機械工程材料 課件 高紅霞 第1-3章 金屬機械性能、金屬組織結(jié)構(gòu)、塑性變形改性

《工程材料》《工程材料》◆工程材料性能直接決定機械產(chǎn)品的性能。礦山破碎機顎板汽車剎車片的耐磨性◆工程材料性能也能決定機械產(chǎn)品的創(chuàng)新。魔力水車

衛(wèi)星天線

工程材料概念工程材料對機械的重要性工程材料：工程上所用的各種材料。機械工程：運輸機械、礦山機械、包裝機械、建筑機械、食品機械等。選好材料、用好材料，才能做好機械。視頻緒論一、工程材料分類及應(yīng)用金屬材料非金屬材料

復合材料

鋼、鑄鐵應(yīng)用最多鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金等塑料、橡膠、陶瓷等

鋼＋陶瓷顆粒、塑料＋玻璃纖維新材料→高強合金.工程塑料.工程陶瓷.復合材料等（1）（2）（3）（4）（1）（2）（3）（4）陶瓷增強鈦基復合材料（1）（2）（3）（4）二、《工程材料》內(nèi)容性能←組成←成分

成分、組成、性能、應(yīng)用提高性能的方法（原理及工藝）1.金屬學原理

2.熱處理3.常用工程材料三、《工程材料》學習意義1.材料的重要社會地位

◆材料是時代標志

石器→陶器→青銅器→鐵器◆社會三大支柱之首

材料也決定著信息和能源技術(shù)計算機芯片、太陽能裝備的電池新材料

計算機芯片：熔鑄高純單晶硅，切片摻雜，光刻，層疊等。Intel研制300mm直徑單晶硅錠35億美元。光伏電池：單晶硅、多晶硅、非晶硅。多晶比單晶效率低但便宜。生產(chǎn)1兆瓦硅電池需要17噸高純硅。我國出口工業(yè)硅，進口高純硅?！舨牧习l(fā)展推動社會發(fā)展

飛機：鋁合金→飛機時速↑耐熱陶瓷→飛機功率

↑火車：超導材料→磁懸浮列車（500KM/H）車體懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，木飛機1903年,萊特兄弟,時速18km.1

3.2km，分鐘

。木飛機1909年,中國馮如,時速105km

飛行32km,部分金屬,1910～1925年，鋼制機架，鋁合金蒙皮，時速100km以上。全金屬飛機,1940年，時速600km大量復合材料骨架,2011年,波音787,載客335名.時速1040km。中國首架自主研制大飛機，2017年試飛，168座.上海磁懸浮列車:西起上海地鐵2號線龍陽路站，東到浦東國際機場，線路全長30公里，單線運行時間僅為7分20秒.2003.1.4正式商業(yè)運營。是世界第一條商業(yè)運營的磁懸浮專線。2.材料在機械制造中的重要地位機械零件制造過程：《工程材料》任務(wù)是選材，專業(yè)基礎(chǔ)課零件材料的選用3.后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè)計、考研、工作等需要成型切削加工選材材料毛坯零件設(shè)計圖材料研究新技術(shù)很多本身就是機械制造新技術(shù),如3D打印。3D打印葉輪3D打印機動畫四、《工程材料》目的、要求、方法、考核1.目的

了解性能→選材3.方法

把握重點、課后復習、認真作業(yè)2.要求

掌握金屬學原理、熱處理原理→選材、選熱處理的初步能力4.考核

開卷考試(80%)、平時成績(20%)—考勤、作業(yè)、實驗五、我國材料發(fā)展歷史及現(xiàn)狀1.古代

輝煌期陶瓷、青銅、球墨鑄鐵等2.近代低潮期主要是鋼、普通鑄鐵復蘇期并達到較高水平高強合金、球墨鑄鐵、工程陶瓷、工程塑料、復合材料等3.現(xiàn)代

六、教學思路及教學安排課程目的了解材料性能材料性能決定因素取決于其內(nèi)部組織及結(jié)構(gòu)(性能←組成←成分)第1章材料的性能第2章金屬材料組織結(jié)構(gòu)材料性能的提高強化等改性方法第3章金屬的塑性變形改性第4章鋼的熱處理改性各種工程材料成分、組成、性能應(yīng)用、牌號第6章碳鋼第7章合金鋼第8章鑄鐵第9章有色金屬材料及熱處理選用第12章機械零件的選材及熱處理第1章材料的性能（力學性能）§1、強度一、拉伸試驗FF應(yīng)力：F/S延伸率：Δl/l0

×100%延伸率應(yīng)力dbcReeRmo低碳鋼應(yīng)力–延伸率曲線ob:

彈性變形應(yīng)力=E×延伸率

bc:

屈服，微量塑變

cd:

大量均勻塑變

de:

局部塑變、斷裂

二、應(yīng)力–延伸率曲線拉伸動畫F→彈性變形→微量塑變→大量塑變→局部塑變、斷裂應(yīng)力<Re

應(yīng)力=Re

應(yīng)力>Re

應(yīng)力>Rm

三、強度定義變形、斷裂抗力

強度指標：E＝應(yīng)力／延伸率（剛度、彈性模量）、Re(屈服強度)、Rm(抗拉強度)

Rp0.2(屈服強度).

§2、塑性一、塑性定義變形能力

鋁合金o應(yīng)力–延伸率曲線延伸率應(yīng)力鑄鐵塑性指標：A(斷后伸長率)=Δl/l0×100%Z(斷面收縮率)=ΔS/S

0×100%§3、硬度一、硬度定義表面局部變形抗力

二、布氏硬度直徑D鋼球,在一定壓力F下壓入試樣,壓痕面積S,壓痕直徑d。HBW==查表由d→HBW

500HBW表示方法：

試驗機布氏硬度動畫布氏硬度試驗原理FS痕F22F三、洛氏硬度預(yù)載h0主載h1卸載h2壓入深度h＝h1－h(huán)2HRC

=（K-h）/0.002（120度金剛石圓錐K=0.2）60HRC表示方法：

布氏硬度與洛氏硬度特點比較HBW：軟材、準確、厚材。HRC：硬材、快速、薄材。

試驗機洛氏硬度試驗原理洛氏硬度動畫§4、韌性（沖擊韌性）一、沖擊試驗試驗機h2

h1沖擊試驗原理二、沖擊韌性mg(h1-h2)/s（J/cm2）aK=質(zhì)量為m（kg)錘從h1(m)高度自由落下，試樣被沖斷后升至h2(m)高度。沖擊試樣KU=mgh1-mgh2KU、aK表示沖擊過程中試樣吸收的能量用于變形三、沖擊韌性定義材料在沖擊過程中吸收的能量、沖擊載荷下的變形能力

四個方面機械性能的聯(lián)系：對于一般結(jié)構(gòu)鋼：Rm

與HBW統(tǒng)一，A與KU統(tǒng)一，

Rm、HBW與A、KU相反。

《工程材料》第2章金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織

第2章金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織§1、純金屬的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的結(jié)構(gòu)組織顯微鏡下的組成情況結(jié)構(gòu)內(nèi)部微粒（原子）排列情況（相對較宏觀）（微觀)晶體內(nèi)部原子有規(guī)律、重復排列的物體晶格表示原子排列規(guī)律的空間格子。晶胞晶格中的最小單元。金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復晶格晶體模型晶格晶胞1、理想金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復晶格(同方位)單晶體三種常見晶格：體心立方面心立方密排六方晶格常數(shù)

晶胞棱邊長度：?致密度

原子排列密集程度

體心0.68面心、密排0.74理想金屬性能：各向異性、高強度、耐熱耐蝕

理想金屬2、實際金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復晶格(不同方位)多晶體三種常見晶體缺陷：晶粒晶界點缺陷線缺陷面缺陷間隙原子、空位

位錯

(直線.曲線.螺旋線)位錯密度ρ位錯作用:ρ少時,力→ρ運動→變形→Re降低ρ多時,力→ρ運動受阻→難變形→Re提高強化金屬實際金屬ρRe晶界晶界原子排列點缺陷刃型位錯實際金屬中晶體缺陷對性能影響：晶格缺陷→晶格畸變→Re提高（晶格常數(shù)變）實際金屬性能：各向同性、低強度、耐熱耐蝕性差（多晶）（ρ運動）（晶界）二、純金屬的組織結(jié)晶形成

1.結(jié)晶定義高溫液體

固態(tài)晶體結(jié)晶

熔化

T0

T0—

平衡結(jié)晶溫度熔點

2.結(jié)晶條件T結(jié)<T0

ΔT＝T0－T結(jié)（過冷度）

過冷度與冷速有關(guān)：V冷越大，T結(jié)越低，ΔT越大但ΔT太大就得到非晶合金化強化（點缺陷）.塑變強化（線缺陷）.細晶強化（面缺陷）3.結(jié)晶過程高溫液體→形成晶核→晶核長大→多晶體形核率N長大速率GN越大，G越小，晶粒會越細小4.結(jié)晶過程影響因素1）冷卻速度V冷V冷越大——ΔT增大——N增大、G增大(但G增大速度小于N)——晶粒細——Rm升高

快冷技術(shù)：

微晶（μm）：

納米晶體（nm）：

非晶：高強、硬、耐蝕、導磁

金屬型鑄造，V冷大，零件性能好于砂型鑄造2）雜質(zhì)加入雜質(zhì)元素（本身為硬質(zhì)點或形成硬質(zhì)點）——

N增大——晶粒細——Rm升高

變質(zhì)處理

3）振動或攪拌電磁振動，超聲振動，機械振動，機械攪拌

厚大金屬組織分析厚大金屬組織5.純金屬的結(jié)晶組織工業(yè)純鐵組織組織缺陷晶粒粗大、氣孔、縮孔、夾雜

組織缺陷對性能影響：各方面性能下降

改善組織缺陷方法：鍛、軋、熱處理§2、合金的組織與結(jié)構(gòu)合金金屬←金屬或非金屬Cu←Zn,Fe←C

成分各元素含量Cu70％，Zn30％組元基本物質(zhì).元素或穩(wěn)定化合物鐵碳合金.Fe和Fe3C合金系一定組成元素，成分不同的一系列合金鐵碳合金系、銅鋅合金系等相元素作用形成一定成分、一定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)（顯微鏡下可見，有界面）Fe3CF組織與相的關(guān)系:組織由相構(gòu)成包括相的種類、相的分布一、合金的結(jié)構(gòu)合金中各元素原子排列情況原子排列形成各種相1.合金中的相固溶體不同元素的原子相互溶解形成的固體

CFeCuZn溶質(zhì)、溶劑、溶解度置換固溶體

溶質(zhì)在晶格結(jié)點

Δr小，溶解度大

間隙固溶體

溶質(zhì)在晶格間隙

Δr大，溶解度小

固溶體Rm、HBW高于其純金屬（溶質(zhì)進入使晶格畸變）——固溶強化固溶體性能：塑性好

作為基體相。用α、β、γ、δ表示化合物不同元素原子相互化合形成

如：Fe3C

電子化合物金屬+金屬CuZn,CuZn3正常價化合物金屬+非金屬Mg2Si間隙化合物金屬+小非Fe3C化合物結(jié)構(gòu)晶格一般較復雜

化合物性能硬、脆作為硬化相兩種相比較成分結(jié)構(gòu)形態(tài)性能作用固溶體化合物各元素含量溶劑晶格晶粒塑性好基體相各元素含量復雜晶格不規(guī)則硬脆強化相2.合金的結(jié)構(gòu)元素原子排列→相（各元素原子按一定規(guī)律排列）1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB二、二元合金的組織1.相圖一定合金系,成分、溫度、狀態(tài)三者平衡關(guān)系圖.概念用途1.判斷一定成分合金，在一定T下，相的種類

2.分析結(jié)晶過程，判斷最終的組織如：20％Ni合金，在1200℃，相為L+α如：20％Ni合金最終組織為α2.二元合金基本相圖及結(jié)晶分析1）勻晶相圖

勻晶反應(yīng)：

Lα相圖分析：區(qū)（液、固、液＋固）線（液相線、固相線）點（Cu熔點、Ni熔點）

1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB結(jié)晶分析：組織如：20％Ni合金最終組織為αΔT在ΔT結(jié)晶溫度范圍，一定T，L、α

重量用杠桿定律計算杠桿定律

QLQαX1KX2QL(K-X1)=Qα(X2-K)杠桿定律適用于任何兩相區(qū)2）共晶相圖

共晶反應(yīng)：

L（α+β）相圖分析：區(qū)（三個單相區(qū)、三個雙相區(qū)）線（液相線、固相線、共晶線、溶解度線）點（熔點、溶質(zhì)含量點、共晶點）

結(jié)晶分析：組織SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+βT0（α+β）——共晶組織、共晶產(chǎn)物、共晶體α.β均勻分布,(α+β)為

機械混合物，性能遠高于α.β的平均值共晶動畫SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β共晶合金?

組織為（α+β）?亞共晶合金??

??組織為α

+（α+β）過共晶合金???

組織為β

+（α+β）???結(jié)晶過程結(jié)晶過程SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β1組織為（α+β）溫度??12組織為α+（α+β）溫度SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β3）共析相圖

BAcdeafgb→B%γγ

+ααα+ββγ

+βLL+γ共析反應(yīng)：

γ（α+β）T0（α+β）——共析組織、共析產(chǎn)物、共析體α.β均勻分布,(α+β)為

機械混合物，性能遠高于α.β的平均值相圖分析：區(qū)（單相區(qū)、雙相區(qū)）線（共析線、溶解度線）點（溶質(zhì)含量點、共析點）

結(jié)晶分析：組織共析合金?

組織為（α+β）亞共析合金??

組織為α+（α+β）過共析合金???

組織為β

+（α+β）BAcdeafgb→B%γγ+αα

α+ββγ+β??????3.二元合金組織及性能

α（α+β）α

+（α+β）塑性好高于α、β平均介于α、（α+β）之間

§3、鐵碳合金的組織與結(jié)構(gòu)一、鐵碳合金的結(jié)構(gòu)鐵碳合金中各相的結(jié)構(gòu)Fe、C作用形成各種相1.Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe體心立方912

C-Fe面心立方1394oC-Fe體心立方同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特征：（1）溫度恒定（2）體積突變Fe、C作用：C、-FeC、-Fe鐵素體F奧氏體AC＋Fe化合形成滲碳體Fe3C溶解形成溶解形成2.鐵碳合金中的三種基本相FA3、鐵碳合金中的五種基本組織鐵碳合金的組織均由五種基本組織構(gòu)成，如：PF

P

Fe3C20鋼組織F+PT12鋼組織P＋Fe3C二、鐵碳合金相圖1.相圖組成共析相圖共晶相圖勻晶相圖LAL(A+Fe3C)A(F+Fe3C)LLdAP1148℃727℃Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡化的Fe--Fe3C相圖2.相圖分析一系：Fe－C合金系或Fe--Fe3C合金系二元：

Fe、Fe3C三區(qū)：單相區(qū)L、F、A、Fe3C

雙相區(qū)三相區(qū)PSK、ECF、四相：

L、F、A、Fe3C五線：液相線ACD

固相線AECF

三相線PSK、ECF

溶解度線PQ、ES

先共析線GSFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡化的Fe--Fe3C相圖0.020.772.114.33.鐵碳合金分類工業(yè)純鐵<

P碳鋼P－E白口鐵E－F共析鋼S亞共析鋼P－S過共析鋼S－E共晶白口鐵C亞共晶白口鐵E－C過共晶白口鐵C－F0.02Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+

Fe3CF+Fe3CL+AL+

Fe3CF+A6.691148℃727℃0.772.114.3三、鐵碳合金組織用鐵碳相圖進行結(jié)晶過程分析Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃1.工業(yè)純鐵

LL+A

A

A＋F

F

F＋Fe3CIII

最后組織：F工業(yè)純鐵組織Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃2.共析鋼

LL+A

A

P動畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃3.亞共析鋼LL+A

A

A＋F

P＋F動畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃4.過共析鋼LL+A

A

A＋Fe3CII

P＋

Fe3CII

動畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃5.共晶白口鐵L

Ld

L′d

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃6.亞共晶白口鐵L

L＋A

Ld＋

A

Ld＋

A＋Fe3CII

L′d＋P＋

Fe3CII

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃7.過共晶白口鐵L

L＋Fe3CI

Ld＋Fe3CI

L′d＋

Fe3CI

過總結(jié)：鐵碳合金組織1、工業(yè)純鐵：F

F2、共析鋼：P3、亞共析鋼：F

＋P

FP4、過共析鋼：P

＋

Fe3CII

P

PFe3CII5、共晶白口鐵L′d

L′d6、亞共晶白口鐵L′d＋P＋Fe3CIIL′dPFe3CII7、過共晶白口鐵L′d＋

Fe3CI

L′dFe3CIFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CP＋

Fe3CIIL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡化的Fe--Fe3C相圖PF+PFL′dL′d＋P＋

Fe3CII

L′d＋

Fe3CI亞共析鋼組織組成物（P＋F）的定量計算1).C＝0.2％的鋼QF＝(0.77-0.2)/0.77×100％＝74％QP＝1－74％＝26％2).C＝0.45％的鋼QF＝(0.77-0.45)/0.77×100％＝42％QP＝1－42％＝5