機(jī)械工程材料課件

1

機(jī)械工程材料1機(jī)械工程材料2

第一章金屬材料的性能可分為：1.使用性能-----指金屬材料在使用過程中反映出來的特性。包括：a機(jī)械性能----金屬材料必須具備的抵抗外力而不破壞或變形的性能，即金屬材料在外力作用下所反映出來的力學(xué)性能。b物理性能：密度、密度、導(dǎo)電性…...c化學(xué)性能：抵抗化學(xué)浸蝕的能力。

2.工藝性能-----指金屬材料在制造加工過程中反映出來的各種特性。如：鑄造性、可鑄性、可焊性、可切削加工性、熱處理性…...

2第一章金屬材料的性能可分為：31強(qiáng)度－－金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。包括：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度

圖1.2低碳鋼拉伸曲線彈性變形－－將外力去掉試樣將回復(fù)到原來的形狀和尺寸。塑性變形－－將外力去掉，試樣不能恢復(fù)原狀，而被伸長(zhǎng)。1.1金屬材料的機(jī)械性能σsεσσb31強(qiáng)度－－金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力42塑性－－金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。

用延伸率（）和斷面收縮率（）來表示。3剛性－－金屬材料在外力的作用下抵抗彈性變形的能力。

常用材料的彈性模量來（E）表示。E愈大，剛性愈大。4彈性－－是材料開始塑性變形前的最大彈性變形量。5硬度－－金屬材料抵抗集中負(fù)荷作用的性能，即金屬材料抵抗硬物壓入的能力。硬度可反映耐磨性。衡量指標(biāo)有：布氏硬度HB球壓頭、測(cè)壓痕直徑洛氏硬度HRC圓錐體壓頭、測(cè)壓痕深度維氏硬度HV1.1金屬材料的機(jī)械性能(續(xù))42塑性－－金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力55沖擊韌性------金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力。一次擺錘沖擊小能量多次沖擊6疲勞強(qiáng)度------金屬材料在重復(fù)或交變負(fù)荷的作用力下，循環(huán)一定周次后，斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。7斷裂韌性------金屬材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能。1.1金屬材料的機(jī)械性能（續(xù)）55沖擊韌性------金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力。61.2金屬材料的其它性能物理性能------包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等。化學(xué)性能------主要是指金屬抵抗活潑介質(zhì)化學(xué)侵蝕的能力。工藝性能------是反映金屬材料在各種加工過程中，適應(yīng)加工工藝要求的能力。它是物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能的綜合表現(xiàn)。工藝性能主要有鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理性等。61.2金屬材料的其它性能物理性能-71.3零件失效１、失效------金屬材料的各種機(jī)器零件（或構(gòu)件）在服役條件下失去了最初的功能叫失效。

２、零件失效------是由于外界損害作用超過了材料抵抗損害能力的結(jié)果。３、失效形式：過量變形－－各種機(jī)器零件受力后總要產(chǎn)生變形。當(dāng)變形量超過允許限度時(shí)，就會(huì)影響零件之間的配合關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)可使零件最終失效，這種現(xiàn)象稱為過量變形。斷裂：由裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段組成。過量磨損：包括磨粒磨損、疲勞磨損、粘著磨損、腐蝕磨損腐蝕71.3零件失效１、失效------金屬8

第二章金屬的結(jié)構(gòu)

2.1金屬的特性１、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；２、正的電阻溫度系數(shù)絕大多數(shù)金屬具有超導(dǎo)性；３、不透明、有金屬光澤；４、良好的塑性。8第二章金屬的結(jié)構(gòu)2.1金屬的特性9

2.2

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、純金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)１、固態(tài)物質(zhì)按其結(jié)構(gòu)可分為：晶體------內(nèi)部原子（或離子）按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體。固體金屬均為晶體。

非晶體-----原子排列無規(guī)則的固體。如松香、玻璃。92.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)10晶格------為便于研究晶體結(jié)構(gòu)，用假想的方法通過原子的中心畫出許多的空間直線，形成空間格架，這種假想的格架在晶體學(xué)上稱為晶格。晶胞－－組成晶格的最基本的幾何單元。晶格常數(shù)－－晶胞的幾何特征可用晶胞三條棱邊長(zhǎng)a、b、c和三條棱邊的夾角、、等六個(gè)參數(shù)來描述，其中a、b、c稱為晶格常數(shù)。晶格參數(shù)－－a、b、c、、、２、晶體學(xué)的幾個(gè)基本概念：10２、晶體學(xué)的幾個(gè)基本概念：11體心立方晶格------金屬中如-Fe、Cr、Mo、W、V等都屬此種晶格。面心立方晶格------金屬中如-Fe、Cu、Al、Ni、Pb等均屬此種晶格。密排六方晶格------金屬中如Zn、Mg、Be、Ti、Co、Cd等均屬此種晶格。３、常見金屬的晶格形式

11體心立方晶格------金屬中如-Fe、Cr、Mo、W12二、常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（1）晶胞原子數(shù)及原子半徑體心立方晶格------每個(gè)體心立方晶胞中包含的實(shí)際原子數(shù)為1/8*8+1=2個(gè)原子。因體心立方晶格常數(shù)為a=b=c,所以原子半徑的尺寸為r=√3.a/4。面心立方晶格------每個(gè)面心立方晶胞中包含的實(shí)際原子數(shù)為1/8*8+1/2*6=4個(gè)原子，原子半徑的尺寸為r=√2.a/4。密排六方晶格------每個(gè)密排六方晶胞中包含有1/6*12+1/2*2+3=6個(gè)原子，原子半徑的尺寸為r=a/2。12二、常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（1）晶胞原子數(shù)及原子半徑13（2）配位數(shù)------是晶格中任一原子周圍最近鄰的等距離的原子數(shù)。表示原子排列的緊密程度。（3）致密度------是指晶胞中所含原子數(shù)的體積與晶胞體積之比。即K=nU/V

配位數(shù)大，則致密度亦大.

式中：K------晶體的致密度；

n------晶胞中所含原子的數(shù)目；

U------每個(gè)原子的體積；

V------晶胞的體積。13（2）配位數(shù)------是晶格中任一原子周圍最近鄰的等距14常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征14常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征151)晶面--------通過晶體中原子中心的平面。

晶面指數(shù)------用以表示晶面的數(shù)字符號(hào)稱為晶面指數(shù)（hkl）晶面指數(shù)的確定晶面族{HKL}三、金屬晶體中晶面和晶向的表示方法151)晶面--------通過晶體中原子中心的平面。三、162)晶向--------是晶體中原子列所表示的方向。晶向指數(shù)------表示晶向的數(shù)字符號(hào)稱為晶向指數(shù)[uvw]晶向指數(shù)的確定晶向族<uvw>162)晶向--------是晶體中原子列所表示的方向。17四、金屬晶體的各向異性定義－－金屬晶體沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象。晶體與非晶體最根本的差別之一是單晶體具有明顯的方向性。這與晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它們之間的結(jié)合力大小不同有關(guān)。17四、金屬晶體的各向異性定義－－金屬晶體沿不同方向性能不相18

2.3實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷1實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

單晶體－－金屬內(nèi)部的晶格方位完全一致。

多晶體－－多晶粒組成的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。

晶粒－－組成多晶體的外形不規(guī)則的小晶體。

晶界－－晶粒與晶粒間的界面。

組織－－用金相的方法，在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。

顯微組織－－顯微鏡所觀察到的組織。

亞晶粒－－晶粒內(nèi)存在的、相互間晶格位向差很小的晶塊。

亞晶界－－亞晶粒之間的界。182.3實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷1實(shí)際晶體192晶體缺陷1）點(diǎn)缺陷：包括：晶格空位、間隙原子和異類原子。

危害：點(diǎn)缺陷的存在會(huì)使晶格發(fā)生畸變，金屬的性能發(fā)生變化。192晶體缺陷1）點(diǎn)缺陷：包括：晶格空位、間隙原子和異202）線缺陷：即位錯(cuò)，或稱為位錯(cuò)線。

位錯(cuò)－－是晶體中某處有一列或若干列原子，發(fā)生了規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。包括：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)202）線缺陷：即位錯(cuò)，或稱為位錯(cuò)線。213）面缺陷：晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。面缺陷是晶體中不同區(qū)域之間，由于晶格方位的過渡所造成。位向差較小的亞晶界，可看成是位錯(cuò)線的堆積。213）面缺陷：晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。222.4金屬中的擴(kuò)散擴(kuò)散－－原子在金屬晶體中移動(dòng)距離超過其平均原子間距的遷移現(xiàn)象。自擴(kuò)散－－原子遷移不引起濃度變化的擴(kuò)散。異擴(kuò)散－－原子遷移伴隨有濃度變化的擴(kuò)散。擴(kuò)散定理222.4金屬中的擴(kuò)散擴(kuò)散－－原子在金屬晶體中移動(dòng)23第三章金屬的結(jié)晶3.1、金屬結(jié)晶的概念一、結(jié)晶的概念結(jié)晶－－液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)形成晶體的過程。凝固即結(jié)晶。近程有序狀態(tài)－－液態(tài)金屬內(nèi)部，原子在短距離的小范圍內(nèi)作近似于固態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列。不穩(wěn)定。結(jié)晶過程實(shí)質(zhì)上是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長(zhǎng)程有序狀態(tài)的過程。23第三章金屬的結(jié)晶3.1、金屬結(jié)晶的概念24

二結(jié)晶的條件結(jié)晶只能在低于平衡溫度下才能進(jìn)行，即必須有一定的過冷度。為什么呢？熱力學(xué)指出：在自然界中，一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，是由一種較高的能量狀態(tài)趨向于最低能量的穩(wěn)定狀態(tài)，就象小球由高處滾向低處，降低自己的勢(shì)能一樣。所以，在恒溫狀態(tài)下結(jié)晶，只有那些引起體系自由降低的過程，才能自發(fā)進(jìn)行。24二結(jié)晶的條件結(jié)晶只能在低于平衡溫度下才能25

三冷卻曲線及過冷度冷卻曲線------金屬在結(jié)晶的過程中，其溫度與時(shí)間的變化關(guān)系曲線。該曲線表明：液態(tài)金屬由高溫開始冷卻時(shí)，周圍環(huán)境吸熱，溫度均勻下降，當(dāng)溫度降到Tn后開始結(jié)晶，并放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了向周圍散失的熱量。過冷-----液態(tài)金屬實(shí)際冷卻到結(jié)晶溫度以下而暫不結(jié)晶的現(xiàn)象過冷度T-----實(shí)際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度To之差。25三冷卻曲線及過冷度冷卻曲線------金屬在結(jié)263.2金屬的結(jié)晶過程

１、形核：自發(fā)晶核----液態(tài)金屬在接近結(jié)晶溫度時(shí)，原子已在短距離范圍內(nèi)近似固態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列，存在著大量尺寸不同的近程有序的原子集團(tuán)。這些原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，時(shí)聚時(shí)散。當(dāng)溫度降低到理論結(jié)晶溫度以下，達(dá)到一定的過冷度以后，液態(tài)金屬中那些超過臨界晶核尺寸的近程有序原子集團(tuán)開始變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶的核心，這種晶核則稱為自發(fā)晶核。非自發(fā)晶核----實(shí)際的金屬并不純凈，存在一些雜質(zhì)，它?？梢源龠M(jìn)晶核在其表面形成，這種晶核稱為非自發(fā)晶核。263.2金屬的結(jié)晶過程１、27

２、長(zhǎng)大：晶核形成后，隨著時(shí)間的推移，新的晶核不斷產(chǎn)生，同時(shí)其他一些原子也按一定的規(guī)律排列在晶核四周，使晶核不斷長(zhǎng)大。當(dāng)過冷度較大，特別是有雜質(zhì)存在的情況下，晶核往往是以樹狀的形式長(zhǎng)大，開始形成晶軸，再在其上形成枝芽，最后發(fā)展成樹枝狀結(jié)晶。在晶核不斷長(zhǎng)大的同時(shí)，新的晶核也在不斷地生成，直至各個(gè)晶?；ハ嘟佑|，液體全部消失，結(jié)晶成外形不規(guī)則的多晶體晶粒，結(jié)晶才告完成。27２、長(zhǎng)大：28３、晶體的長(zhǎng)大方式平面長(zhǎng)方式樹枝長(zhǎng)大方式28３、晶體的長(zhǎng)大方式平面長(zhǎng)方式29

3.3晶粒大小一、晶粒度的概念

晶粒度－－晶粒大小。金屬的性能在很大程度上與晶粒的大小有關(guān)。

晶粒細(xì)化是提高金屬機(jī)械性能的最重要的途徑之一。晶粒愈小，則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性愈好。293.3晶粒大小一、晶粒度的概念30

二、影響晶粒大小的因素細(xì)晶強(qiáng)化－－生產(chǎn)上常通過細(xì)化晶粒的方法來改善金屬材料的機(jī)械性能，以達(dá)到強(qiáng)韌化的目的。變質(zhì)處理－－在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。

影響晶粒大小的因素：

１）過冷度