工程材料(呂燁)

1、工程材料工程材料第一章 工程材料的分類及性能 第二章 金屬的結構與結晶第三章材料的變形第四章鋼的熱處理第五章 工業(yè)用鋼 第六章 鑄鐵第七章 有色金屬 第八章 常用非金屬材料第九章 機械制造中的材料選擇 第一章 工程材料的分類及性能 1.材料的分類 2.材料的性能緒論以轎車為例車身 零件：車頂、前壁、后壁、車門 材料：鋼、塑料、復合材料車輪 零件：輪轂、輪體、輪胎 材料：鋼、鋁合金、復合材料變速器 零件：箱體、齒輪、傳動軸、軸承 材料：鋼、鑄鐵發(fā)動機 零件：氣缸、活塞、連桿、曲軸 材料：鋼、鑄鐵、鋁合金1.材料的分類 工程上使用的材料有機械工程材料、土建工程材料、電工材料、電子材料。按屬性分類：

2、 一金屬材料：鋼、鑄鐵、有色金屬二高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維三陶瓷材料四復合材料2.材料的性能 一機械性能 (一)強度 (二)剛度 (三)塑性 (四)硬度 (五)沖擊韌性 (六)疲勞強度二物理性能三化學性能四工藝性能一機械性能（一）強度1.定義：強度是金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。拉伸試樣低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的拉伸過程分三個階段：彈性變形、塑性變形和斷裂階段。b是抗拉強度，是試樣拉斷前承受的最大載荷；s是屈服強度，是彈性變形轉向塑性變形的明顯標志；e是彈性極限。2.屈服強度及抗拉強度 屈服強度為金屬材料產(chǎn)生屈服時的應力,抗拉強度為拉斷前所承受的最大應力,兩者大小可由拉伸

3、曲線測得. 屈強比越小,安全系數(shù)越大. 低碳鋼具有屈服階段，對于其它無明顯屈服現(xiàn)象的材料，如高碳鋼、鑄鐵、銅、鋁等，可用0.2代替屈服極限，稱為名義屈服點。(二)剛度定義：金屬材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。彈性模數(shù)E：是衡量剛度大小的指標，其值等于在彈性變形范圍內(nèi)，應力與應變的比值。在相同外力作用下，E越大，則彈性變形越小，剛度越大。E只與材料的本性有關。 剛度除了與E有關，還與零件的形狀、尺寸有關。(三)塑性 定義：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。塑性通常用伸長率，斷面收縮率表示。=（LL0）/ L0100%=（F0F）/ F0100%、越大，塑性越好。(四)硬度1定義

4、：金屬材料抵抗其他更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。2類型：布氏硬度（HB）：HBS、HBW。洛氏硬度（HR）：HRC、HRA、HRB。維氏硬度（HV）：4硬度是一個重要的綜合力學性能指標，反 映了材料在小范圍內(nèi)抵抗變形和斷裂的力。3. 硬度實驗(五)沖擊韌性1定義：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力。2沖擊韌性值k用來衡量沖擊韌性的大小。 k 越大，韌性越好3擺錘沖擊實驗4強度、塑性均好的材料，韌性好。(六)疲勞強度 1 疲勞斷裂：在交變載荷下工作的一些構件,所受應力雖然低于其屈服強度，但使用中往往突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。2. 疲勞強度-1：金屬材料在無數(shù)次(鋼 107有色金屬108)

5、重復交變載荷作用下不致引起斷裂的最大應力 3. 疲勞強度實驗物理性能、化學性能和工藝性能二物理性能密度、熔點、熱容、熱膨脹性、導熱、導電性、磁性。三化學性能耐腐蝕性、高溫抗氧化性。四工藝性能 鑄造性能、可鍛性、可焊性、熱處理性能、切削加工性能。第二章 金屬材料的結構與結晶什么叫材料的結構?組成材料成分的原子及其在空間的排列方式，統(tǒng)稱為材料的結構1金屬及合金的結構一金屬的晶體結構1.晶體與非晶體晶體：原子沿三維空間重復排列成有序 結構（長程有序）。特點：有序排列各向異性固定的熔點非晶體：原子無序排列（短程有序）。2晶體結構的基本概念 晶格結點晶胞晶格常數(shù)，單位是 (埃，10-10m或0.1nm)

6、晶面、晶向3常見晶體結構類型： 體心立方，如-Fe、Cr、V、W、Mo等面心立方，如-Fe、Al、Cu、Ni、Pb等密排六方，如Mg、Zn、Be等不同金屬，晶體結構和晶格類型不同，因而性能不同；在同一晶體內(nèi)，不同晶面和晶向上原子密度不同，因而性能不同（各向異性）。二多晶體結構與晶體缺陷1晶粒與晶界2晶體缺陷點缺陷：空位、間隙原子，導致晶格畸變，使強度、硬度升高，塑性、韌性降低。線缺陷：位錯，其存在及數(shù)量的變化對性能影響很大。面缺陷：晶界，使晶體的強度、塑性、韌性提高（細化晶粒以提高材料性能），但晶界處熔點低，易腐蝕，且易聚集雜質(zhì)原子。三合金的相結構和組織 概念：通過熔煉、燒結等方法，將一種金屬

7、元素與其它一種或幾種元素結合一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)叫合金。組成合金的各元素叫組元。合金中成分相同、結構相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分稱為相；不同相的結合稱組織。相與相之間的轉變稱為相變。2固態(tài)合金的基本組織（1）相結構固溶體：溶質(zhì)元素溶解到溶劑元素的晶格中，并且不改變?nèi)軇┑木Ц耦愋?。如：鐵素體、奧氏體。 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑結晶原子位置?？尚纬蔁o限固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑原子晶格的間隙中。溶質(zhì)元素溶解到溶劑元素的晶格中，造成溶劑元素的晶格畸變，導致合金強度、硬度的升高。稱為“固溶強化”。 金屬化合物：當溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將出現(xiàn)新相（單相），若

8、新相的晶格結構不同于任一組成元素，則它屬于金屬化合物金屬化合物具有較高的熔點和硬度及較大的脆性，使合金的強度、硬度上升，但塑性、韌性降低。如滲碳體Fe3C是鐵碳合金中的重要強化相。（2）機械混合物 由兩種或兩種以上的單相機械混合而成,各單相保持晶格結構不變。機械混合物的性能一般介于各單相之間。如由鐵素體和滲碳體構成的機械混合物珠光體。2金屬的結晶一結晶過程1定義：液態(tài)金屬在冷凝過程中，原子由無序到有序，金屬由液態(tài)到固態(tài)即晶體的過程，叫結晶。2冷卻曲線及過冷度實際結晶溫度低于熔點，稱為過冷，其差值為過冷度。冷卻速度越大，過冷度也越大。 3.結晶過程 結晶過程=晶核形成+晶核成長晶核來源：自發(fā)形核

9、、外來形核樹枝晶的成長 尖端處散熱快，溫度低，過冷度大，成長動力大，長得快，形成一次晶軸、二次晶軸等，直到晶間填滿。形成大小不一、方向不同的多晶體。 二晶粒粗細對材料性能的影響晶粒越細，強度、硬度越高，塑性、韌性越好。 三凝固過程中細化晶粒的措施增大過冷度變質(zhì)處理附加振動四金屬鑄錠的組織與缺陷（一）鑄錠的組織1表層細晶區(qū)2柱狀晶區(qū)3中心等軸晶區(qū) （二）鑄錠的缺陷 1縮孔和縮松 2氣孔和夾雜純鐵的同素異構轉變金屬在固態(tài)時改變其晶格類型的過程叫同素異構轉變。 3 鐵碳合金相圖鐵碳合金是以鐵為主要元素，含少量碳及其它元素的合金，也是鋼和鐵的總稱。含碳量Wc727時, 滲碳體與奧氏體的機械混合物，含碳

10、量4.3,是液態(tài)鐵碳合金在1148的共晶轉變產(chǎn)物（當T727時，該產(chǎn)物轉變?yōu)闈B碳體與珠光體的機械混合物，稱為低溫萊氏體Ld），其機械性能類似于滲碳體。 二鐵碳合金狀態(tài)圖 (一) 相圖簡介 (二) 結晶過程分析 1共析鋼的結晶過程 室溫組織：P性能：良好的綜合的機械性能2亞共析鋼的結晶過程室溫組織：P+F性能：塑性、韌性較好，強度、硬度較低3過共析鋼的結晶過程室溫組織：P+Fe3C性能：強度、硬度較高，塑性、韌性較低；但是當含碳量過高時，晶界上形成完整網(wǎng)狀滲碳體，強度隨之下降。(三) 鋼的含碳量與組織、性能的關系 利用組織和性能之間的關系，解釋上圖(四) 相圖的應用： 鐵碳合金相圖主要用于鑄造、

11、鍛造、焊接、熱處理等熱加工工藝的制定第三章 金屬材料的變形與再結晶1 金屬的塑性變形一單晶體的塑性變形1單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進行的,即：在切應力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（滑移面），相對于另一部分發(fā)生滑動。 2.滑移的機理近代位錯理論認為，滑移不是沿整個滑移面同時進行的，而是借助于位錯的運動來實現(xiàn)的。二多晶體的塑性變形 晶粒度對機械性能的影響： 晶粒越細，塑性變形抗力越大，即強度越高；同時，晶粒越細，總變形量相同情況下，變形可分散在更多晶粒內(nèi)進行，減少應力集中，使其在斷裂前能承受較大的變形量，即提高了塑性和韌性。 細晶強化是金屬的重要強韌化手段。 2冷

12、塑性變形后金屬的組織和性能1 組織的變化：（1）點陣畸變，產(chǎn)生內(nèi)應力（2）晶粒沿變形最大的方向伸長，甚至產(chǎn)生纖維組織，導致性能各向異性 （3）產(chǎn)生碎晶，即亞晶粒，位錯密度增大2性能的變化：隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫加工硬化或形變強化。 3變形組織加熱后的變化 1回復：T回 = 0.25T熔目的：消除內(nèi)應力，部分消除加工硬化2再結晶：T再 = 0.4T熔組織：細小均勻的無畸變等軸晶目的：消除加工硬化3 晶粒長大 4金屬的熱變形后的組織和性能 在金屬的再結晶溫度以上的加工變形稱為熱變形（熱軋、熱鍛）1 通過熱加工碎化了鑄錠中粗大的鑄造組織，同時將氣孔、縮松等壓

13、縮，提高氣密性，及力學性能2 使鑄錠中的枝晶偏析和非金屬夾雜物沿著變形方向細碎拉長，形成熱加工纖維組織（鍛造流線），使性能各向異性。3 鍛造流線不能通過熱處理消除，必須采用正確的熱加工工藝，使流線分布合理，以保證金屬的機械性能。第四章 鋼的熱處理 定義：將鋼在固態(tài)下加熱到一定溫度，并保持一段時間，以適當?shù)睦鋮s速度進行冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得預期性能的工藝方法。 溫度時間熱處理的分類預處理、最終熱處理整體熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面 淬火化學熱處理：滲碳、滲氮1鋼的熱處理原理一鋼在加熱時的組織轉變 1.實際轉變溫度、過熱度與過冷度：2鋼在加熱時的

14、組織轉變 鋼在加熱到AC1以上溫度時的組織轉變P (F+Fe3C ) A3. 鋼加熱后得到均勻細化的奧氏體；若溫度過高或保溫時間過長，會導致奧氏體粗化，形成過熱組織。鋼的加熱缺陷：氧化脫碳過熱過燒二鋼在冷卻時的組織轉變（一）過冷奧氏體的等溫轉變1.過冷奧氏體的等溫轉變曲線 （C曲線、TTT曲線)孕育期越長，過冷奧氏體越穩(wěn)定；其長短取決于驅(qū)動力和擴散兩個因素?！氨菧亍碧幵杏谧疃?。（二）鋼在冷卻時的組織轉變轉變產(chǎn)物高溫轉變產(chǎn)物：過冷到727550，發(fā)生珠光體轉變。 727650：珠光體P 650600：索氏體S600550：屈氏體T中溫轉變產(chǎn)物：過冷到550230，發(fā)生貝氏體轉變。貝氏體：含過飽

15、和碳的鐵素體及滲碳體。550350：上貝氏體B上350230：下貝氏體B下低溫轉變產(chǎn)物：過冷到230 -50，發(fā)生馬氏體轉變。馬氏體：含過飽和碳的鐵。具有硬度大、脆性大、耐磨等特點。馬氏體中含碳量越高,硬度越大。馬氏體轉變特點：無孕育期速度快體積膨脹導致內(nèi)應力增加有殘余奧氏體(三)過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變曲線 (CCT 曲線)(四) 影響C曲線的因素1.含碳量的影響 亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移，過共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移。共析鋼過冷奧氏體最穩(wěn)定、淬透性最好。2.合金對C曲線的影響2鋼的熱處理工藝 一.退火 把鋼加熱到一定溫度，經(jīng)過適當保溫，再緩冷下來的工藝過程叫退火1完全退

16、火工藝：亞共析鋼加熱到Ac3以上3050組織：細化的、均勻的P+F目的：消除鍛造過熱組織2球化退火工藝：加熱到Ac1以上2040組織：球粒狀Fe3C + F目的：消除片狀Fe3C，降低硬度，提高塑性；改善切削加工性及淬火易開裂性。 3擴散退火 工藝：加熱到熔點以下100200 長時間保溫 組織：均勻但粗化的組織 目的：消除成分偏析 4低溫退火 工藝：加熱到500600500600 目的：消除鑄、鍛、焊及機加工造成的內(nèi)應力 二正火 1工藝加熱到A A3 3或Acm以上3050，保溫、空冷。 2組織索氏體3目的細化晶粒，提高性能。要求不高時，可代替調(diào)質(zhì)處理。 鍛件正火后的組織變化 改善低碳鋼的切削

17、加工性球化退火前的預處理 三淬火 1工藝：加熱至Ac3 或Ac1以上3050，保溫，快速冷卻。 2目的 獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。3淬火方法 4鋼的淬透性及其影響因素由表面到50馬氏體的距離為淬硬性深度，用來表示鋼的淬透性影響淬透性的因素主要是化學成分：除Co以外，所有溶于奧氏體的合金元素都可提高淬透性四回火1工藝：將淬火工件重新加熱到低于A1的某一溫度，保溫，空冷。 低溫回火：溫度150250 組織:回火馬氏體 目的:消除內(nèi)應力,不降低硬度. 用途:刀具、模具中溫回火：溫度350500 組織:回火屈氏體 目的:獲得高彈性、高屈服強度 用途：彈簧鋼高溫回火：溫度500600組織:回火索

18、氏體目的:獲得良好的綜合的機械性能，又稱調(diào)質(zhì)處理用途：軸、齒輪回火脆性第一類回火脆性：淬火鋼在250350范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性。（不可逆）第二類回火脆性： 淬火鋼在500650范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性。（可逆）五鋼的表面熱處理 1表面淬火 （1）感應加熱表面淬火 （2）火焰加熱表面淬火2表面化學熱處理 (1) 滲碳 (2)滲氮。 熱處理實例第五章 工業(yè)用鋼 1 鋼的分類2 合金元素對鋼性能的影響 3 牌號及用途 1鋼的分類 1按成分分類：碳素鋼： 低碳鋼：C%0.25% 中碳鋼: 0.25%C%0.6%合金鋼 低合金鋼: 合金元素總量10% 2.按用途分類結構鋼工具鋼特殊用途鋼3.按雜質(zhì)含量分

19、類( (常存雜質(zhì):Si,Mn,P,S) )普通鋼：Ws0.055,Wp0.045優(yōu)質(zhì)鋼：Ws、Wp0.044.按金相組織分類2鋼中雜質(zhì)及合金元素對鋼性能的影響 一雜質(zhì)元素對鋼性能的影響1 Mn脫氧、脫硫、固溶強化2 Si脫氧、固溶強化3 S熱脆4 P冷脆二合金元素對鋼的影響常用合金元素有：Si,Mn,Cr,Ni,Mo,V,W,Ti,Al等三合金元素在鋼中的作用1提高機械性能固溶強化、細晶強化、彌散強化2對工藝性能的影響（1）改善鋼的熱處理工藝性能（2）降低鑄造、鍛造、焊接、切削等工藝性能3獲得某些特殊的性能 耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性3 鋼的牌號 一碳鋼 1.結構鋼：結構件及零部件 普通碳素結構

20、鋼 Q235-A.F 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 08，10，15，60 碳的萬分含量2. 工具鋼：手動低速刀具、模具、量具等。T7T13 碳的千分含量二合金鋼 1.合金結構鋼 牌號：數(shù)字+化學元素+數(shù)字 碳萬分含量 合金 合金百分含量 如：60Si2Mn滲碳鋼：15，20，20Cr，20MnVB，20CrMnTi 如：汽車齒輪調(diào)質(zhì)鋼: 45，40Mn，40B，35SiMn 如：車床齒輪、軸彈簧鋼: 65，65Mn，60Si2Mn 2.合金工具鋼 低合金工具鋼：模具，量具，低速刀具當Wc1.0%時，牌號前無碳含量。如：CrWMn當Wc1.0%時，牌號前為碳的千分含量。如9SiCr高速鋼：車刀、銑刀、鉆刀等

21、牌號前不標碳含量。如：W18Cr4V硬質(zhì)合金：高速切削刀具鎢鈷合金：YG3,YG6等鎢鈷鈦合金：YT5,YT15等 3特殊用途鋼 牌號同于低合金工具鋼 不銹鋼：1Cr18Ni9Ti，1Cr17，1Cr13 耐熱鋼：4Cr9Si2 耐磨鋼：ZGMn13 4 鋼的性能、用途一.結構鋼（一）工程構件用鋼普通碳素結構鋼：含碳量較低，熱軋狀態(tài)，不經(jīng)熱處理強化低合金高強度鋼：低碳、低合金、較高強度，熱軋或正火狀態(tài)（二）機器零件用鋼1.滲碳鋼：低碳鋼0.10.25 ，經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火，表面高碳回火M,內(nèi)部低碳回火M，表硬里韌，適合制造高速重載的汽車齒輪等零件。2.調(diào)質(zhì)鋼中碳鋼0.30.5 ，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處

22、理，得到回火索氏體，綜合力學性能好，適合制造中速中載的齒輪、軸等零件。3.彈簧鋼含碳量0.450.7，淬火中溫回火，回火屈氏體 ，屈服強度和彈性極限很高 二.工具鋼1.碳素工具鋼： 0.71.3 ，經(jīng)球化退火、淬火、低溫回火，得到M回球狀Fe3C+A殘，高硬度，高耐磨性2.低合金工具鋼含碳量0.751.5，熱處理同于碳素工具鋼9SiCr CrWMn 9Mn2V3.高速鋼經(jīng)等溫退火、淬火、多次回火，得到M回碳化物+A殘W18Cr4V第八章 鑄鐵 1鑄鐵的分類 2灰口鑄鐵的分類 1鑄鐵的分類 1白口鑄鐵：C以滲碳體形式存在 。硬而脆，一般不用來制造零件，可用作煉鋼的原料。2灰口鑄鐵：C以游離態(tài)石墨

23、形式存在，其組織為:基體（F/F+P/P)上分布不同形態(tài)的石墨3石墨對鑄鐵性能的影響（1）力學性能低空洞效應、尖端效應（2）耐磨性與減振性好（3）切削加工性工藝性能好2灰口鑄鐵的分類 1（普通）灰口鑄鐵 石墨形態(tài)：片狀 特點：力學性能差，消震性好，耐磨好，切削加工性能好，鑄造性能好，價格便宜 ?？稍杏幚恚岣吡W性能牌號：HT100灰鑄鐵抗拉強度最低(MPa)牌 號用 途HT100低壓力零件，如軸承蓋、手輪、支架等HT200機床床身、低壓氣缸、低速軸瓦等。HT350氣缸、飛輪、齒輪等重要零件2可鍛鑄鐵 石墨形態(tài)：團絮狀特點：力學性能比灰鑄鐵好。適宜做薄壁、形狀復雜的小型鑄件。工藝復雜，不能鍛

24、造。由白口鑄鐵通過擴散退火獲得。牌號：KTH300- 6可鍛鑄鐵組織基體抗拉強度最低最小延伸率H:鐵素體Z:珠光體(MPa)(%)牌 號用 途KTH300-6管道的彎頭、接頭、三通等KTH370-12農(nóng)機的犁刀、犁柱、汽車拖拉機的前后輪殼等KTZ650-2曲軸、凸輪軸、連桿等3球墨鑄鐵 石墨形態(tài)：球狀特點：基體利用率高達7090，抗拉強度、塑性、韌性高?？纱驿撛陟o載荷或沖擊不大的條件工作的凸輪、曲軸等。需球化處理和孕育處理。牌號：QT400- 18球墨鑄鐵抗拉強度最低最小延伸率(MPa)(%)牌 號用 途QT400-18泵、閥體、受壓容器、受沖擊零件等QT500-7支器底坐、齒輪、支架等QT

25、800-2曲軸、凸輪、齒輪等高強度零件第九章 有色金屬1 鋁及鋁合金 2 銅及銅合金 看書自學1.高分子及陶瓷材料的結構高分子材料的分類 按用途分類： 橡膠 塑料 合成纖維 按性能分類： 熱塑性 熱固性第十章 常用非金屬材料一高分子化合物的結構（1）大分子鏈的空間幾何形狀 線型（包括帶支鏈的線型）：通常呈卷曲狀，特點是彈性高、可塑性好，是熱塑性高聚物（可反復塑制）。如：聚乙烯、尼龍。 網(wǎng)體型：呈三維網(wǎng)絡結構，特點是硬度高、脆性大、耐熱、耐溶劑，是熱固性高聚物。如：酚醛塑料、環(huán)氧樹脂。（2）大分子鏈的柔順性線型大分子運動是以單鍵的內(nèi)旋轉方式進行的，即每個單鍵可繞著臨近的鍵在保持鍵角不變的情況下旋轉。大分子由于單鍵數(shù)目很大，因而使大分子的形狀有無數(shù)的可能性（稱為大分子鏈的構象），在受到不同外力時具有不同的卷曲程度，從而