機械基礎 項目一 機械工程材料

1、項目一 機械工程材料任務一任務一 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能 任務二任務二 金屬材料的晶體結構及性能金屬材料的晶體結構及性能 任務三任務三 鐵碳合金鐵碳合金 任務四任務四 鋼的熱處理鋼的熱處理任務五任務五 常用金屬材料常用金屬材料任務六任務六 非金屬材料非金屬材料 機械基礎機械基礎學習目標：n了解常見金屬材料的力學性能；n了解金屬材料的晶體結構及相圖分析；n掌握材料的普通熱處理及其工藝的基本知識；n了解常見工程材料的分類及選用方法。任務一 金屬材料的力學性能n任務描述：任務描述： n灰鑄鐵制造的缸體應該用何種方法測試其硬度？試闡述該方法的原理與方法。任務一 金屬材料的力學性能金屬材料

2、的分類：金屬材料的分類： 黑色金屬：鋼鐵材料 有色金屬：是指除鋼鐵材料以外的其他所有金屬材料，如銅、鋁、鎂、鈦、錫及其合金。 任務一 金屬材料的力學性能力學性能：指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗力的性能。金屬材料的力學性能，不僅是設計零件、選擇金屬材料的重要依據，還是驗收、鑒定金屬材料性能的重要依據之一。任務一 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能包括：強度、硬度、塑形、沖擊韌性和疲勞強度等。強度是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出的抵抗永久變形和斷裂的能力。根據外力作用的形式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度、抗剪強度和抗彎強度等。其大小用材料在破壞前所承受的最大應力來衡量，常

3、用的指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度和抗拉強度。一、強度拉伸試驗方法：將一截面為圓形的低碳鋼拉伸試樣，如圖1-1所示，裝夾在拉伸實驗機的夾頭上，緩慢加載，隨著外力(負荷)的不斷增加，試樣會產生拉伸變形，長度不斷增加，直至試樣拉斷。一、強度拉伸試驗過程：拉伸試驗過程： 曲線分為四階段：曲線分為四階段： 1 1）階段）階段I I（opeope）彈性變形階段彈性變形階段 p: Fpp: Fp ，e: Fe e: Fe （不產生永久變形的最（不產生永久變形的最大抗力）大抗力） opop段：段：L PL P 直線階段直線階段 pepe段：極微量塑性變形（段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)0

4、.001-0.005%) 2 2）階段）階段IIII（essess）段）段屈服階段屈服階段 S: S: 屈服點屈服點 FsFs 3 3）階段）階段IIIIII（s sb b）段）段強化階段強化階段 b:b: Fb Fb 材料所能承受的最大載荷材料所能承受的最大載荷 4 4）階段）階段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性變形局部集中塑性變形縮頸縮頸 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I I階段階段 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第IIII階段階段一、強度圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線灰鑄鐵的拉伸曲線如圖1-3所示，從圖中可以看出，試樣從開始拉伸至拉斷作用力、變形量都很小，也沒有屈服階段

5、和縮頸階段。試驗證明灰鑄鐵抗壓能力遠遠大于抗拉能力（約3-4倍）。所以以灰鑄鐵為代表的脆性材料常用作受壓構件。一、強度圖1-3 灰鑄鐵的拉伸曲線二、硬度材料抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力，即材料抵抗比它更硬的物質壓入其表面的能力 。通常采用的硬度試驗方法有以下三種：（1）布氏硬度HB（2）洛氏硬度HR （3）維氏硬度HV（1）布氏硬度HB布氏硬度試驗方法是以直徑為D的淬火鋼球（或硬質合金球）作壓頭，在一定負荷F的作用下，壓入被測材料表面，并保持一定的時間，然后卸除負荷，材料表面上出現(xiàn)一個壓坑(壓痕)。壓痕越小，硬度值越大，材料越硬；反之，材料越軟。 優(yōu)點是數據準確、穩(wěn)定、數據重復性強。缺點

6、是壓痕較大、易損傷零件表面，不能測量太薄、太硬的試樣硬度。（2）洛氏硬度HR用頂角為120的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在一定負荷(初負荷F1)的作用下壓入被測材料表面，其目的是為了消除表面不同狀態(tài)對試驗結果的影響，此時壓頭處于圖中位置1；（2）洛氏硬度HR然后再施加一定負荷(主負荷F2)，總負荷為FF1十F2，此時壓頭處于圖中位置2；保持一定時間后，卸除主負荷F2，仍保持初負荷F1，此時由于彈性變形的恢復使壓頭略有上升，壓頭處于圖中位置3。壓頭在主負荷作用下壓入材料的深度(見圖中h)，稱壓痕深度。金屬越硬，h越小。 （3）維氏硬度HV維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏

7、硬度計維氏硬度計（3）維氏硬度HV維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點：既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。 三、塑性 n金屬材料在外力作用下，產生永久變形而不斷裂的能力稱為塑性 。n常用的指標有延伸率A和斷面收縮率Z n（1）伸長率A：是試樣被拉斷后，試樣標距的伸長量與原始標距的百分比，即00100%uLLALuL0L試樣拉斷后的標距長度（mm）；試樣原始標距長度（mm）。 三、塑性 （2）斷面收縮率Z：n試樣被拉斷后，其斷面橫截面積的最大收縮量與試樣原始橫截面積的百分比，即 （1-6） S0試樣原始的橫截面積

8、（mm2）； Su試樣拉斷后斷面的最小橫截面積（mm2）。n金屬材料的A，Z越高，塑性越好 00100%uSSZS三、塑性 四、沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力，稱為沖擊韌性(簡稱韌性)。材料韌性的好壞，可通過沖擊韌度來衡量。圖1-7 擺錘沖擊測試原理五、疲勞強度交變負荷：一種大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的負荷。零件在交變負荷作用下，發(fā)生斷裂時的應力遠低于該材料的強度極限，甚至低于屈服極限，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞，由此引起的斷裂稱為疲勞斷裂。材料在無數次重復的交變負荷作用下不破壞的最大應力，稱為疲勞強度，用-1來表示。 任務二 鐵碳合金相圖n任務描述：n大多數的金屬制件都是經過熔

9、化、冶煉和澆注而獲得的，在這個過程中，如何提高金屬的強度、塑形和韌性？一、金屬的晶體結構1. 晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體：指原子呈規(guī)則、指原子呈規(guī)則、周期性周期性排列的固體。排列的固體。常態(tài)下金屬常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。 非晶體非晶體：原子原子呈呈無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過過冷液體冷液體”或或“無定形體無定形體”。 在一定條件下晶體和非晶體可互在一定條件下晶體和非晶體可互相轉化。相轉化。區(qū)別：區(qū)別： (a) (a)是否具有周期性、對稱性是否具有周期性、對稱性 (b) (b)是否長程有序是

10、否長程有序 (c) (c)是否有確定的熔點是否有確定的熔點 (d) (d)是否各向異性是否各向異性2、晶格和晶胞 用一些直線將各原子的中心連接起來，就得到一個立體的幾何格架，稱為晶格。晶格中一個能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。 3、金屬中常見的晶格類型n體心立方晶格n面心立方晶格n密排六方晶格二、純金屬的結晶金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)(晶體)的過程，稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結晶。結晶與凝固的區(qū)別凝固：LS S可以是非晶結晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或晶態(tài)）過渡為另一 種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉變過程二、純金屬的結晶1、冷卻曲線與過冷現(xiàn)象金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱冷卻曲線

11、。曲線上水平階段所對應的溫度稱實際結晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。過冷現(xiàn)象 液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結晶溫度與實際結晶溫度的差T稱過冷度。T= T0 T1過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。圖1-12 純金屬的冷卻曲線冷卻速度越快，過冷度越大，實際結晶溫度越低。2、純金屬的結晶過程 結晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下，經一段時間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。 晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶核產晶核形成后便向各

12、方向生長，同時，又有新的晶核產生。生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、純金屬的結晶過程 3、結晶后的金屬 結晶后的金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒大小可以用單位體積內的晶粒數目來表示。數目越多，晶粒越小。試驗證明，在常溫下的細晶粒比粗晶粒金屬具有更高的強度、塑性和韌性。常用的細化晶粒方法有增加過冷度、變質處理和振動處理等。合金合金是指將兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬熔合在一起，獲得具有金屬特性的一類物質。 組元組元是組成合金最基本的、能獨立

13、存在的物質。合金系合金系是指組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、結構相同，并與其他部分有明顯界面分開的均勻組成部分。 三、合金的晶體結構與結晶2、合金的組織合金是由一種或多種相集合在一起組成的。合金中相的綜合體叫做合金組織。在液態(tài)時，大多數合金的組元都能相互溶解，形成一個均勻的液相。在結晶時，由于各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金中可能出現(xiàn)固溶體、金屬化合物或混合物。2、合金的組織固溶體。合金兩組元在液態(tài)下相互溶解、結晶時，其中一組元保持原有晶格，另一組元則以原子的形式均勻地分布在該組元的晶格中，形成成分、性能均勻的固態(tài)合金，稱為固溶體；其中能保持晶格結構的組元，稱為

14、溶劑；晶格結構消失的組元，稱為溶質。 金屬化合物。合金組元之間按一定比例相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的固態(tài)物質，稱為金屬化合物。 機械混合物。由兩種或兩種以上的固溶體和金屬化合物所構成的混合物稱為機械混合物。 2、合金的組織3、合金的結晶過程 其結晶過程和組織與純金屬相比較有以下區(qū)別：合金結晶不在恒溫下進行，而是在一定溫度范圍內進行。合金在結晶過程中，在不同溫度范圍內存在著不同數量的相，且各相成分也會發(fā)生變化。同一合金系，因成分不同，其組織也不同。即使是同一成分的合金，其組織也會隨溫度不同而發(fā)生變化。3、合金的結晶過程 若要全面了解合金的組織隨成分、溫度變化的規(guī)律，就必須取不同成分的合

15、金進行試驗，觀察分析其在加熱、冷卻過程中內部組織構造的變化，繪制成圖，稱為合金相圖。合金相圖是全面表示合金的組織隨成分、溫度變化規(guī)律的圖，是研究與選用合金的重要理論工具，對于金屬的加工及熱處理也具有重要的指導意義。3、合金的結晶過程 相圖的建立：相圖的建立：幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。3、合金的結晶過程 二元相圖的建立：二元相圖的建立： 以以Cu-NiCu-Ni合金合金( (白銅白銅) )為例為例 ：純銅：純銅 ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：純：純Ni 任務三 鐵碳合金現(xiàn)代工業(yè)中使用最廣泛的鋼鐵材料，其基本組元是

16、鐵和碳，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。一、金屬的同素異構轉變一、金屬的同素異構轉變金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構轉變。鐵是典型的具有同素異構轉變特性的金屬。任務三 鐵碳合金液態(tài)鐵在1538時結晶成為具有體心立方晶格的 ；冷卻到1394時發(fā)生同素異構轉變，由體心立方晶格的 轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?；冷卻到912發(fā)生同素異構轉變，由面心立方晶格的 轉變?yōu)轶w心立方晶格的 。再繼續(xù)冷卻，晶格的類型不再變化。FeFeFeFeFe 鐵素體：鐵素體：碳在碳在-Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素體鐵素體，用，用F 或或 表示。表示。 碳在碳在-Fe中的固溶體稱中的固溶體稱-鐵素體鐵

17、素體，用，用表示。表示。 都是體心立方的間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，都是體心立方的間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，在在727時最大為時最大為0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。二、鐵碳合金的基本組織及其性能二、鐵碳合金的基本組織及其性能 奧氏體奧氏體: :碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。二、鐵碳合金的基本組織及其性能二、鐵碳合金的基本組織及其性能(3)滲碳體（Fe3C）。它是由碳和鐵形成的一種金屬化合物，其分子式為Fe3C，含碳量為6.69，具有硬而脆的性能特點 二、鐵碳合金的基本組織及其性能二、鐵碳合金的基本組織及其性能（4）珠光體（P）。它是鐵素體和滲碳體的機械混合物，用符號P表示。平均含碳量為0.77%。 （5）萊氏體（Ld）。它分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。1）高溫萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的共晶體，用符號Ld表示。2）低溫萊氏體是由珠光體和滲碳體組成的共晶體，用符號Ld表示。萊氏體的平均溶碳量為4.3%，由于溶碳量高，其力學性能與滲碳體相似 二、鐵碳合金的基