机械工程材料

1、1,机械工程材料,教材:朱张校主编、郑明新主审工程材料清华大学出版社 2001年1月第3版 参考书:戈晓岚主编机械工程材料 北京大学出版社,中南大学 机电工程学院,2,1 课程的性质： 机械工程材料是机械专业必修的一门技术基础课，重点是研究金属材料的性能与成分、组织结构、热处理之间的关系。 2 课程的目的： 获得金属学基础知识； 掌握热处理的基本理论及方法； 掌握钢的合金化基本原则、常用机械工程材料等方面的基本知识； 为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、管理等方面的工作奠定必要的基础。,绪 论,3,了解金属材料的主要力学性能； 了解金属学基础，掌握Fe-Fe3C状态图，熟悉金属

2、塑性变形的实质及其对组织和性能的影响； 熟悉热处理的基本理论，掌握常用的热处理方法的目的、工艺特点和应用范围； 了解钢中合金元素的作用，掌握常用合金（碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金等）的种类、牌号、性能及用途；了解常用非金属材料的种类、特性及应用； 熟悉选用材料的基本原则，根据零件的使用性能、工艺性能以及经济性，能比较合理地选用材料和提出相应的热处理技术要求； 了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。,3、课程的基本要求,4,） 材料性能 : 重点介绍金属材料的机械性能及其物理、 化学、 工艺性能的含义； ） 金属学基础：重点研究金属和合金组织结构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二

3、元合金状态图的基本理论； ） 热处理基础 ：重点研究改变钢铁材料内部组织结构及性能的原理和方法； ） 常用机械工程材料： 具体研究各种常用机械工程材料的种类、 性能及用途。,4 课程教学内容,5,总学时：32学时 本科 课堂教学 26学时 绪论、金属材料的性能: 1学时 金属的结构与结晶： 2学时 金属的塑 性变形与再结晶： 2学时 铁碳合金相图 5学时 钢的热处理： 4学时 工业用钢： 4学时 铸铁： 2学时 有色金属及其合金： 2学时 非金属材料及复合材料: 2学时 机械零件的选材与工艺分析； 2学时 实验教学 6学时,5 学时分配,6,实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的使用实验

4、； 实验二、碳钢的热处理实验； 实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合金的观察,6 、实验内容,7,1.1 金属的晶体结构,1.1.1晶体结构的基本概念 晶体内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。 固体金属均为晶体。 非晶体原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、木材等。 空间点阵（晶格） 将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。 晶胞能够反映晶格特征的最小组成单元。,图1-1 晶体中的原子堆垛刚球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意图,第一章 材料的结构与性能,8,晶格参

5、数晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、 六个参数来描述 晶格常数a、b、c。,1.1.1 晶体结构的基本概念,图1-2 晶格参数,9,体心立方晶格-金属中如Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等属此种晶格。 面心立方晶格-金属中如Al、Mn、Ni、Cu、Ag、Pt、Au、Pb 及-Fe等属此种晶格。 密排六方晶格-金属中如Zn、Mg、Be、Cd、 -Ti及 -Co等等属此种晶格。,1.1.2 三种常见的金属晶体结构,(a)体心立方,（b）面心立方,（c）密排六方,10,1.1.3 常见金属晶体结构的特征,（1）晶胞中的原子数,面心立方晶格,密排六方晶格,体心立方晶格

6、,11,（2）原子半径,面心立方晶格,密排六方晶格,体心立方晶格,12,配位数晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。 配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。,（3）配位数和致密度,面心立方晶格：12,密排六方晶格：12,体心立方晶格：8,13,致密度-晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即 K=nU/V 配位数大，则致密度亦大。 式中：K-晶体的致密度； n-晶胞中所含原子的数目； U-每个原子的体积； V-晶胞的体积。,面心立方晶格,密排六方晶格,体心立方晶格,14,表11 三种典型金属晶体结构的特征,15,（1） 晶面-晶体中通过原子中心的平面 。 晶面指数-用以表示晶面的数字

7、符号称为晶面指数（hkl）。 晶面指数的确定： 设定一空间坐标系，原点位于待定晶面之外。 求出待定晶面在各坐标轴上的截距为：1 1 、1 1 。 取截距的倒数：1 1 0、1 1 2。 将截距的倒数化为最小整数，放在圆括号内。,1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性,16,晶面族-在同一种晶体结构中，原子排列情况完全相同的一组晶面，用 HKL表示。如：,100晶面族有： （100）、（010）和（001）晶面。,111晶面族有： （111）、（ 11）、（1 1）和（11 ）晶面 。,17,晶向族-原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向，用表示 。如： 晶向族包括：110、101、011、

8、、 、 、 、 、 、 、 、 12个晶向； 晶向族包括：111、 、 、 、 、 、 、 8个晶向。,（2）晶向-晶体中原子列所表示的方向。 晶向指数-表示晶向的数字符号称为晶向指数。uvw 晶向指数的确定： 设定一空间坐标系，原点在待定晶向的一结点上。 写出该晶向上另一结点的空间坐标值：即为001、10。 将坐标值按比例化为最小整数：001、210。 将化好的整数记在方括号中。,18,（3）金属晶体的各向异性-金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。 晶体与非晶体最根本的差别之一是：晶体具有明显各向异性，而非金属具有各向同性。 金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中，而对于实际晶体，其各向异

9、性就显示不出来了。 与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。,19,1.1.5 实际金属的晶体结构,基本概念： 单晶体金属内部的晶格方位完全一致。 多晶体多晶粒组成的实际晶体结构。 晶粒组成多晶体的外形不规则的小晶体。 晶界晶粒与晶粒间的界面。 组织用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 显微组织显微镜所观察到的组织。 亚晶粒晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。 亚晶界亚晶粒之间的界。,20,（1）点缺陷：包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。 晶格空位在晶体晶格中，某结点上没有原子的结点称为空

10、位。 间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫做间隙原子。 异类原子金属中存在的其他元素（即杂质），这些原子称为异类原子。 危害：点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。,21,（2）线缺陷：主要是位错。 位错在晶体中某处有一列或若干列原子发生的有规律的错排现象。包括：刃型位错、螺型位错。,刃型位错 螺型位错,22,（3）面缺陷：是指晶体中二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷，它包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界等， 晶界晶粒与晶粒之间的接触面。 亚晶界亚晶粒之间的边界。 作用：晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。,晶界 亚晶界,23,1.2.

11、1 合金的基本概念 合金 一种金属元素同另一种或几种金属（或非金属）元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。 组元组成合金最基本的独立物质。 二元合金由两个组元组成的合金称为二元合金。 相在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。 组织组成物合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制和特殊形态的组成部分。,1.2 合金的晶体结构,24,（1）固溶体 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。 置换固溶体在溶剂晶格的某些结点上，其原子被溶质原子所替代而形成的固溶体。 无限固溶体溶质与溶剂能以任何比例相互溶解的固溶体

12、。 有限固溶体若溶质超过某个溶解度有其他相形成，即两个元素之间的相互溶解度有一定的限度的固溶体。 间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中形成的固溶体。 固溶强化通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象。 原因：溶质原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸变，阻碍了晶体的滑移，从而使合金固溶体的强度和硬度得到提高。,1.2.2 固态合金的相结构,25,（2）中间相（金属化合物）合金组元之间相互作用形成的、晶格类型和特性均不同于任一组元的新相。 正常价化合物由元素周期表上相距较远而化学性质相差较大的两元素形成的、严格遵守化合价规律的化合物。 电子化合物不遵守一般的化合价规律但符合一定的电子浓度（化合

13、物的价电子数与原子数之比值）的化合物。 间隙相原子半径比值X/M（M代表金属、X代表非金属）小于0.59时形成的简单形式的晶格，如VC、TiN、TiC 、NbC、Fe4N等。 间隙化合物当X/M大于0.59时形成的具有复杂晶格结构的化合物，如钢中的Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等。 。,26,1.3.1 高分子材料的结构 （1）高分子材料概述 高分子聚合物（简称高聚物）以高分子化合物为主要组分的有机材料，其相对分子质量在5000以上。 分类： 天然：天然橡胶、蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、蛋白质淀粉等； 人工合成：合成橡胶、塑料、合成纤维、涂料和胶粘剂等。 单体彼此能相互连接

14、起来而形成高分子化合物的低分子化合物。 链节组成高分子化合物的长链中的基本结构单元。,1.3 非金属材料的结构,27,高分子化合物化学结构的特点： 高分子化合物的分子量很大，化学组成比较简单，同有机化合物一样仅由几种元素所组成。 其结构像一条长链，这个长链是由许多结构相同的重复单元（即链节）组成。 高分子链的所有原子之间的结合键都是共价键。 高分子化合物总含有各种大小不同（键长不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一个平均值。,28,（2）大分子链的结构 均聚物只含有一种单体链节，若干个链节由共价键按一定方式重复连接起来，像一根又细又长的链子一样。,图116 均聚物结构示意图 （a）

15、线型结构 （b）支链型结构 （c）网状结构,29,共聚物由两种以上不同的单体链节聚合而成的高分子聚合物。,图117 共聚物结构示意图（表示M1，表示M2）,30,可分为： 1. 使用性能-指金属材料在使用过程中反映出来的特性。包括： a 机械性能-金属材料必须具备的抵抗外力而不破坏或变形的性能，即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性能。 b 物理性能：密度、密度、导电性. c 化学性能：抵抗化学浸蚀的能力。 2. 工艺性能-指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性。如：铸造性、可铸性、可焊性、可切削加工性、热处理性.,1.4 金属材料的性能,31,1 强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断

16、裂的能力。包括：抗拉强度、 抗压强度 、 抗弯强度、抗扭强度 图1.2 低碳钢拉伸曲线 弹性变形将外力去掉试样将回复到原来的形状和尺寸。 塑性变形将外力去掉，试样不能恢复原状，而被伸长。,1.4.1 金属材料的机械性能,s,b,32,2 塑性金属材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。 用延伸率（）和断面收缩率（ ）来表示。 3 刚性金属材料在外力的作用下抵抗弹性变形的能力。 常用材料的弹性模量来（E）表示。E愈大，刚性愈大。 4 弹性是材料开始塑性变形前的最大弹性变形量。 5 硬度金属材料抵抗集中负荷作用的性能，即金属材料抵抗硬物压入的能力。硬度可反映耐磨性。 衡量指标有： 布氏硬度HB

17、 球压头、测压痕直径 洛氏硬度HRC 圆锥体压头、测压痕深度 维氏硬度HV,1.4.1 金属材料的机械性能(续),33,5 冲击韧性-金属材料抵抗冲击负荷的能力。 一次摆锤冲击 小能量多次冲击 6 疲劳强度-金属材料在重复或交变负荷的作用力下，循环一定周次后，断裂时所能承受的最大应力。 7 断裂韧性-金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能。,1.4.1 金属材料的机械性能（续）,34,1.4.2 金属材料的其它性能,物理性能-包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。 化学性能-主要是指金属抵抗活泼介质化学侵蚀的能力。 工艺性能-是反映金属材料在各种加工过程中，适应加工工艺要求的能力。它是

18、物理性能、化学性能和机械性能的综合表现。工艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等。,35,第2章 金属材料组织和性能的控制,2.1、纯金属的结晶 金属结晶的概念 一、结晶的概念 结晶液态金属转变成固态形成晶体 的过程。凝固即结晶。 近程有序状态液态金属内部，原子在短距离的小范围内作近似于固态结构的规则排列。不稳定。 结晶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。,36,二 结晶的条件,结晶只能在低于平衡温度下才能进行，即必须有一定的过冷度。 为什么呢？ 热力学指出：在自然界中，一切自发转变过程，是由一种较高的能量状态趋向于最低能量的稳定状态，就象小球由高处滚向

19、低处，降低自己的势能一样。所以，在恒温状态下结晶，只有那些引起体系自由降低的过程，才能自发进行。,37,三 冷却曲线及过冷度,冷却曲线-金属在结晶的过程中，其温度与时间的变化关系曲线。该曲线表明：液态金属由高温开始冷却时，周围环境吸热，温度均匀下降，当温度降到Tn后开始结晶，并放出结晶潜热，补偿了向周围散失的热量。 过冷-液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象 过冷度 T-实际结晶温度Tn与理论结晶温度To之差。,38, 2.2 金属的结晶过程,、 形核： 自发晶核-液态金属在接近结晶温度时，原子已在短距离范围内近似固态结构的规则排列，存在着大量尺寸不同的近程有序的原子集团。这些原子集团 是不稳定的，时聚时散。当温度降低到理论结晶温度以下，达到一定的过冷度以后，液态金属中那些超过临界晶核尺寸的近程有序原子集团开始变得稳定，不再消失，成为结晶的核心，这种晶核则称为自发晶核。 非自发晶核-实际的金属并不纯净，存在一些杂质，它常可以促进晶核在其表面形成 ，这种晶核称为非自发晶核。,39,、长大： 晶核形成 后，随着时间的推移，新的晶核不断产生，同时其他一些原子也按一定的规律排列在晶核四周，使晶核不断长大。当过冷度较大，特别是有杂质存在的情况 下，晶核往往是以树状的形式长大，开始形成晶轴，再在其上形成枝芽，最后发展成树枝状结晶。在晶核不断长大的同时，新的晶核也