑性变形的能力1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 8断面收缩率不受试样尺寸的影响断面收缩率不受试样尺寸的影响、越大，材料塑性越好越大，材料塑性越好2. 硬度硬度 材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念， 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其他机

17、械性能，因此在生产和科研中应用广泛。料的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 9(1) 布氏硬度布氏硬度硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。等。 布氏硬度测定的原理布氏硬度测定的原理 是把一定直径的淬火是把一定直径的淬火钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球，以规定的，以规定的载荷载荷F压入压入被测材料表面，保持被测材料表面，保持一定时间一定时间后后卸除载荷卸除载荷，测出，测出压痕直压痕直径径d，

18、求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的，求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为商即为布氏硬度布氏硬度。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 10布氏硬度测试原理示意图布氏硬度测试原理示意图1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 11布氏硬度测定主要适用于布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。轻软的轴承合金等原材料。 标注：如标注：如120HBS10/1000/10，即表示用直径，即表示用直径D=10m

19、m 的淬火钢球压头在的淬火钢球压头在1000kgf(9.8KN)的试验载荷作用下，保持的试验载荷作用下，保持10秒所测得布氏硬度值为秒所测得布氏硬度值为120 。HBS只可用来测定硬度值小于只可用来测定硬度值小于450的的金属材料金属材料 500HBW5/750表示用直径表示用直径D=5mm 的硬质合金球压头在的硬质合金球压头在750kgf(7.35KN)的试验载荷作用下，保持的试验载荷作用下，保持10-15秒秒(不标注不标注)所测得布氏硬度值为所测得布氏硬度值为500 。HBW可用来测定硬度值可用来测定硬度值450-650的金属材的金属材料料布氏硬度的试验规范布氏硬度的试验规范布氏硬度的表示

20、方法布氏硬度的表示方法1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 12(2)洛氏硬度洛氏硬度（HR） 洛氏硬度测试原理洛氏硬度测试原理 洛氏硬度测定时需要先后洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷施加二次载荷 （初载荷（初载荷F0和主载荷和主载荷F1） 预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好, 以保证测量结果准确。以保证测量结果准确。 洛氏硬度就是以洛氏硬度就是以主载荷引起的主载荷引起的残余压入深度残余压入深度来表示来表示硬度值硬度值。硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出 1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章

21、章 13洛氏硬度实验原理示意图洛氏硬度实验原理示意图1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 14洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法如如4045HRC 常见洛氏硬度的试验条件及应用范围常见洛氏硬度的试验条件及应用范围硬度硬度符号符号压头压头总载荷总载荷（kgf）表盘上刻表盘上刻度颜色度颜色常用硬度常用硬度值范围值范围使用范围使用范围HRA金钢石圆金钢石圆锥锥60黑黑 色色2085碳化物、硬质合碳化物、硬质合金、表面淬火层金、表面淬火层等等HRB1.5875mm钢球钢球100红红 色色25100有色金属、退火有色金属、退火及正火钢等及正火钢等HRC金钢石圆金钢石圆锥锥150黑黑 色色206

22、7调质钢、淬火钢调质钢、淬火钢等等151.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 15特点与应用特点与应用 洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于适合于成品检验。成品检验。 设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度可用来测定各种需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度可用来测定各种金属材料的硬度。金属材料的硬度。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 16(3)(3)维氏硬度维氏硬度(HV) 为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致

23、的硬度标度，为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。因而制定了维氏硬度试验法。 是用一种顶角为是用一种顶角为136的正四棱锥的正四棱锥体体金钢压头金钢压头，在，在载荷载荷F(kgf)作用下，试作用下，试样表面压出一个样表面压出一个四方锥形压痕四方锥形压痕，测量压，测量压痕痕对角线长度对角线长度d(mm)供以计算试样的硬供以计算试样的硬度值。度值。 根据根据d值查表即可得到值查表即可得到硬度硬度值值。维氏硬度试验法原理维氏硬度试验法原理1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 17 维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及维氏硬度试验主要用来测

24、定金属镀层、薄片金属以及化学热处理化学热处理(如氮化、渗碳等如氮化、渗碳等)后的表面硬度。后的表面硬度。 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，表示，HV前面为硬度值，前面为硬度值，HV后面的后面的数字按试验载荷、试验载荷保持时间数字按试验载荷、试验载荷保持时间(1015s不标注不标注)的顺序的顺序表示试验条件。例如：表示试验条件。例如： 640HV30表示用表示用294.2N(30kgf)的试验载荷，保持的试验载荷，保持1015s(不标出不标出)测定的测定的维氏硬度值为维氏硬度值为640； 640HV30/20表示用表示用294.2N(30kgf)的试验载荷的试验载荷，保持保持20s测测定的

25、定的维氏硬度值为维氏硬度值为640。维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 183. 冲击韧性冲击韧性(Ak或或ak ) 韧性韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力：材料断裂前吸收变形能量的能力冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。ak=冲击破坏所消耗的功冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口标准试样断口截面积截面积F 单位为焦耳单位为焦耳/厘米厘米（J/cm） ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。

26、值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。Ak=mg(h1-h2)冲击吸收冲击吸收(Ak) ：单位为焦耳单位为焦耳冲击韧度冲击韧度(ak) ：韧脆转变温度：韧脆转变温度：冲击吸收功急剧冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急剧转变变化或断口韧性急剧转变 的温度区域。的温度区域。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 19冲击韧性实验冲击韧性实验Ak=h1-h24. 疲劳强度疲劳强度-1 1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 2080%的断裂由疲劳造成的断裂由疲劳造成 疲劳断裂：疲劳断裂：材料在承受大小和方同随时间作周期性变化材料在承受大小和方同随时间作周期性变化 (包包

27、括交变应力和重复括交变应力和重复)的载荷作用下，往往的载荷作用下，往往在远小于强度极限，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。疲劳强度疲劳强度(疲劳极限疲劳极限)：材料经无数次应力循环而不发生疲劳材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。断裂的最高应力值。循环基数：钢铁材料循环基数：钢铁材料10；非铁金属；非铁金属10；腐蚀介质作用下；腐蚀介质作用下107陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响

28、因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、 表面状态、残余应力等。表面状态、残余应力等。86 有些有些高强度高强度材料的零材料的零(构构)件往往在远件往往在远低于屈服点低于屈服点的状的状态下发生脆性态下发生脆性断裂断裂；中、低强度中、低强度的重型零的重型零(构构)件、大型结件、大型结构件构件也有也有类似情况。类似情况。 1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 21(2)裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式(1)低应力脆断低应力脆断应力场强度因子应力场强度因子 ：IKYaIKYaIKYaIKYa1.1.1材料的力学性能材料的

29、力学性能第第1章章 22单位为单位为MPam1/2， 断裂韧度断裂韧度：当当KI达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附加的内应力达到材料的断裂强度，加的内应力达到材料的断裂强度，裂纹裂纹将发生将发生突然的失稳扩展突然的失稳扩展，导致，导致构件脆断构件脆断。这时。这时所对应所对应的应力场强度因子的应力场强度因子KI就称为材料的断裂韧度就称为材料的断裂韧度，用用KIC表示。表示。KIC的单位与的单位与KI相同，相同，它表示材料它表示材料抵抗裂纹失稳扩展抵抗裂纹失稳扩展(即抵抗脆性断裂即抵抗脆性断裂)的能力的能力。1.1.1材料的力学性能材料的力学性能第第1章章 231

30、.1.2 材料的物理化学性能材料的物理化学性能 1.1.2 24 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能 1. 物理性能物理性能金属的密度就是单位体积金属的质量金属的密度就是单位体积金属的质量用符号用符号 (g/cm3或或kg/m3)表示。表示。 (2)熔点熔点： (3)导电性导电性：(4)导热性导热性： (5)热膨胀性热膨胀性： (6)磁性磁性： 缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度（缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度（或或K）。）。 材料传导热量的能力。材料传导热量的能力。 是材料传导电流的能力。是材料传导电流的能力。 材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热材料因温度变化而引起的体积

31、变化现象称为热膨胀性。膨胀性。 材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性。或磁性。 (1)密度密度：第第1章章 1.1.2 材料的物理化学性能材料的物理化学性能 第第1章章 252.化学性能化学性能金属材料与周围介质接触时抵抗金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。发生化学或电化学反应的性能。(1)耐腐蚀性耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。(2)抗氧化性抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮 的能力。的能力。耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其

32、合金等等。耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等。如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。1. 2 材料的工艺性能材料的工艺性能 第第1章章 26指材料适应加工工艺要求的能力指材料适应加工工艺要求的能力1.铸造性能铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能， 包括：流动性能、收缩性、偏析等。包括：流动性能、收缩性、偏析等。 2.焊接性能焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。处是否能满足使用目的的特性。3.锻造性能锻造性能金属材料在锻压加

33、工中能承受塑性变形而不金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。破裂的能力。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，锻造性越差。含碳量越高，锻造性越差。1.2材料的工艺性能材料的工艺性能含碳量含碳量4.3%的铁碳合金铸造性最好的铁碳合金铸造性最好。1.2 材料的工艺性能材料的工艺性能 第第1章章 274.切削加工性切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。包含：包含：刀具耐用度；切削力，切削温度，刀具耐用度；切削力，切削温度，表面加工质量，表面加工质量，切屑的形状或断屑难易程度。切屑的形状或断屑难易程度。 5.冲压性

34、能冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。 含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。含碳量越高，冲压性越差。含碳量越高，冲压性越差。6.热处理工艺性热处理工艺性：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。 如：淬硬性、淬透性。如：淬硬性、淬透性。 1.3 常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标在选材中的意义1.3常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标在选材中的意义1.3.1刚度和弹性刚度和弹性 第第1章章 281、刚度、刚度刚度和弹

35、性刚度和弹性 当零件的尺寸和外加载荷一定时，材料的当零件的尺寸和外加载荷一定时，材料的弹性模量弹性模量E(或或切变模量切变模量G)越高，越高，零件的弹性变形量越小，则零件的弹性变形量越小，则刚度越好刚度越好。 1.3.1 如果要在给定的弹性变形量下，如果要在给定的弹性变形量下，要求零件的重量最轻，要求零件的重量最轻，则必须按照比刚度进行选材。则必须按照比刚度进行选材。 e2、弹性、弹性 材料的材料的弹性极限弹性极限越高和弹性模量越高和弹性模量E越低越低，则弹性能越大，则弹性能越大,零件的零件的弹性越好弹性越好。 工程结构中的弹簧都选用弹性模量较大，弹性极限或屈服工程结构中的弹簧都选用弹性模量较

36、大，弹性极限或屈服强度较高的材料。强度较高的材料。 如汽车板弹簧，常选用合金弹簧钢经淬火如汽车板弹簧，常选用合金弹簧钢经淬火+中温回火，中温回火，以获得尽可能高的弹性极限和屈服强度。以获得尽可能高的弹性极限和屈服强度。1.3.2硬度与强度硬度与强度 第第1章章 29硬度和强度硬度和强度1、硬度、硬度1.3.2 1.3.2硬度与强度硬度与强度 第第1章章 30硬度高，耐磨性就好硬度高，耐磨性就好，一般情况下，在一定的处理工艺下，一般情况下，在一定的处理工艺下，只要硬度达到了规定的要求，其他性能也基本能达到要求。只要硬度达到了规定的要求，其他性能也基本能达到要求。 同样的硬度可以通过不同的处理工艺

37、得到。同样的硬度可以通过不同的处理工艺得到。 2、强度、强度S=/K 承受纯剪或纯拉的零件承受纯剪或纯拉的零件， 可直接作为设计的依据，可直接作为设计的依据，并取并取K=1.11.3。屈服强度屈服强度SS 承受交变接触应力承受交变接触应力的零件，除保证表面高硬度外，要适当的零件，除保证表面高硬度外，要适当提高提高零件心部零件心部屈服强度屈服强度； 低应力脆断低应力脆断的零件，其承载能力决定于材料的韧性，应适当的零件，其承载能力决定于材料的韧性，应适当地地降低降低材料的材料的屈服强度屈服强度； 承受弯曲和扭转承受弯曲和扭转的轴类零件，只要求一定的淬硬层深，对于的轴类零件，只要求一定的淬硬层深，对

38、于零件零件心部的屈服强度不需做过高要求心部的屈服强度不需做过高要求。抗拉强度抗拉强度b1.3.2硬度与强度硬度与强度 第第1章章 31疲劳断裂：疲劳断裂：通常也以抗拉强度来衡量疲劳强度的高低通常也以抗拉强度来衡量疲劳强度的高低 塑性低的材料塑性低的材料 ： 抗拉强度作为两种不同材料或同一材料在两种不同热处抗拉强度作为两种不同材料或同一材料在两种不同热处理状态下性能比较的标准。理状态下性能比较的标准。b= /K 1.3.3塑性和冲击韧性塑性和冲击韧性 第第1章章 32塑性和冲击韧性塑性和冲击韧性1.3.3 1、塑性、塑性 塑性指标塑性指标、 只能表示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能反映应力只能表

39、示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸等对断裂强度的影响，因此集中、工作温度、零件尺寸等对断裂强度的影响，因此不不能可靠的避免零件脆断。能可靠的避免零件脆断。 是材料产生塑性变形使应力重新分是材料产生塑性变形使应力重新分布而减少应力集中的能力的度量。布而减少应力集中的能力的度量。 KAKa冲击韧性指标冲击韧性指标或或表征在有缺口时材料塑性变形表征在有缺口时材料塑性变形的不足。的不足。 2.冲击韧性冲击韧性KAKa或的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了而且对温度很敏感，正好弥补

40、了、由于影响材料冲击韧性的因素很多，由于影响材料冲击韧性的因素很多，1.3.4断裂韧度断裂韧度1.3.5材料强度、塑性与韧性的合理配合材料强度、塑性与韧性的合理配合 第第1章章 33不能定量的用于设计不能定量的用于设计 。KAKa断裂韧度断裂韧度1.3.4 低应力脆断为主要危险时，其承载能力取决于材料的断裂低应力脆断为主要危险时，其承载能力取决于材料的断裂韧度，应该根据断裂韧度韧度，应该根据断裂韧度KIC选材选材 。材料强度、塑性与韧性的合理配合材料强度、塑性与韧性的合理配合1.3.5 若若b1400MPa，随强度增加，其疲劳寿命可能会随强度增加，其疲劳寿命可能会对于以低应力脆断为主要危险的零

41、件，应该对于以低应力脆断为主要危险的零件，应该反而降低。反而降低。1.3.5材料强度、塑性与韧性的合理配合材料强度、塑性与韧性的合理配合 第第1章章 34用断裂韧度来选材。用断裂韧度来选材。 来计算和选材，来计算和选材，提高屈服强度可以提高零件的允许工作提高屈服强度可以提高零件的允许工作应力和减轻零件的重量应力和减轻零件的重量。 以高周疲劳断裂为主要危险的零件以高周疲劳断裂为主要危险的零件，在，在 b1400MPa范围内，范围内，提高材料强度，适当降低塑性、韧性提高材料强度，适当降低塑性、韧性 。这类中低强这类中低强度材料的断裂韧度较高，度材料的断裂韧度较高， 可以用工作应力可以用工作应力KS

42、第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第二节第二节 实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷第三节扩散第三节扩散第四节第四节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 晶体：原子（离子或分子）在三维空间中有晶体：原子（离子或分子）在三维空间中有规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体。规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体。如：金属材料、冰糖、如：金属材料、冰糖、NaCl。 单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：SiSi、GeGe单晶。单晶。 多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如

43、：金属材料。多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。 非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。图图1-1 单晶体单晶体（一）晶体与非晶体（一）晶体与非晶体ABC单晶体与多晶体单晶体与多晶体 晶体结构：是指组成晶体的物质质点（分子、原子、离子、原子集团）依靠一定的结合键结合后，在三维空间做有规律的周期性的重复排列方式。 （二）（二） 晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数 空间点阵空间点阵特点特点（有规则、周期性、重复排列）有规则、周期性、重复排列） 1）空间规则排列点的阵列，无限；

44、）空间规则排列点的阵列，无限； 2）点阵中的每一点具有相同的周围环境。）点阵中的每一点具有相同的周围环境。 3）原子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这些点）原子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这些点称为称为“结点结点”、 “格点格点”或或“阵点阵点”（实际为物质质（实际为物质质点的平衡中心的位置）。点的平衡中心的位置）。图图11 空间点阵模型空间点阵模型图图1-2晶格示意图晶格示意图 晶格晶格：假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线连接起来就形成了直线连接起来就形成了“空间（空间（几何）几何）格架格架”，这种假想，这种假想格架称为格架称为“晶格

45、晶格”。 图图13 描述晶胞六要素描述晶胞六要素晶胞晶胞：能够反应晶格特征的最小几何单元。：能够反应晶格特征的最小几何单元。晶格参数晶格参数包括：晶格常数包括：晶格常数 a、b、c（棱边）（棱边） 棱间夹角棱间夹角a a、b b、g g晶胞晶胞在三维空间周期性重复排列在三维空间周期性重复排列晶格晶格空间点阵空间点阵直线直线晶体结构晶体结构总结总结规律的共性规律的共性 晶体结构的实际种类有晶体结构的实际种类有多，而空间点阵多，而空间点阵的种类的种类有限有限。根据晶胞的对称性，及6个晶格参数的可能的组合，可将金属的晶体结构总结为7大晶系，14种布拉菲点阵.Orthorhombic1.面心立方晶格（

46、face-centered cubic)简称（FCC或A1） 图图14 FCC晶格模型晶格模型1）结构特点 立方体的8个顶点个各有一个原子， 6个面的面心各有一个原子。 gFe、Au、Ag、Cu、Ni、Pb等42面面心心立立方方晶晶格格2）晶格参数）晶格参数 a =b =c =1a 903）原子半径）原子半径 ：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。4） 晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数目。晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数目。

47、n81861/2=4fcc晶胞中原子相距最近的方向是晶胞中原子相距最近的方向是面对角线面对角线，因此，因此 R a 致密度：单胞中原子体积与单胞体积之比3342344aa图图15 FCC晶格配位数晶格配位数致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。配位数：配位数：单胞中与任一原子相距最近邻单胞中与任一原子相距最近邻且等距离的原子个数。所以，且等距离的原子个数。所以，CN 12K=741）结构特点：八个顶点各有一个原子，立方体的体心有一个原子。 Fe、Cr、W

48、、Mo等30种。2）晶格常数：a =b =c =1a 90o 图图1-6体心立方的体心立方的晶体结构晶体结构a433343342aa68 CN84）单胞中的原子个数）单胞中的原子个数 n8 1/8 1 22 体心立方晶格（体心立方晶格（BCC或或A2）3）原子半径：）原子半径： (体对角线方向）体对角线方向）R5）K1、结构特点：原子分布在六方晶胞的12个角上，上下底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙（3原子在底面上的投影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。属于此类晶格的金属有：Mg、Cd、Zn、Be等。（当原子之间距离相等时c/a=1.633最紧密结构） ，74.043634638,

49、213acarcaarK633.138由以上数据可知：由以上数据可知：FCC，hcp为最紧密排列，为最紧密排列，BCC为次紧密排列。为次紧密排列。 a42a43（1）在晶向中任选一阵点为原点，三个基矢为坐标轴OX 、OY、OZ。（2）选取距原点O最近的一点P，以一个a为度量单位，求出P点坐标值（x,y,z）（3）将坐标值乘以最小公倍数，将其化简成最小的整数放入uvw内(不加逗号） 例如：OA晶向指数为110，OX晶向指数为100，OY晶向指数为 010 , OZ指数为001；XO指数为 00，ZA指数为终点坐标减始 点坐标, 故晶向指数为11 。1A XYZO图图17 晶向指数的标志晶向指数的

50、标志三、三、立立方方晶晶系系晶晶向向指指数数与与晶晶面面指指数数（一）（一） 晶向指数：表示某晶向的空间几晶向指数：表示某晶向的空间几何方位。用何方位。用uvw表示。表示。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。 1. 立方晶系晶向指数的标志方法立方晶系晶向指数的标志方法 1(2).将各指数乘以-1如001与00 代表空间另一组晶向1 1111111111111晶面指数的标定方法（1）选择不在要表示的晶面上的晶格中的任一结点为空间坐标系的坐标原点O，以过该

51、点的三条基矢为坐标轴OX、OY、OZ。（关键：晶面与坐标原点不能有 交点）（2）以单位基矢为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（m n p）（3）取截距的倒数（1/m ，1/n，1/p），化为最小整数放入（h k l）内图图18 晶面指数的标志晶面指数的标志（1）一个晶面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行的）一个晶面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行的晶面。晶面。将晶面指数各乘以将晶面指数各乘以-1 ，表示同一晶面如（，表示同一晶面如（111）与（）与（ ）（2）晶面空间方位不同但）晶面空间方位不同但原子排列规律相同原子排列规律相同属于同一晶面属于同一晶面 族，用族，用hkl表示。如：表

52、示。如： 1 0 0 晶 面 族 包 括 （晶 面 族 包 括 （ 1 0 0 ） + （ 0 1 0 ） + （ 0 0 1 ） 。） 。 110晶面族包括（晶面族包括（110）+(101)+(011)+( 10)+( 01)+(01 )111晶面族包括（晶面族包括（111）+（ 11 ）+ （1 1）+ （11 ）4组组11 1111111（三）、立方晶系晶向与晶面的关系（三）、立方晶系晶向与晶面的关系1指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（111)111。2晶向与晶面相互平行时满足晶向与晶面相互平行时满足hu+kv+lw0，如，如 (111） 10 1图

53、图111 单晶体的各向异性单晶体的各向异性1、单晶体的、单晶体的各向异性各向异性：单晶体各个方向的单晶体各个方向的机性、物性、化学性能等不同。机性、物性、化学性能等不同。 如：如：BCC结构的结构的111方向的弹性模量方向的弹性模量 E111290000MPa，E100135000MPa， 而多晶体的而多晶体的E210000MPa。3、多晶体的、多晶体的伪各向同性伪各向同性：多晶体沿各个方向的性能相近多晶体沿各个方向的性能相近。 原因是：原因是：单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。量位向不同的晶粒和亚晶粒组成

54、。2、非晶体的、非晶体的各向同性各向同性：非：非晶体沿各个方晶体沿各个方向的性能完全相同向的性能完全相同。1. FCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为111与与2. BCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为110与与体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 aa1212aa7 .02212aa15.131212aa1212aa221212aa58.03212(111)(001)111由于结晶或变形使金属原子脱离开由于结晶或变形使金属原子脱离开平衡位置跑到间隙位置或晶体的外平衡位置跑到间隙位

55、置或晶体的外表面，在晶体内部便形成空表面，在晶体内部便形成空位和间位和间隙原子。隙原子。图图112 晶体中的两种空位晶体中的两种空位a)肖脱基空位肖脱基空位 b)弗兰克尔空位弗兰克尔空位离开平衡位置的原子，有两种去处：离开平衡位置的原子，有两种去处：一种可能是跑到表面，此时产生的一种可能是跑到表面，此时产生的空位叫空位叫肖脱基空位肖脱基空位，另一种可能跑，另一种可能跑到点阵间隙中，形成到点阵间隙中，形成弗兰克尔空位弗兰克尔空位。在形成在形成弗兰克尔空位弗兰克尔空位时，伴随产生一个间隙原子。时，伴随产生一个间隙原子。实际金属中常见的是实际金属中常见的是肖脱基空位肖脱基空位 间隙原子就是位于晶格间

56、隙中的原子。有两种类型：线缺陷：指两维尺度很小，而第三维尺度很大的缺陷，即位错。有两种类型：刃型位错与螺型位错。位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。 GH金属晶体中，右侧上下两部分原子沿滑移面ABCD发生了滑移，这时，已滑移区与未滑移区的边界线bb，即位错线。而aa右方的晶体，下面层原子相对错开了一个原子间距d，而在bb与aa之间出现了一个约有几个原子宽的过渡区，过渡区的原子的正常位置发生了错动，原子沿ab c d

57、. b。原子每作一循环排列时，移动一原子间距。实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，长则可穿透晶体。长则可穿透晶体。 位错线周围产生晶格畸变(晶格歪扭现象)使材料的强度、硬度升高。 变形量越大，位错密度越大，材料的强度、硬度越高。 n 实际晶体中存在着大量的位错，一般以空间三维网状分布实际晶体中存在着大量的位错，一般以空间三维网状分布 网络中的各线段可以是刃型，螺型或混合型位错。网络中的各线段可以是刃型，螺型或混合型位错。n晶体中位错数目的多少一般用位错密度晶体中位错数目的多少一般用位错密度表示，表示

58、，= L/V，是，是单位晶体中所包含的位错线总长度，单位为单位晶体中所包含的位错线总长度，单位为cm /cm3 。在退。在退火态金属中火态金属中 106-108cm-2 ，而经冷形变后，而经冷形变后到到1011 1012 cm-2。面缺陷：是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。有两种类型：晶界(相邻晶粒位向差13o)与亚晶界(13o) 。1 1、晶界、晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于面缺：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于面缺陷。随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为陷。随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为510个原子间距。个原子间距。晶界分晶界分小角度晶界小角度晶界和和大角度晶界大

59、角度晶界 。 图图115 1Cr17不锈钢中的多晶体不锈钢中的多晶体图图116 晶界原子排列示意图晶界原子排列示意图1）小角度晶界:晶粒之间的位相差10o晶粒, 多晶体(20o)为大角度晶界.3）晶界处原子排列紊乱，所以具有较高的界面能。 图图117 小角度晶界示意小角度晶界示意图图（对称倾侧晶界）（对称倾侧晶界）q q/2 q q/2 对称倾侧晶界：两对称倾侧晶界：两晶粒位向差为晶粒位向差为q q，是由一系列平行等是由一系列平行等距的刃位错垂直排距的刃位错垂直排列而组成的。列而组成的。扭转晶界扭转晶界 每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般13o)的亚晶粒。 亚晶粒之间的边界叫亚晶界。晶粒越

60、细，晶界面积越大，材料的强度、硬度晶粒越细，晶界面积越大，材料的强度、硬度越高，塑性韧性越好。越高，塑性韧性越好。 3 3、晶粒与晶界对性能的影响、晶粒与晶界对性能的影响3、间隙扩散机制：杂质原子在晶格间隙中迁移。适用于杂质原子半径较小的原子如C、N、H、B等。3、表面及晶体缺陷RTQeDD0金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。图图118 G与与T的关系曲线的关系曲线或者说，金属从高温冷却下来时，必须或者说，金属从高温冷却下来时，必须使温度低于使温度低于T0结晶过程才能进行。结晶过程才能进行。T0或或：3 . 结论：1） 纯金属恒温结晶。 2）过