工程材料及材料成型技術(shù)基礎(chǔ)

工程材料及材料成型技術(shù)基礎(chǔ)1第1頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2第2頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3第3頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一高壓容器4第4頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一緒論材料毛坯的三大類成型方法：鑄造焊接鍛造5第5頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一緒論第一篇工程材料第二篇材料成形技術(shù)目錄6第6頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一工程材料7第7頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一緒論第一章

工程材料的結(jié)構(gòu)與性能第二章

金屬材料的凝固與固態(tài)相變第四章

金屬材料熱處理第五章

金屬材料表面改性第六章

金屬材料本篇內(nèi)容8第8頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一緒論一、材料的發(fā)展史

材料(metals)是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是先于人類存在的，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。反映人類社會(huì)文明的水平。1.石器時(shí)代：古猿到原始人的漫長(zhǎng)進(jìn)化過程。原料：燧石和石英石。2.新石器時(shí)代：原始社會(huì)末期開始用火燒制陶器。3.青銅器時(shí)代：夏(公元前2140年始)以前就開始了4.鐵器時(shí)代：春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770～221年)開始大量使用鐵器9第9頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一5.鋼鐵新時(shí)代十八世紀(jì)前人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是非理性的,只停留在工匠和藝人的水平上。而其后西歐和俄國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展，鋼鐵需求急劇增加，推動(dòng)發(fā)展出一門新學(xué)科—金屬學(xué)。人們才開始理性的認(rèn)識(shí)材料。6.二十世紀(jì)以來的現(xiàn)代

支撐人類文明大廈的四大支柱技術(shù)：材料科學(xué)與技術(shù)、生物科學(xué)與技術(shù)能源科學(xué)與技術(shù)、信息科學(xué)與技術(shù)二十世紀(jì)五、六十年代鋼鐵基本達(dá)到鼎盛時(shí)期,其它新材料快速發(fā)展。有機(jī)合成材料、復(fù)合材料、陶瓷材料、功能材料等等。出現(xiàn)了很多新材料學(xué)科。10第10頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一材料的品種、數(shù)量和質(zhì)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家技術(shù)和國(guó)防力量的重要標(biāo)志之一。據(jù)粗略估計(jì)，目前世界的材料達(dá)36萬多種，今后每年還將以5％的增長(zhǎng)率增加。11第11頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一二、工程材料學(xué)的任務(wù)工程材料：

制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件使用的材料工程材料學(xué)：是材料學(xué)的實(shí)用部分,主要闡述結(jié)構(gòu)材料的成分、組織、性能及應(yīng)用等方面的一般規(guī)律。12第12頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一學(xué)習(xí)《工程材料》課程基本要求（教學(xué)目標(biāo)）：1.了解常用工程材料的成分、結(jié)構(gòu)、組織和性能的關(guān)系及變化規(guī)律。2.掌握常用工程材料的種類、牌號(hào)、性能及用途。對(duì)典型的機(jī)器零件和工具等會(huì)合理正確地選用工程材料。3.具有正確選擇一般零件熱處理工藝方法及確定熱處理工序位置的初步能力。4.對(duì)不同材料零件的失效，具有一定的分析問題和解決問題的能力。13第13頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

三．材料的分類

1、金屬材料①黑色金屬—鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵等)②有色金屬—黑色金屬以外的所有金屬及其合金。

2、高分子材料

①塑料—主要指工程塑料。又分熱塑性和熱固性塑料。②合成纖維—由單體聚合而成再經(jīng)過機(jī)械處理成纖維材料。③橡膠—經(jīng)硫化處理，彈性優(yōu)良的聚合物。分通用和特種橡膠④膠粘劑—分樹脂型、橡膠型和混合型。14第14頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3．陶瓷材料①普通陶瓷—主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料.②特種陶瓷—高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物等燒結(jié)材料。③金屬陶瓷—用生產(chǎn)陶瓷的工藝來制取的金屬與碳化物或其它化合物的粉末制品。4．復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料組合而成的材料。①按基體相種類分：聚合物基、金屬基、陶瓷基、石墨基等。②按用途分：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料。15第15頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一本部分重點(diǎn)1)工程材料的概念

制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件使用的材料2)工程材料的分類金屬材料

鋼鐵材料有色金屬及其合金有機(jī)高分子材料塑料橡膠等陶瓷材料復(fù)合材料16第16頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

§1-1材料原子(或分子)的相互作用

當(dāng)大量原子(或分子)處于聚集狀態(tài)時(shí)，它們之間以鍵合方式相互作用。由于組成不同物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)各不相同，原子間的結(jié)合鍵性質(zhì)和狀態(tài)存在很大區(qū)別。

17第17頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§1-1材料原子(或分子)的相互作用1、離子鍵當(dāng)正電性金屬原子與負(fù)電性非金屬原子形成化合物時(shí)，通過外層電子的重新分布和正、負(fù)離子間的靜電作用而相互結(jié)合，故稱這種結(jié)合鍵為離子鍵。離子晶體硬度高，強(qiáng)度大，脆性大。如氯化鈉，陶瓷。

18第18頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2、共價(jià)鍵

當(dāng)兩個(gè)相同的原子或性質(zhì)相差不大的原子相互接近時(shí)，它們的原子間不會(huì)有電子轉(zhuǎn)移。此時(shí)原子間借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力而結(jié)合，這種結(jié)合方式稱為共價(jià)鍵。

結(jié)合力很大，硬度高，強(qiáng)度大，脆性大，熔點(diǎn)高，沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低。如金剛石、SiC、BN等19第19頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3、金屬鍵金屬自由原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有較少的外層電子，并且電離能很小。這就決定了它們與其它元素結(jié)合時(shí)，易失去外層價(jià)電子而成為陽離子的傾向較大。金屬正離子與自由電子間的靜電作用，使金屬原子結(jié)合起來形成金屬整體，這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，正的電阻溫度系數(shù)，不透明，有特有的金屬光澤，有良好的塑性變形能力，強(qiáng)韌性好。20第20頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一4、分子鍵

自由原子狀態(tài)已經(jīng)形成穩(wěn)定電子殼層的惰性氣體He、Ne、Ar等和分子狀態(tài)的H2、N2、02等在低溫時(shí)都能結(jié)合成液態(tài)或固態(tài)，在此結(jié)合過程中，并不給出或接受電子。這種存在于中性的原子或分子之間的結(jié)合力稱為分子鍵。

硬度低，熔點(diǎn)低，良好的絕緣性。如高分子材料塑料。21第21頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一5、氫鍵氫鍵是一種特殊的分子間作用力。當(dāng)兩種負(fù)電性大而原子半徑較小的原子與氫原子結(jié)合時(shí)，氫原子與一種原子之間形成共價(jià)鍵，與另一種原子之間形成氫鍵。如F—H…F，O—H…O，N—H…O等。氫鍵的本質(zhì)是靜電吸引力，具有飽和性和方向性。22第22頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

晶體結(jié)合的強(qiáng)度用結(jié)合能表示，是指晶體分解為單個(gè)原子(或分子)所作的功，或單個(gè)原子凝聚形成晶體所放出的能量，用J／mol表示。共價(jià)鍵晶體和離子鍵晶體的結(jié)合能約為105(J／mol)數(shù)量級(jí)；金屬鍵晶體的結(jié)合能約為104(J／mol))數(shù)量級(jí)；分子鍵晶體的結(jié)合能約為103(J／mol)數(shù)量級(jí)。

因此，共價(jià)鍵晶體和離子鍵晶體結(jié)合最強(qiáng)，金屬鍵晶體次之，分子鍵晶體最弱。23第23頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶體

——

材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則、周期性排列。非晶體

——原子無規(guī)則堆積，也稱為“過冷液體”。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體金剛石、NaCl、冰等。液體§1-2晶體材料的原子排列24第24頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1．2．1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1)晶體(從宏觀上看）

晶體的特點(diǎn)：其原子在空間作有規(guī)律的排列。晶體的性能：具有一定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，呈各向異性。25第25頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一原子（離子）的剛球模型原子中心位置

晶體結(jié)構(gòu)26第26頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型27第27頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c28第28頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

金屬晶體中的晶面和晶向XYZabc晶面通過原子中心的平面晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc29第29頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2）晶格和晶胞（從微觀上看）

晶格：用—些假想的幾何線條將晶體中原子的振動(dòng)中心連接起來所構(gòu)成的空間格子。

晶胞：晶格的一個(gè)基本單元。30第30頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3）常見金屬晶格形式①體心立方晶格

特點(diǎn)：具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和較好的塑性。這種晶格的金屬有：鉻、鉬、鎢、釩和鐵（0℃—912℃，α—Fe）等。31第31頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa232第32頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一②面心立方晶格

特點(diǎn)：塑性良好。這種晶格的金屬有：鋁、鋼、鎳和鐵（912℃—1394℃，γ—Fe)等。33第33頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向434第34頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一③密排六方晶格

屬于密排六方晶格的金屬有C（石墨）

Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、Ti等。35第35頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a

底面間距c

側(cè)面間角120

側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.7436第36頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1)單晶體和多晶體

單晶體——結(jié)晶方位完全一致的晶體，如單晶Si半導(dǎo)體。多晶體——由許多外形不規(guī)則的晶體顆粒(簡(jiǎn)稱晶粒)所組成。這些晶粒內(nèi)仍保持整齊的晶胞堆積。各晶粒之間的界面——晶界。37第37頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關(guān)，其直徑一般在1～0.001mm之間。在多晶體中，由于各晶粒的位向不同，使其各向異性受到了抵消，造成各向性能接近相同的現(xiàn)象，稱為——各向同性晶粒體積越大，強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能越差。晶粒體積越小，強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能越好。38第38頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2)晶體缺陷

(1)點(diǎn)缺陷

——是一種在三維空間各個(gè)方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子間距的缺陷?？瘴话ǎ洪g隙原子置換原子等39第39頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（2）線缺陷

——是指在三維空間兩維方向的尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對(duì)較大的缺陷。屬于這類缺陷的主要是各種類型的位錯(cuò)。

位錯(cuò)——是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)最基本的形式有：刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)40第40頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（3）面缺陷

——是指在三維空間一維方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。最常見的面缺陷是金屬中的晶界和亞晶界。41第41頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際金屬中的缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響:點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯(cuò)密度可提高金屬?gòu)?qiáng)度，但塑性隨之降低;面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性;細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段;42第42頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一本節(jié)重點(diǎn)晶體、晶格和晶胞三種典型晶格類型晶粒大小和性能的關(guān)系晶體缺陷類型43第43頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§1-4合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金——由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素通過熔煉、燒結(jié)或其他結(jié)合生成的具有金屬特性的物質(zhì)。如：鐵碳合金、銅合金、鋁合金等。44第44頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。組成合金的元素或穩(wěn)定化合物——組元。由幾種元素構(gòu)成即為幾元合金45第45頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

相——具有相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)，并由明顯分界面隔開的各個(gè)均勻組成部分。1.4.1合金的相、組織及其關(guān)系組織——用金相顯微鏡觀察法,在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及各相(晶體或晶粒)大小、方向、形狀排列狀況等組成關(guān)系和構(gòu)造情況的微觀形貌。46第46頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。47第47頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

1.4.2固溶體固溶體分類置換固溶體間隙固溶體固溶體——有些合金組元在凝固后溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而形成的單一均勻的晶體48第48頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

溶質(zhì)與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達(dá)100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。

溶質(zhì)原子有規(guī)則地占據(jù)溶劑結(jié)構(gòu)中的固定位置，溶質(zhì)與溶劑原子數(shù)之比為一定值時(shí)，所形成的固溶體稱為有序固溶體。否則為無序固溶體。-1849第49頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一間隙固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0．59方可。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變?cè)酱?。間隙固溶體都是無序固溶體。50第50頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一置換

固溶體無限固溶體和有序固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體和無序固溶體。兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑和電化學(xué)特性接近，則容易形成置換固溶體。無限固溶體形成條件兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對(duì)差(rA—rB)\rA小于8%左右時(shí)。兩元素間的電負(fù)性相差越小越好。51第51頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.4.3金屬化合物金屬化合物——合金各組元相互化合而形成的一種新的物質(zhì)。性能特點(diǎn)：具有明顯的金屬的性質(zhì)。具有自己特殊的晶格，與各組元不同。具有較高的熔點(diǎn)、較大的脆性和較高的硬度。52第52頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.4.4合金性能1、固溶強(qiáng)化

溶劑的晶格發(fā)生畸變，使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高合金力學(xué)性能的重要途徑之一。2、第二相強(qiáng)化

——化合物作為第二相可以提高合金材料強(qiáng)度的現(xiàn)象。

性能特點(diǎn)：取決于化合物的數(shù)量、形狀、大小與分布狀況等。53第53頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一本節(jié)重點(diǎn)合金、相、組織的基本概念。固溶體和金屬化合物的概念及其類型。固溶體和金屬化合物對(duì)合金性能的影響。固溶強(qiáng)化概念及其強(qiáng)化原理。54第54頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§1-5高聚物的結(jié)構(gòu)高聚物——分子中含原子數(shù)很多、分子量很大的物質(zhì)。是由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子聚合而成的大分子鏈結(jié)構(gòu)。又稱高分子化合物。在長(zhǎng)鏈中結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元——鏈節(jié)

如：在聚乙烯中，—CH2—CH2—即為一個(gè)鏈節(jié)。鏈節(jié)的重復(fù)數(shù)量稱為——聚合度。由若干個(gè)鏈節(jié)所組成的具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力的最小運(yùn)動(dòng)單元——鏈段。55第55頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.5.1大分子鏈的形態(tài)

高聚物的結(jié)構(gòu)形式，按其大分子鏈的幾何形狀，可分為：線型結(jié)構(gòu)——是由許多鏈節(jié)聯(lián)成一條長(zhǎng)鏈。體型結(jié)構(gòu)——是分子鏈與分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)。56第56頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.5.2大分子鏈的構(gòu)象及柔順性由于單鍵內(nèi)旋引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象，稱為——大分子鏈的構(gòu)象。由于大分子鏈構(gòu)象的頻繁變化，使得大分子鏈既可擴(kuò)張伸長(zhǎng)，又可卷曲收縮。大分子這種能由構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度的特性稱為——大分子鏈的柔順性。影響大分子鏈柔順性的因素主要有主鏈結(jié)構(gòu)和取代基兩個(gè)方面。57第57頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.5.3高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)——是指高分子材料內(nèi)部大分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)。高聚物按照大分子排列是否有序，分為結(jié)晶型和無定型兩類。結(jié)晶型高聚物的分子排列規(guī)整有序，無定型高聚物的分子排列雜亂不規(guī)則。58第58頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§1-6陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷是由金屬和非金屬的無機(jī)化合物所構(gòu)成的多晶固體物質(zhì)。它實(shí)際上是各種無機(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱。在室溫下，陶瓷的典型組織是由：晶相組成玻璃相氣相各相的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形狀與分布，都對(duì)陶瓷的性能有直接的影響。59第59頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§1-7工程材料的性能金屬材料的性能包括:力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。如密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。如鑄造性、鍛壓性、焊接性、熱處理性和切削加工性等。

60第60頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.7.1力學(xué)性能力學(xué)性能

——指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。作用：材料檢驗(yàn)、零件設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇、評(píng)定工藝質(zhì)量的重要依據(jù)。內(nèi)容：強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。61第61頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1、強(qiáng)度1）強(qiáng)度的概念

——指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。2）強(qiáng)度的分類：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等。3）強(qiáng)度測(cè)定方法拉伸試驗(yàn)4）試驗(yàn)設(shè)備安裝拉伸試棒繪制拉伸曲線62第62頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一5）標(biāo)準(zhǔn)試樣GB228—87試樣形狀（圓、板、管）試樣標(biāo)距6）拉伸曲線63第63頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一7）常用的強(qiáng)度指標(biāo)(1)彈性極限材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力

σe＝Pe/Fo

(MPa)Pe—試樣保持彈性變形的最大拉力，N；

Fo—試樣的最初截面積，mm2

。64第64頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

(2)屈服點(diǎn)材料開始產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力

σs＝Ps/Fo(MPa)Ps—試樣產(chǎn)生屈服時(shí)的拉力，N；

Fo—試樣的最初截面積，mm2

。屈服強(qiáng)度σ0.2

大多數(shù)金屬材料沒有明顯的屈服點(diǎn)，規(guī)定以產(chǎn)生0．2％塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)。脆性材料的情況拉伸時(shí)幾乎不發(fā)生塑性變形，無屈服現(xiàn)象。65第65頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一(3)抗拉強(qiáng)度

材料能承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力

σb

＝Pb/Fo

(MPa)Pb——試樣在拉斷前的最大拉力，N。頸縮現(xiàn)象66第66頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

8）疲勞強(qiáng)度

概念材料在無數(shù)次交變應(yīng)力作用下不發(fā)生疲勞斷裂所能承受的最大應(yīng)力。用σ-1表示

材料規(guī)定應(yīng)力循環(huán)基數(shù)鋼鐵材料，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為106～107有色金屬，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107

～10867第67頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2、塑性1）概念塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。2）塑性指標(biāo)延伸率（伸長(zhǎng)率)

端面收縮率

68第68頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一伸長(zhǎng)率（δ

）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。69第69頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一斷面收縮率（Ψ

）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。70第70頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3、硬度1）概念

——材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。2）常用方法布氏硬度法洛氏硬度法維氏硬度法3）試驗(yàn)方法原理壓痕法71第71頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一(1)布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)機(jī)硬度表示方法以符號(hào)HB表示測(cè)量特點(diǎn)：先測(cè)得壓痕的直徑d，根據(jù)d查表確定HB的值。

HBS壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW壓頭為硬質(zhì)合金球，適用于布氏硬度值在650以下的材料。72第72頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

特點(diǎn)測(cè)出硬度值準(zhǔn)確、可靠；壓痕大，不宜成品檢驗(yàn)；測(cè)量過程速度慢。布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系（低碳鋼）

σb

＝3.53HBS73第73頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一(2)洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)洛氏硬度三種標(biāo)尺

表示方法60HRC

特點(diǎn)試驗(yàn)簡(jiǎn)便、方便。壓痕小，適用成檢。測(cè)出硬度值不很準(zhǔn)確。數(shù)字：硬度值HR：洛氏硬度C：標(biāo)尺74第74頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（3）維氏硬度

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個(gè)連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，因而制定了維氏硬度試驗(yàn)法。測(cè)定維氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為1360的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形。75第75頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一特點(diǎn)：所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測(cè)量零件薄的表面硬化層、表面鍍層及薄片金屬的硬度。對(duì)軟、硬材料均適用，測(cè)定范圍0～1000HV。76第76頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一兩點(diǎn)結(jié)論三種硬度值不能直接進(jìn)行比較，但可以采用特制的表格進(jìn)行換算。硬度也是材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它影響到材料的耐磨性。一般說來，硬度高，耐磨性也好。77第77頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一4、沖擊韌度(韌性)1）概念材料抵抗沖擊載荷的能力。2）試驗(yàn)方法一次性擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)。3）沖擊韌度指標(biāo)以材料受沖擊斷裂時(shí)單位面積上所消耗的能量來表示的。

ak

＝Ak

/F

(J/mm2)ak值越小,表明材料的韌性越低，脆性越大。78第78頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.7.2物理性能和化學(xué)性能物理性能有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。機(jī)械零件用途不同，對(duì)其物理性能的要求也有所不同。化學(xué)性能指在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力。主要有耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。79第79頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1.7.3工藝性能工藝性能是指金屬材料適應(yīng)這些加工工藝要求的能力。內(nèi)容鑄造性鍛壓性焊接性熱處理性和切削加工性等良好的工藝性能有利于保證質(zhì)量和降低成本。80第80頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一第二章金屬材料的凝固與固態(tài)相變§2.1純金屬的結(jié)晶2.1.1凝固的基本概念

——一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程

1、晶體的結(jié)晶

——通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)

1）平衡結(jié)晶溫度

81第81頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2）過冷與過冷度必須冷卻到低于Tm以下的某一個(gè)溫度T1才能結(jié)晶。這種現(xiàn)象稱為——過冷。理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差稱為——過冷度。82第82頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一冷卻速度越大，則過冷度越大。83第83頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2、非晶體的凝固在非晶體的凝固中熔體實(shí)質(zhì)是粘滯系數(shù)連續(xù)加大的過程，非晶固態(tài)可以看作粘滯系數(shù)很大的“熔體”。所以，非晶體的凝固是在—個(gè)溫度范圍內(nèi)逐漸完成的。84第84頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.1.2純金屬的結(jié)晶

1、結(jié)晶及結(jié)晶過程結(jié)晶

——金屬?gòu)囊后w狀態(tài)轉(zhuǎn)變成晶體狀態(tài)(固態(tài))的過程。結(jié)晶過程分為兩個(gè)階段：①晶核(結(jié)晶核心)的形成②晶核的成長(zhǎng)85第85頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一液態(tài)金屬形核晶核長(zhǎng)大完全結(jié)晶形核和晶核長(zhǎng)大的過程86第86頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（1）形核過程自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——

是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。87第87頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（2）晶核長(zhǎng)大過程兩種長(zhǎng)大方式平面生長(zhǎng)樹枝狀生長(zhǎng)。平面生長(zhǎng)樹枝狀生長(zhǎng)88第88頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2、影響形核和長(zhǎng)大的因素（1）過冷度的影響（2）難熔雜質(zhì)的影響

89第89頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3、晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念晶粒度——是晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數(shù)目Z?；騿挝幻娣e上晶粒的數(shù)目ZJ表示。也可以用晶粒的平均線長(zhǎng)度(或直徑)表示。90第90頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一晶粒度分8級(jí)晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化

——

晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象比較：細(xì)晶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性↑

固溶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓91第91頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2）晶粒大小的控制（1）增大過冷度（2）變質(zhì)處理變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大。（3）振動(dòng)，攪拌

——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。92第92頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.1.3同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1）概念

——少數(shù)金屬由于溫度改變而晶格也改變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的冷卻曲線

℃t015381394912768液體無磁性有磁性δ—Feγ—Feα—Fe2）轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶很相似。3）有關(guān)結(jié)論①轉(zhuǎn)變時(shí)，體積也發(fā)生變化。②是鋼鐵材料能夠通過各種熱處理工藝改變其組織和性能的內(nèi)因和根據(jù)。93第93頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)重點(diǎn)要求

1.過冷度的概念，晶粒度的影響因素。

2.晶粒大小的控制方法。一般要求

1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。94第94頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.2合金的凝固2.2.1二元合金相圖與凝固相圖的概念

——是表達(dá)溫度、成分和相之間的關(guān)系，表明合金系中不同合金在不同溫度下，由哪些相組成以及這些相之間平衡關(guān)系的圖形（又稱平衡圖或狀態(tài)圖）95第95頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（1）配置不同成分的Cu－Ni合金（2）作出各合金的冷卻曲線，并找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)（轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺(tái)）的溫度值；（3）畫出溫度——成分坐標(biāo)系，在相應(yīng)成分垂直線上標(biāo)出臨界點(diǎn)溫度；（4）將物理意義相同的點(diǎn)連成曲線。96第96頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1、勻晶相圖勻晶相圖

——兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖。(1)結(jié)晶過程97第97頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（2）杠桿定律98第98頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一99第99頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2共晶相圖共晶相圖

——兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)所構(gòu)成的相圖。共晶轉(zhuǎn)變——在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的過程。

（1）相圖分析100第100頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3、共析相圖共析相圖——是二元合金中具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖，這種相圖可以看成是雙層相圖，上層為勻晶相圖，下層類似共晶相圖。

共析轉(zhuǎn)變——在高溫時(shí)的某一成分的單相固溶體在冷至某一溫度時(shí)，又發(fā)生分解而形成兩個(gè)與母相不同的固相，這種由某一固相同時(shí)析出兩種新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共析轉(zhuǎn)變。101第101頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)重點(diǎn)要求

1.相圖的總類及分析

2.杠桿定律及其應(yīng)用。一般要求

1.相圖的獲得。102第102頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)P632－42－6103第103頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§2.3鐵碳合金平衡態(tài)的相變

基礎(chǔ)

鐵碳合金由鐵和碳兩種主要元素組成的合金。如：碳鋼、鑄鐵2．3．1Fe-Fe3C相圖104第104頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一1、鐵碳合金的基本組織與性能1）鐵素體F——碳溶于α—Fe中形成的間隙固溶體。性能特點(diǎn)性能近似于純鐵，即強(qiáng)度、硬度低（σb=180~280Mpa），塑性、韌性（δ=30%~50%）好。105第105頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2)奧氏體A——碳溶于γ—Fe中形成的固溶體。性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度并不高，但塑性很好。106第106頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一3）滲碳體Fe3C概念鐵和碳結(jié)合成的化合物(具有復(fù)雜晶格)。性能特點(diǎn)滲碳體的硬度很高，為800HB，塑性、韌性很差，幾乎等于零，所以滲碳體的性能特點(diǎn)是硬而脆。硬度很高，很耐磨，但又很脆，塑性、韌性幾乎為零。107第107頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一5）萊氏體Ld和低溫萊氏體Ld′概念?yuàn)W氏體（珠光體）和滲碳體的機(jī)械混合物。性能特點(diǎn)含有大量硬而脆的滲碳體，所以硬度很高，但很脆。108第108頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.3.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1、在選材上的應(yīng)用2、在鑄造工藝制訂上的應(yīng)用3、在塑性加工工藝制訂上的應(yīng)用4、在熱處理工藝制訂上的應(yīng)用109第109頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

改善金屬材料的性能的方法：①細(xì)晶強(qiáng)化②合金化③進(jìn)行熱處理④冷變形強(qiáng)化110第110頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2奧氏體的形成過程及影響因素1、奧氏體的形成過程

共析鋼加熱到Ac1

以上時(shí)，P→A

共析鋼A化過程——形核、長(zhǎng)大、Fe3C完全溶解、C的均勻化。111第111頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一

亞（過）析鋼的A化:P→A后，先共析F或Fe3CⅡ

溶解。亞共析鋼加熱到Ac1以上時(shí)，組織中的珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，而組織中的鐵素體只有在加熱到Ac3以上時(shí)才能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。同樣，過共析鋼只有加熱到Accm以上時(shí)才能得到均勻的單相奧氏體組織。112第112頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.4.3奧氏體晶粒的長(zhǎng)大及影響因素加熱溫度，保溫時(shí)間↑→晶粒尺寸↑合金元素除Mn、P外→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓113第113頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一奧氏體晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一種指標(biāo)，奧氏體晶粒度有三種不同的概念起始晶粒度是指珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)其晶粒的大小實(shí)際晶粒度是指鋼在某個(gè)具體熱處理或熱加工下所獲得的奧氏體晶粒的大小本質(zhì)晶粒度表示鋼在規(guī)定條件下奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向114第114頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)奧氏體晶粒在加熱時(shí)長(zhǎng)大的傾向性不同，將鋼分為兩類一類是晶粒長(zhǎng)大傾向小的鋼，稱本質(zhì)細(xì)晶粒鋼另一類是晶粒長(zhǎng)大傾向大的，稱本質(zhì)粗晶粒鋼115第115頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一§2.5鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變熱處理的冷卻方式可分為兩種：一種是將奧氏體迅速冷至Ar1以下某個(gè)溫度，等溫停留一段時(shí)間，再繼續(xù)冷卻，通常稱之為“等溫冷卻”，圖曲線1

另一種是將奧氏體以一定的速度冷卻，如水冷、油冷、空冷、爐冷等，稱為“連續(xù)冷卻”,圖中曲線2116第116頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一2.5.1過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）1）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT圖）的建立

共析碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線通常采用金相法配合測(cè)量硬度的方法建立，有時(shí)需用磁性法和膨脹法給予補(bǔ)充和校核。117第117頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一（2）貝氏體類型的組織貝氏體是鐵素體及其彌散分布著的碳化物所形成的亞穩(wěn)組織。奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變屬半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，鐵原子基本不擴(kuò)散而碳原子還有一定擴(kuò)散能力。118第118頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一貝氏體的兩種類型：

上貝氏體(B上)550℃～350℃

下貝氏體(B下)350℃～Ms119第119頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一上貝氏體(B上)：在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀120第120頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一下貝氏體(B下)：在光學(xué)顯微鏡下呈暗黑色針葉狀121第121頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一貝氏體的力學(xué)性能完全取決于顯微組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)。上貝氏體中鐵素體較寬，塑性變形抗力較低。同時(shí)滲碳體分布在鐵素體之間，容易引起脆斷，在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用價(jià)值較低。122第122頁，共139頁，2023年，2月20日，星期一下貝氏體組織中的片狀鐵素體細(xì)小，碳的過飽和度大，位錯(cuò)密度高。而且碳化物沉淀在鐵素體內(nèi)彌散分布，因此硬度高、韌性好，具有較好的綜合力學(xué)性能。生