《工程材料》课件：02-第一章.ppsx

1、上次课回顾上次课回顾1、晶体的概念2、五种结合键及其特性3、结合键与材料性能的关系1、晶体结构、晶格、晶胞2、常见的三种金属晶格结构3、实际晶体中的三种晶体缺陷4、晶体缺陷对晶体性能的影响材料的结合键材料的结合键纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构本次课内容本次课内容1.2 金属材料的性能 1.2.1 金属材料的工艺性能 铸造、锻造、焊接性能 切削加工、 热处理工艺性能 1.2.2 金属材料的机械性能 强度、塑性、硬度、韧性 疲劳强度、断裂韧性1.2.3 金属材料的理化性能 物理性能 化学性能1.1 金属材料的结构与组织 1.1.2 合金的晶体结构 组元、相、合金、固溶体、 金属化合物 1.1.3

2、 金属材料的组织 组织及其影响因素合金合金组元组元二元合金二元合金相相一种一种金属元素金属元素同另一种或几种元素，同另一种或几种元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有成的具有金属特性金属特性的物质。的物质。组成合金的独立的、最基本的单元。组成合金的独立的、最基本的单元。由两个组元组成的合金。由两个组元组成的合金。合金中具有合金中具有相同化学成分相同化学成分、相同晶体结相同晶体结构构并有并有界面界面与其它部分分开的与其它部分分开的均匀均匀组成组成部分。如液相、固相、部分。如液相、固相、 相、相、 相相2金属化合物金属化合物固溶体固溶体1P P2 21 11

3、.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构固溶体固溶体溶剂溶剂合金组元通过溶解形成一种合金组元通过溶解形成一种成分和性能成分和性能均匀的均匀的、且、且结构和组元之一结构和组元之一相同的相同的固相固相。表示为表示为A A（B B），），CuCu（ZnZn）与固溶体晶格相同的组元。与固溶体晶格相同的组元。A溶质溶质与固溶体晶格不同的组元。与固溶体晶格不同的组元。B1 固溶体固溶体P P2 22 21.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构按溶质原子在溶剂晶格中的位置按溶质原子在溶剂晶格中的位置置换置换间隙间隙按溶质原子在溶剂中的溶解度按溶质原子在溶剂中的溶解度有限有限无限无限溶质原子在固溶体中分布是否有

4、规律溶质原子在固溶体中分布是否有规律有序有序无序无序固溶体分类固溶体分类纯晶体中的纯晶体中的异类原子？异类原子？纯晶体中的纯晶体中的间隙原子？间隙原子？固溶体随着溶质原子的溶入而晶格发生畸变，增大了位固溶体随着溶质原子的溶入而晶格发生畸变，增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而提高错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而提高了合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度了合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象叫固溶强化。和硬度提高的现象叫固溶强化。晶体的一部分沿晶体的一部分沿一定晶面的一定一定晶面的一定晶向相对于另一晶向相对于另一部分发生滑动。部分发

5、生滑动。金属在静载金属在静载荷下抵抗永荷下抵抗永久变形或断久变形或断裂的性能。裂的性能。金属受压时金属受压时抵抗局部塑抵抗局部塑性变形的能性变形的能力。力。固溶强化固溶强化1 固溶体固溶体P P2 22 21.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构抗拉强度硬度断面收缩率纯铜220MPa40HB70%含1%镍的铜固溶体390MPa70HB50%金属化合物金属化合物金属化合物的特点金属化合物的特点合金组元相互作用形成的合金组元相互作用形成的晶格类型和晶格类型和特性完全不同于任一组元特性完全不同于任一组元的新相。的新相。金属化合物的分类金属化合物的分类 熔点高、硬度大、脆性大，使金属的熔点高、硬度大、

6、脆性大，使金属的 强度和硬度提高，塑性和韧性下降。强度和硬度提高，塑性和韧性下降。正常价化合物正常价化合物电子化合物电子化合物间隙化合物间隙化合物2 金属化合物金属化合物P P2 23 31.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构2 金属化合物金属化合物P P2 23 31.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构正常价化合物正常价化合物由电负性相差较大的两种原子组成的由电负性相差较大的两种原子组成的严格遵守化合价规律的化合物。严格遵守化合价规律的化合物。特点：特点：离子键结合，离子键结合，硬度高、脆性大，硬度高、脆性大，可用明确的分子式表示，如可用明确的分子式表示，如ZnS电子化合物电子化合物由由

7、IB族族或过渡或过渡族族元素元素与其它元素组成的与其它元素组成的不遵守化合价规律，不遵守化合价规律，电子浓度电子浓度一定一定，晶体结构一定，晶体结构一定特点：特点：主要以金属键结合，具有明显主要以金属键结合，具有明显的金属特性，熔点高、硬度高，是许的金属特性，熔点高、硬度高，是许多有色金属的重要强化相，如多有色金属的重要强化相，如CuZn,Cu3Al的电子浓度均为的电子浓度均为3/2化合物的价电子数化合物的价电子数与原子数之比。与原子数之比。2 金属化合物金属化合物P P2 23 31.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构间隙化合物间隙化合物尺寸大尺寸大的过渡族金属元素原子占据晶格的过渡族金属

8、元素原子占据晶格的结点位置，的结点位置， H H、B B、C C、N N等等原子半径原子半径较小较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶的非金属元素原子有规则地嵌入晶格的间隙中形成的化合物。分为间隙相格的间隙中形成的化合物。分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。和复杂结构的间隙化合物两种。当非金属元素原子半径与金属元素原当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比子半径之比大于大于0.59时，形成具有复时，形成具有复杂结构的间隙化合物。杂结构的间隙化合物。Fe3C当非金属元素原子半径与金属元素原当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比子半径之比小于小于0.59时，形成具有简时，形成具有简单晶格的间隙

9、化合物。单晶格的间隙化合物。VC金属化合物一般作为金属化合物一般作为强化相强化相弥散分布在合弥散分布在合金的基体上，以提高合金的强度、硬度、金的基体上，以提高合金的强度、硬度、耐磨性等，这种强化方式叫耐磨性等，这种强化方式叫弥散强化弥散强化。弥散强化弥散强化间隙相和间隙固溶体区别？间隙相和间隙固溶体区别？VVC组织的概念组织的概念组织的决定因素组织的决定因素组织与性能的关系组织与性能的关系 金属的性能由其内部的组织结构决定。金属的性能由其内部的组织结构决定。用肉眼或显微镜观察到的材料的显微用肉眼或显微镜观察到的材料的显微形貌。由数量、大小、形状及分布方形貌。由数量、大小、形状及分布方式不同的相

10、组成。式不同的相组成。化学成分化学成分1工艺过程工艺过程2P P2 24 41.1.3 金属材料的组织金属材料的组织w(c)=0.77%的球状珠光体工艺性能工艺性能材料在加工成零件或构件的过程中材料在加工成零件或构件的过程中适适应加工应加工的性能的性能使用性能使用性能材料在使用条件下表现出来的性能材料在使用条件下表现出来的性能机械性能机械性能物理性能物理性能化学性能化学性能1.2 金属材料的性能金属材料的性能冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭热轧热轧铸件铸件钢板钢板钢棒钢棒钢管钢管型材型材锻件锻件焊接焊接冷拔冷拔冷轧冷轧冷冲冷冲机加工机加工热锻热锻零件零件热处理热处理铸造性能：材料铸造成形获得优良铸件的

11、能力。流动性、收缩性、偏析锻造性能：材料用锻压加工方法成形的适应能力。塑性、变形抗力焊接性能：材料对焊接加工的适应能力。碳质量分数机加工性能：用刀具寿命和加工后的表面质量表示。适当硬度、足够脆性热处理性能：钢的热处理性能主要考虑其淬透性等。合金钢好，碳钢差1.2.1 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 金属材料的机械性能（或力学性能）是指金属在不同环金属材料的机械性能（或力学性能）是指金属在不同环境因素（温度、介质）下，承受外载荷（拉、压、弯、剪境因素（温度、介质）下，承受外载荷（拉、压、弯、剪、扭）作用时所表现的行为（变形、断裂等）。也可以理、扭）作用时所表现的行为（变形、断裂等）。也可以

12、理解为解为金属抵抗外载荷引起的变形和断裂能力金属抵抗外载荷引起的变形和断裂能力。1.2. 2金属材料的机械性能金属材料的机械性能1、强度、刚度、弹性、强度、刚度、弹性1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P28P28弹性弹性变形变形阶段阶段屈服屈服阶段阶段强化强化阶段阶段缩颈缩颈阶段阶段断裂断裂点点0AP0ll抗拉强度抗拉强度、刚度、弹性及塑性可以通、刚度、弹性及塑性可以通过过GB/T 228.1-2010金属材料金属材料 拉伸拉伸试验试验 第第1部分部分 室温试验方法室温试验方法来来测定测定强度：强度：金属材料在静载荷作用下金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂抵抗塑性变形或断裂

13、的能力。的能力。刚度：刚度：金属材料在静载荷作用下金属材料在静载荷作用下抵抗弹性变形抵抗弹性变形的能力。的能力。1、强度、刚度、弹性、强度、刚度、弹性1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P2929弹性弹性变形变形阶段阶段屈服屈服阶段阶段强化强化阶段阶段缩颈缩颈阶段阶段断裂断裂点点屈服强度：屈服强度：材料开始产生材料开始产生明显塑性变形明显塑性变形时的最低应力值时的最低应力值抗拉强度：抗拉强度：材料在拉应力作用下材料在拉应力作用下破断破断前所承受的最大应力值。前所承受的最大应力值。0APss02 . 02 . 0AP0APbb1、强度、刚度、弹性、强度、刚度、弹性1.2.2 金属

14、材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 30 0弹性模量弹性模量E E：材料在弹性状态下的材料在弹性状态下的应力应力- -应变比应变比。又称刚度。又称刚度。 弹性极限弹性极限 e：材料在弹性状态下所能承受的最大应力值。材料在弹性状态下所能承受的最大应力值。eeE0APee弹性模量的单位？弹性模量的单位？弹性弹性变形变形阶段阶段屈服屈服阶段阶段强化强化阶段阶段缩颈缩颈阶段阶段断裂断裂点点2、塑性、塑性金属材料在静载荷作用下，产生塑金属材料在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。用性变形而不破坏的能力。用延伸率延伸率 和和断面收缩率断面收缩率 来表示。来表示。 ：试样拉断后，标距增长量与原始

15、标距之比。试样拉断后，标距增长量与原始标距之比。 ：试样拉断处的横截面积收缩量与原始横截面积之比。试样拉断处的横截面积收缩量与原始横截面积之比。%100001lll%100%1000100SSSSS1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 30 01.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 31 13、硬度、硬度1） 布氏硬度布氏硬度材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗度，即受压时抵抗局部塑性变形局部塑性变形的能力。的能力。表示方法：表示方法：200HBS10/1000/30200HBS（10mm/3000kgf

16、/10s） 测试方法：测试方法：用一直径为用一直径为D的淬火钢的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷球或硬质合金球，在规定载荷P的的作用下压入被试金属表面，停留一作用下压入被试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，测量被试金属定时间后卸除载荷，测量被试金属表面上所形成的压痕直径表面上所形成的压痕直径d，从而，从而计算球面压痕单位面积上所承受的计算球面压痕单位面积上所承受的平均压力平均压力，即硬度值。，即硬度值。应用场合：应用场合：各种退火状态下钢材、铸件各种退火状态下钢材、铸件、有色金属或有色金属或调质处理后的机械零件。调质处理后的机械零件。一般一般 450HBS 或或 650HBW。S)(2102.

17、 0)(22dDDDPSPHBWHBS2/)(mmKgfHBWHBS的单位实际为老老 or 嫩嫩?3、硬度、硬度2）洛氏硬度）洛氏硬度测试方法：测试方法：将金刚石压头将金刚石压头（或钢球压头），在先后施（或钢球压头），在先后施加两个载荷（预载荷加两个载荷（预载荷P0和总和总载荷载荷P）的作用下压入金属）的作用下压入金属表面。总载荷表面。总载荷P为预载荷为预载荷P0和主载荷和主载荷P1之和。卸去主载之和。卸去主载荷荷P1后，测量残余压入深度后，测量残余压入深度h1来计算洛氏硬度。来计算洛氏硬度。表示方法表示方法：60HRC 60HRB 60HRA标准标准符号符号压头压头总载总载荷荷/N常用硬度常

18、用硬度示值范围示值范围应用场合应用场合HRA金刚石金刚石圆锥圆锥5886085碳化物、表面碳化物、表面硬化工件等硬化工件等HRB1/16钢球钢球98025100软钢、退火钢软钢、退火钢、铜合金等、铜合金等HRC金刚石金刚石圆锥圆锥14702067淬火钢、调质淬火钢、调质钢等钢等1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 31 13）维氏硬度）维氏硬度测试方法：测试方法：将相对面夹角为将相对面夹角为136的金刚的金刚石正四棱锥压头，在载荷石正四棱锥压头，在载荷F作用下压入作用下压入被试金属表面，保持一定时间后卸除载被试金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测量压痕投影对角线的平均长度荷

19、，测量压痕投影对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积进而计算出压痕的表面积S，最后求出，最后求出压痕表面积上的平均压力（压痕表面积上的平均压力（F/S）为硬）为硬度值。度值。4）硬度换算）硬度换算3、硬度、硬度表示方法：表示方法：800HV应用场合：应用场合：范围宽，但不常用。范围宽，但不常用。1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能1）各种硬度之间没有理论的换算关系；）各种硬度之间没有理论的换算关系；2）试验结果之间的换算关系（）试验结果之间的换算关系（GB/T 1172-1999）；）；3）硬度在（）硬度在（200600HBS(w)）范围内，范围内，1HRC 10HBS (w)

20、 ；4）硬度小于）硬度小于450HBS时，时，1HBS 1HV。4、冲击韧性、冲击韧性冲击韧性是材料抵抗冲击韧性是材料抵抗冲击载荷冲击载荷作用的能力作用的能力。测定方法：测定方法：一次摆锤冲击弯曲试验。把质量为一次摆锤冲击弯曲试验。把质量为G的摆锤抬到的摆锤抬到H高高度，释放摆锤，将试样冲断，并向另一方向升高到度，释放摆锤，将试样冲断，并向另一方向升高到h高度。高度。试样断裂所消耗的功，称为试样断裂所消耗的功，称为冲击吸收功冲击吸收功Ak。冲击吸收功除以试样缺口处截面积冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0得材料得材料冲击韧度冲击韧度ak。)(hHGgAkHhG0SAakk1.2.2 金属材料的机

21、械性能金属材料的机械性能P P3 31 15、疲劳疲劳强度强度疲劳疲劳：在交变应力作用下，虽然材料所承受的应力低于屈服点，：在交变应力作用下，虽然材料所承受的应力低于屈服点，但经较长时间的工作而产生裂纹或突然断裂的过程。但经较长时间的工作而产生裂纹或突然断裂的过程。疲劳曲线疲劳曲线：表示材料承受：表示材料承受的交变应力（的交变应力（ ）与材料）与材料断裂前承受交变应力的次断裂前承受交变应力的次数（数（N）之间的关系曲线。）之间的关系曲线。疲劳极限（疲劳强度）疲劳极限（疲劳强度） ：当交变应力低于一定值时，当交变应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值叫

22、环而不破坏，此应力值叫疲劳极限或疲劳强度。疲劳极限或疲劳强度。随时间作周期性变化的应力叫随时间作周期性变化的应力叫1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 32 2对于对于对称循环交变应力对称循环交变应力，疲劳强度用，疲劳强度用 -1表示。表示。对于对于黑色金属黑色金属，一般规定应力循环，一般规定应力循环107周次周次 而不断裂的而不断裂的最大交变应力最大交变应力为疲劳强度为疲劳强度 -1。对于对于有色金属有色金属，一般规定，一般规定应力循环应力循环108周周次次 而而不断裂的不断裂的最大交变应力最大交变应力为为疲劳强度疲劳强度 -1 。疲劳断裂前没有明显的塑性变形，具有很大的

23、疲劳断裂前没有明显的塑性变形，具有很大的突然性突然性。金属疲劳强度影响因素：金属疲劳强度影响因素：工作条件、表面状态、材质、残余工作条件、表面状态、材质、残余 应力应力等。等。提高疲劳强度的措施：结构上避免应力集中，提高表面加工提高疲劳强度的措施：结构上避免应力集中，提高表面加工 质量，表面强化处理等。质量，表面强化处理等。5、疲劳疲劳强度强度1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 32 21.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 32 26、断裂韧性、断裂韧性事故：1969年12月15日，美国俄亥俄河上的Silver Bridge在短短1分钟内断为24块，死

24、亡46人，伤9人，当时载荷仅仅为设计载荷的40%。1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能P P3 33 36、断裂韧性、断裂韧性材料抵抗材料抵抗裂纹失稳扩展断裂裂纹失稳扩展断裂的能力。的能力。低应力脆断低应力脆断：屈服强度以下的脆性断裂。为材料中宏观裂纹的：屈服强度以下的脆性断裂。为材料中宏观裂纹的 扩展而引起的。扩展而引起的。应力场强度因子应力场强度因子K1：衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的参数衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的参数断裂韧度断裂韧度K1c：裂纹扩展的临界状态所裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子。其大小由材对应的应力场强度因子。其大小由材料的成分、组织状态决定，与

25、裂纹料的成分、组织状态决定，与裂纹 的尺寸、形状及外加应力的大小的尺寸、形状及外加应力的大小无关无关当当K1 K1c时，裂纹失稳扩展，导致时，裂纹失稳扩展，导致断裂。断裂。aYK11.2.3 金属材料的理化性能金属材料的理化性能1、金属的物理性能、金属的物理性能2、金属的化学性能、金属的化学性能密度密度熔点熔点导热性导热性导电性导电性热膨胀性热膨胀性磁性磁性化学稳定性化学稳定性热稳定性热稳定性耐腐蚀性耐腐蚀性抗氧化性抗氧化性轻金属轻金属重金属重金属难熔金属难熔金属易熔金属易熔金属银银 铜铜 铝铝纯金属纯金属合金合金银银 铜铜 铝铝纯金属纯金属合金合金滑动轴承的轴与轴瓦滑动轴承的轴与轴瓦铁磁性材料铁磁性材料 顺磁性材料顺磁性材料抗磁性材料抗磁性材料又称为热化学稳定性又称为热化学稳定性本次课小结本次课小结1、组元、相、合金、固溶体、金属化合物2、固溶强化、弥散强化1、组织的概念及其影响因素1、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳、韧性合金的晶体结构金属材料的组织金属材料的机械性能高分子材料的结构作业作业第一次作业 金属的结构