機(jī)械制造基礎(chǔ)：第二章 工程材料基礎(chǔ)

1、 第二章 工程材料基礎(chǔ) 2.5 鋼的熱處理 2.3 鐵碳合金 2.4 常用工程材料 2.1工程材料的性能2.2金屬材料的結(jié)構(gòu) 材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料三大類。 目前在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因?yàn)榻饘俨牧蟻碓簇S富，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。 金屬材料的特性有：強(qiáng)度較高、塑性較好、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤等。 高分子和陶瓷材料的某些力學(xué)性能不如金屬，但具有金屬材料不具備的某些特性，如耐腐蝕、電絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價廉、成形加工容易等優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展較快。 材料

2、性能的決定因素：化學(xué)成分、內(nèi)部組織和狀態(tài)。其中“化學(xué)成分”是改變性能的基礎(chǔ)，“處理”是改變性能的手段，“組織”是性能變化的根據(jù)。 第1節(jié) 工程材料的性能 2.1.1 金屬材料的性能1物理性能密度（比重）、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)磁性等。2化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性耐腐蝕性高溫抗氧化性 4工藝性能 材料在加工制造中表現(xiàn)出的性能，顯示 了加工制造的難易程度。 鑄造性，鍛造性，焊接性，切削加工性，熱處理性3力學(xué)性能金屬材料在外力作用下（靜載荷、動載荷、交變載荷）所表現(xiàn)的抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度1）鑄造性能。 指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難

3、易程度，包括金屬液體的流動性和收縮性。 2）鍛造性能。 指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。 3）焊接性。 指材料被焊接的難易性質(zhì)。 4）切削加工性。表示對材料進(jìn)行切削的難易程度，可用切削抗力的大小、加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度和切削刀具的壽命來衡量。 5）熱處理工藝性。 指標(biāo)有淬硬性、淬透性、淬火變形與淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性與脆性。 金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過拉伸實(shí)驗(yàn)來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1-8所示，把試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣施加一個緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。 力學(xué)性能（機(jī)械性能）：指金屬材料具有的抵抗一定外力作

4、用而不被破壞的性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。 2.1.1.1 金屬材料的力學(xué)性能圖1-8 圓形拉伸試樣拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象彈性變形外力去除后能完全消失的變形塑性變形外力去除后不能消失的變形變形過程：oe為純彈性變形階段 外力去除后試樣完全恢復(fù)原狀e以上為彈塑性變形階段es為屈服階段 外力不增加，試樣明顯伸長sb為大量塑性變形階段 外力增加不多，試樣明顯伸長bk為頸縮階段 試樣出現(xiàn)集中變形，抵抗外力能力下降F(N)FbFsFeoL %1.拉伸曲線分析：力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變

5、形:外力去除后不能消失的變形變換：F/S0 = (MPa)S0 為試樣原始截面積(mm2) L/ L0 = （%）L0 為試樣標(biāo)距長度轉(zhuǎn)化：縱坐標(biāo)：以應(yīng)力表示，橫坐標(biāo)：以應(yīng)變表示， 怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大??？2.應(yīng)力-應(yīng)變曲線（-曲線）圖2.1.5 普通低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變圖彈性極限試樣產(chǎn)生完全彈性變形時所能承受的最大拉應(yīng)力。 1. 屈服點(diǎn)材料產(chǎn)生屈服點(diǎn)的最小應(yīng)力。 表征金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力。2. 抗拉強(qiáng)度材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。 表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力。3.強(qiáng)度指標(biāo)：（1）斷后伸長率（延伸率） = ( L1 - L0 )/ L0 100%（2）斷面收縮率 = (

6、 S0 - Sk )/S0 100% 和越大，材料的塑性越好塑性對材料的意義：提高安全性2. 便于壓力加工成型 （鈑金件加工成型）(二)塑性 產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。（三）硬度指工程材料抵抗更硬的物體壓入其表面內(nèi)的能力，表示材料抵抗局部塑性變形或破壞的性能，是一個綜合反映材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性的機(jī)械性能指標(biāo)。常用的硬度指標(biāo)： 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV壓入法（1）試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。HBS（HBW） = F/S = 2F/DD - (D2-d2)1/2不寫單位：kgf/

7、mm2 淬火鋼球： HBS 硬質(zhì)合金鋼球： HBW 當(dāng)F的單位取N時，加系數(shù)0.102圖2.1.8 布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（2）計算公式：（3） 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測量費(fèi)時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。2洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )（1）試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。 HR = (k-h) / 0.002 不寫

8、單位 對金剛石圓錐壓頭 k = 0.2 mm 對鋼球壓頭 k = 0.26 mm圖2.1.10 洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（2）計算公式：7085HRA25100HRB2070HRC注意：HRA、HRB、HRC分別測得的硬度， 不可直接比較大小例如： 50HRC40HRC （3）洛氏硬度值的表示：（4）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量操作簡單，壓痕小。缺點(diǎn)：測量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度試驗(yàn)方法。用于成品檢驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測量組織不均勻材料。應(yīng)用：維氏硬度計3. 維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ) 以一定的試驗(yàn)力將壓頭

9、壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。（1）試驗(yàn)原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。（2）壓頭：錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體aadH V=F/S（3）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量；測量精度高，可比性強(qiáng)；能測較薄工件。缺點(diǎn)：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。一、金屬材料的力學(xué)性能（四）沖擊韌度材料抵抗沖擊載荷而不斷裂的能力。圖2.1.3一次擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)沖擊韌度： k = Ak/SN （J/c

10、m2） Ak 沖斷試樣所消耗的沖擊功；（J） SN 試樣缺口處的截面積。沖擊吸收功對材料的意義：Ak 對材料內(nèi)部缺陷很敏感，可用來鑒定材料的冶金質(zhì)量、熱加工質(zhì)量Ak 隨溫度降低而下降，可用來評定材料的冷脆現(xiàn)象 （寒冷地區(qū)的機(jī)械）試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為: A k = m g H m g h (J)疲勞試驗(yàn)疲勞曲線疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）： 材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。它表 示材料抵抗疲勞斷裂的能力。 當(dāng)應(yīng)力為對稱交變應(yīng)力時，疲勞極限用-1表示（五）疲勞強(qiáng)度影響材料疲勞極限的因素：材質(zhì)（組織、缺陷、夾雜、）設(shè)計（尺寸變化、缺口、避免尖角）工藝（降低表面粗糙度、表面強(qiáng)化）應(yīng)力場強(qiáng)

11、度因子 KI =Y(a)1/2 Y 是裂紋形狀系數(shù) 是外加拉應(yīng)力 a 是裂紋半長度當(dāng)KI較小時，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)KI KIC （臨界值）時，裂紋加速擴(kuò)展 斷裂斷裂韌度KIC ： 材料有裂紋時，抵抗脆性斷裂的能力。2a（六）斷裂韌度 非金屬材料的基本性能包括物理性能、力學(xué)性能、與水有關(guān)和與熱有關(guān)的性能及耐久性。2.1.2 非金屬材料的性能2.1.2.1非金屬材料的力學(xué)性能 非金屬的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、剛度、韌性、蠕變性、減摩性等，一般高分子材料的塑性、剛度、韌性較鋼低；但具減摩性。陶瓷在常溫下不具塑性，沖擊韌度、斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度比金屬低。 1）強(qiáng)度。金屬材料一般用拉伸試驗(yàn)測定，而脆性材料如陶瓷和

12、玻璃采用彎曲試驗(yàn)，高聚合物的應(yīng)力應(yīng)變用拉伸試驗(yàn)。 強(qiáng)度和變形的概念與金屬材料相同，不同處如下： 2）變形。除彈性變形、塑性變形、彈性模量外，還有徐變（蠕變）、松弛。徐變指材料在恒定載荷的作用下，隨時間的延長而變形不斷增長的現(xiàn)象。松弛指總的變形不變，但塑性變形增大，彈性變形減小，載荷與應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。 2.1.2.2 非金屬材料的物理性能1）松散密度。 材料在自然狀態(tài)下包括孔隙或空隙在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量。即2）密度。 材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。式中 松散密度（kg/m3 ） ； 材料的質(zhì)量（kg）； 材料在自然狀態(tài)下的體積（m3 ） 。 3）孔隙。 用孔隙率作為衡量指標(biāo)，即材料內(nèi)部

13、空隙體積占材料總體積的百分比。4）材料的脹縮：指由于大氣中溫度、濕度變化或其他介質(zhì)的作用而導(dǎo)致的材料的膨脹或收縮。 1）親水性。材料在空氣中與水接觸，如果材料分子與水分子之間的附著力大于水分子之間的內(nèi)聚力，水就能濕潤材料的表面，三相（材料、水、空氣）交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與材料表面的夾角 叫濕潤角，如果 為親水性材料；反之為憎水性材料。 2）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時的含水率叫吸水率。他與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。 3）耐水性。指材料長期在水的作用下，其強(qiáng)度不顯著降低的性能。 4）抗?jié)B性。指材料抵抗壓力水滲透的性能。 2.1.2.3 與水有關(guān)的性能 水對材料性能有很大影

14、響，特別對強(qiáng)度，抗腐蝕性、耐久性。主要有親水性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性。 1）導(dǎo)熱性。與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同。 2.1.2.4 與熱有關(guān)的性能 2）熱容。指材料在加熱時能吸收熱量，冷卻時能放出熱量的性質(zhì)，單位質(zhì)量材料每升高一度所需要的熱量稱為比熱容c(J/kgK)。 3）耐熱性。指材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力。4）耐燃性。指材料對火焰和高溫的抵抗性能；可分為不燃材料、難燃材料，易燃材料。 5）耐火性。指材料長期抵抗高熱而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料還應(yīng)不變形，能承載；分為耐火材料、難熔材料、易熔材料。 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 固態(tài)物質(zhì)按其原子排列的狀態(tài)分為兩大類： 晶體和非晶體

15、晶格或點(diǎn)陣 最常見的晶格有： (1)體心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格 晶體：原子按一定幾何規(guī)律周期性重復(fù)排列，有固定熔點(diǎn)，具有各向異性。 絕大多數(shù)物質(zhì)都是晶體， 如金剛石、石墨及一切固態(tài)的金屬和合金。 晶體之所以按規(guī)則的原子排列，主要是因?yàn)楦鱾€原子之間的相互吸應(yīng)力與排斥力相平衡的結(jié)果。 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)原子排列模型 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 非晶體: 原子作不規(guī)則排列, 無固定熔點(diǎn)， 表現(xiàn)為各向同性。 只有少數(shù)物質(zhì)屬于非晶體, 如松香、普通玻璃、瀝青、石蠟和賽璐珞等。 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)非晶體原子排列示意圖二氧化硅晶體晶體排列與非晶體排列的比較2.2.1

16、 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶格或點(diǎn)陣：把每個原子看成一個點(diǎn)，把這些點(diǎn)用直線連接起來，形成的空間格子。 結(jié)點(diǎn)：晶格中直線的交點(diǎn)。 晶面：各種不同方位的原子平面。 晶胞：晶格的最小單元。a）b）c）圖2-8 簡單立方晶格、晶胞示意圖a）晶體中原子排列的示意圖 b）晶格 c）晶胞及晶格參數(shù)2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) (1)體心立方體晶格 a=b=c; =90 晶胞的八個角上各有一個原子，體心處還有一個原子。每個立方體晶胞中僅含有1/8x8+1=2個原子。 如鉻、鉬、鎢等，這類金屬一般都具有較高的強(qiáng)度、 硬度和熔點(diǎn)以及一定的冷脆性，在通常情下，具有一般的塑性和韌性。 a)b)c)圖2-9 體心立方晶胞示意圖

17、2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) (2)面心立方體晶格 在晶胞的八個角上各有一個原子,立方體六個面的面心各有一個原子。每個立方體晶胞中實(shí)際含有1/8x8+1/2x6=4個原子。 如金、銀、銅、鋁等,這類金屬具有良好的塑性和韌性, 特別是沒有低溫脆性, 是工業(yè)上良好的低溫合金材料的基礎(chǔ)。 a） b） c） 圖2-10 面心立方晶胞示意圖 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) (3)密排六方晶格 abc; =90; 120 在六棱柱晶胞的12個角上各有一個原子，上下底面中心各有一個原子，晶胞內(nèi)部還有三個原子。密排六方晶胞實(shí)際上只有1/612+1/2x2+3=6個原子。 常見的有鈹、鎂、鋅、鎘等，這類金屬不僅強(qiáng)度較

18、低且塑性、韌性也較差，故很少用作重要的結(jié)構(gòu)材料。 a） b） c） 圖2-11 密排六方晶胞示意圖 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2.2 金屬的結(jié)晶1）結(jié)晶。 指金屬的原子由近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。2）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線。 金屬液非常緩慢的冷卻時，記錄溫度隨時間而變化的曲線，如圖1-6所示。出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時放出大量的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了金屬向周圍散失的熱量。 3）過冷。 在實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）以下的某個溫度時才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度 和實(shí)際結(jié)晶溫度 之間的溫度差 叫過冷度，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反之。過冷

19、度越大，晶核越多，每個晶核生長的空間就越小，獲得的晶粒越細(xì)。圖1-6 冷卻曲線4）結(jié)晶過程。 晶體形核和成長過程。如圖1-7所示，在液體金屬開始結(jié)晶時，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即晶核 （形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個晶粒成長時的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。 圖1-7 結(jié)晶過程示意圖5）單晶體。 結(jié)晶后，每個晶核長成為一個晶體，稱為單晶體。 6）多晶體。 由許多外形不規(guī)則、大小

20、不等、排列位向不同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體叫晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界。晶粒的大小影響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬之間的結(jié)合力。 7）細(xì)晶強(qiáng)化。 用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的力學(xué)性能。金屬凝固后的晶粒大小與凝固過程中形核的多少和晶核長大速度有關(guān)，晶核越多，長大速度越慢，晶粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每個晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。金屬的同素異構(gòu)同素異構(gòu)：固態(tài)金屬由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化過程金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程，實(shí)質(zhì)也是一個結(jié)晶的過程，一般稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。鐵：體心立方晶格鐵：面心立方晶格鐵：體心立方晶格鋼能夠通過熱處理來改變其性能，是與鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有關(guān)的。 2.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.固溶體 合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶