第1章工程材料的基本知识.ppt

1、第1章 工程材料的基本知识,主要内容： 1.1 金属材料 1.2 非金属材料的力学性能,一、工程材料的种类： 工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料； 1、金属材料：黑色金属、有色金属 2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料 3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料 二、工程材料的主要性能： 1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能； 2、工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；,1.1 金属材料,1.1.1 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能也称机械性能，指金属材料在外载荷作用下，其抵抗变形和破坏的能力； 注意：材料在不同的外部条件和载荷作用下，会呈现出

2、不同的特性； 如：常温状态下和高、低温状态下金属材料的力学性能就不一样； 静载荷和动载荷作用下金属材料的力学性能也不一样； 常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；,1、强度和塑性,（1）强度 强度是指金属材料在外（静）载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度指标一般用单位面积所承受的载荷（即力）表示，符号为，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。 屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用s表示。 抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用b表示。 对于大多数机械零件（如压

3、力容器），工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件（如螺栓），而用抗拉强度作为其强度设计的依据。,（2）塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。 伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号表示。 断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用表示。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。 良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。,2、硬度,硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。一般地说，

4、硬度越高，耐磨性越好，强度也比较高； 硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法（压入硬度法）有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种。 （一）布氏硬度试验法 布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。 布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450650的金属材料，如淬火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕

5、较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。,（二）洛氏硬度试验法 洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.558mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，以一不定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。 采用120金刚石圆锥体为压头，施加压为600N时，用HRA表示。其测量范围为6085，适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件。 采用1.588mm淬火钢球为压头，施加压力为1000N时，用HRB表示，其测量硬度值范围为25100，适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等。 采用120金刚石圆锥体为

6、压头，施加压力为1500N时，用HRC表示，其测量硬度值范围为2067，适于测量淬火钢、调质钢等。 洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验。 硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。,3、 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。 冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。 ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫

7、做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。,冲击韧性值越大，则其韧性越好，塑性也越好；反之冲击韧性值越小，则其脆性越大 ； 注意： 1、材料的冲击韧性值受试验环境温度的影响大；随温度的降低而减小；存在韧脆转变温度； 2、材料的冲击韧性值还受试样形状、表面粗糙度和内部组织的影响；,4、疲劳强度和蠕变强度,（1）疲劳强度 交变载荷：大小和方向作周期性变化的载荷； 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后，在无显著的外观变形的情况

8、下，也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂； 疲劳强度：金属材料经受无数次交变载荷作用而不引起断裂的最大应力值； 提高金属材料疲劳强度的方法：改善材料的内部组织、结构设计中避免应力集中点、降低表面粗糙度、表面强化处理；,（2）蠕变强度和持久强度 在长期高温载荷条件下，金属材料对塑性变形的抵抗能力称为蠕变强度；对断裂的抵抗能力称为持久强度；,1.1.2 铁碳合金状态图,详见:铁碳合金状态图分析,铁碳合金状态图,铁素体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度很小，727时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的

9、多边形晶粒。,2.2.1 铁碳合金的基本组织,1、铁素体（F或）,2、奥氏体（A或）,奥氏体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在-Fe中的溶碳量较高，1148时2.11%；727时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。,渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，脆性很大。,3、渗碳体（Fe3C）,4、珠光体（P）,珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，

10、强度较高，硬度适中，有一定的塑性。,5、莱氏体（Ld或Ld）,莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。,目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为06.69%的铁碳合金部分（即FeFe3C部分），因为含碳量大于6.69的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的FeFe3C状态图。,2.2.2 铁碳合金状态图分析,1、主要特性点,1）A点 纯铁的熔点，温度1538,Wc=0,2）G点 纯铁的同素异构转变点，冷却到912时,发生-F-Fe,3）Q点 600时,碳在-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%,4）D点 渗碳体熔点,温度1227,Wc=

11、6.69%,5）C点 共晶点，温度1148，Wc=4.3% 成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：LcLd（AE+Fe3C）,6）E点 碳在-Fe中的最大溶解度,温度1148，Wc=2.11%,7）S点 共析点，温度727，Wc=0.77% 成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：AsP（Fp+Fe3C）,8）P点 碳在-Fe中的最大溶解度,温度727，Wc=0.0218%,2、特性线,1）ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。,2）AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状

12、态。,3）ECF水平线 共晶线，Wc2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。,4）ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（wC2.11），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C。,5）GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。,6）PSK水平线 共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727）时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。,7）GP线 0Wc0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了

13、线。,8）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600时，Wc=0.0057%。 在727缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3C）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3C的存在。,以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。,3、相区,1）单相区 有F、A、L和Fe3C四个单相区,2）两相区 五个两相区：LA两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、AF两相区、F+Fe3C两相区,3）三相区 ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C） PSK共析线

14、是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）,4、铁碳合金的分类,5、典型铁碳合金的结晶过程分析,1）共析钢的结晶过程,1点温度以上，合金处于液态； 缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量逐渐增加； 直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体； 2点至3点间为单一奥氏体的冷却； 当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转变为珠光体； S点以下，珠光体冷却至室温。,2）亚共析钢的结晶过程,亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体； 温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少，尚未转变的奥氏体的碳含

15、量沿GS线逐渐增加； 当缓冷到4点(727)时，剩余的奥氏体的Wc=0.77%，发生共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却到4点以下，组织不再产生改变。 所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。,3）过共析钢的结晶过程,过共析钢在3点以前与共析钢类似； 当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体； 随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少； 温度降到4点(727)时；剩余奥氏体恒温下发生共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳体，直至室温。 所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二次滲碳体。但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少，网状二次滲碳体的数量增加，并变得更粗大。,6、