工程材料及制造基礎(chǔ)第一講金屬材料主要性能和晶體構(gòu)造

自我介紹:１．《工程材料及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》２．《機(jī)械制造工藝課程設(shè)計(jì)》科研方向：１．零件成形工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；２．新材質(zhì)的開發(fā)與鋼的熱處理）；３．毛坯制造技術(shù)的開發(fā)與研究；（尤其鑄鐵的研究）；４．冶金實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制的開發(fā)。1《工程材料及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》介紹四方面內(nèi)容：一．金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)；二．鑄造＿金屬成形的一種方法；三．鍛造＿金屬的壓力加工；四．焊接＿金屬間永久性連接；五．切削加工＿使零件獲得一定形狀和尺寸要求；2建議學(xué)習(xí)方法：１．理解和記憶名詞術(shù)語(yǔ)；２．抓住各章節(jié)之間的聯(lián)系；３．多看書，認(rèn)真聽，多找老師！3第一講金屬材料主要性能和晶體構(gòu)造

MainPropertiesandStructureofMetalMaterial一、金屬材料性能

Propertiesofmetalmaterial二、金屬晶體構(gòu)造

Structureofmetalmaterial

1、晶體結(jié)構(gòu)2、金屬結(jié)晶過(guò)程4金屬材料性能(Propertiesof

MetalMaterial)（1）使用性能：(Application)機(jī)械性能（或力學(xué)）：強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等。物理性能：密度、導(dǎo)熱和導(dǎo)電率等?；瘜W(xué)性能：抗氧化、耐腐蝕性等。（2）工藝性能：(Technology)鑄造、鍛造、焊接及熱處理性能切削加工性能5機(jī)械性能：受外力時(shí)材料所表現(xiàn)的特性。

MechanicalProperties1、彈性和塑性（ElasticityandPlasticity)（1）彈性：除去外力材料能恢復(fù)原狀。彈性極限：產(chǎn)生彈性變形的最大應(yīng)力。σe=Pe/Fo(Pa)（2）塑性：材料受外力產(chǎn)生永久變形的能力。衡量：(Ductility)延伸率：δ=（L1-Lo)/Lo*100%截面收縮率：Ψ=(Fo-Fk)/Fo*100%屈服極限：材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)應(yīng)力。σs=Ps/Fo(Pa)6圖1：低碳鋼拉伸曲線StrainStress7

2、剛性與強(qiáng)度：（RigidityandStrength)（1）剛性：材料抵抗彈性變形能力。衡量：彈性模量E（拉伸曲線OE段斜率）（2）強(qiáng)度：材料抵抗變形或斷裂能力?？估?、抗彎、抗扭、抗剪和屈服強(qiáng)度等。b點(diǎn)處應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度：σb=Pb/FoPas點(diǎn)處應(yīng)力為屈服強(qiáng)度：σs=Ps/FoPa注意：σs、σb為工程上常用指標(biāo)。83、硬度：Hardness指材料抵抗更硬物體壓入其內(nèi)的能力。據(jù)測(cè)試方法不同有：布氏硬度（HB)Brinell

洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)Rockwell

9圖2：布氏、洛氏硬度測(cè)試方法104、沖擊韌性：ImpactToughness材料抵抗或承受沖擊載荷能力。衡量：?jiǎn)挝幻娣e的沖擊功,αk=Ak/F(J/m2)圖3：沖擊韌性的測(cè)試方法115、疲勞強(qiáng)度：(FatigueStrength)鋼鐵循環(huán)107以上材料不破壞最大應(yīng)力。有色金屬循環(huán)108以上。圖4：疲勞曲線12金屬晶體構(gòu)造(StructureofMetalMaterial)一、晶體結(jié)構(gòu)(CrystalStructure)1、晶體：①原子按一定順序呈有規(guī)則的排列。②具一定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)。③各向異性。2、晶格：(Spacelattice)

表示原子排列規(guī)則的空間格子。3、晶胞：(unitcell)

組成晶格的最基本幾何單元。4、晶格常數(shù)：(constant)晶胞各邊長(zhǎng)度。

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金屬典型的三種晶格類型：（Representative）1、體心立方：（BodyCentredCubic）

鉻、鉬、α-Fe和鎢等金屬。2、面心立方：（Face）

銅、鋁、銀、γ-Fe和金等金屬。3、密排六方：（HexagonalClosePacked）

鈹、鎂、鋅、α-鈦等。晶格類型及晶格常數(shù)不同，性能就不一樣。14圖5：金屬材料晶體結(jié)構(gòu)、晶格及晶包1516二、金屬結(jié)晶過(guò)程(SolidifyingProcess)（錄像）1、結(jié)晶：金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。（1）過(guò)冷：金屬在理論結(jié)晶溫度以下結(jié)晶。（2）過(guò)冷度：△T=T理論結(jié)晶－T實(shí)際結(jié)晶注意：△T不是恒定，V冷越快，△T越大。172、結(jié)晶有形核和長(zhǎng)大過(guò)程（NucleationandGrainGrowth)（1）形核：

自發(fā)晶核：原子自發(fā)聚集在一起。非自發(fā)晶核：依靠外來(lái)的固體質(zhì)點(diǎn)。（2）長(zhǎng)大：按晶格規(guī)律液體原子向晶核聚集過(guò)程?？傊?，金屬的結(jié)晶過(guò)程包括形核與長(zhǎng)大；它們既是交替進(jìn)行的，又是同時(shí)存在的。18三、有關(guān)晶粒、晶粒度知識(shí)晶粒：由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的小顆粒晶體。多晶體：（multi-由許多晶粒組成的晶體。晶界：晶粒間界面。單晶體：

（single-由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體。單晶鍺和硅。注意：工業(yè)上絕大多數(shù)金屬都屬于多晶體。晶粒度：晶粒的大小。金屬的晶粒越細(xì)小，其綜合性能越好。19圖7：?jiǎn)尉w與多晶體20細(xì)化晶粒方法：（1）凝固時(shí)采取變質(zhì)處理或孕育處理，（2）快速冷卻，提高過(guò)冷度；（3）用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)或電磁攪拌等手段打碎枝晶成為晶核。（4）在固態(tài)下，可用熱處理和壓力加工的方法細(xì)化。如：鐵、錫和錳，均可用加熱來(lái)改善性能。注意：鋼的熱處理原理來(lái)自鐵的同素異晶性21四、金屬同素異晶轉(zhuǎn)變：

AllotropicTransformationofMetal1、概念：金屬晶格類型隨溫度改變而重新排列的過(guò)程。

2、與結(jié)晶類似：存在過(guò)冷、包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程、轉(zhuǎn)變時(shí)有吸收或放出潛熱。所以又叫重結(jié)晶或二次結(jié)晶。3、同素異晶（構(gòu)）性：具有同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。22圖8：純鐵同素異晶轉(zhuǎn)變曲線23五、合金結(jié)構(gòu)(StructureofAlloy)1、合金概念：以一種金屬元素為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬元素，經(jīng)熔合而形成具有金屬特性的物質(zhì)。（1）組元：組成合金的元素。（2）相：化學(xué)成分和晶格形式相同，并與其周邊成分或晶格形式有界面分開的均勻組織。2、合金基本組成物（constitute）24（1）固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑，晶格類型等同溶劑。按溶解度：分有限和無(wú)限固溶體；按溶質(zhì)原子位置：分置換和間隙固溶體；固溶強(qiáng)化：因晶格畸變使金屬的強(qiáng)度和硬度提高。（2）金屬化合物：合金各組元間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成有金屬特征的新物質(zhì)。25置換和間隙固溶體26鋼中Fe3C、黃銅中CuZn等均屬金屬化合物。特點(diǎn)：具有熔點(diǎn)高、硬度高和脆性大。

非金屬化合物：不具有金屬特征的化合物。如，F(xiàn)eS（3）機(jī)械混合物：組元間既不互溶，又不形成化合物，而是按重量比混合形成新物質(zhì)。組成：純金屬、固溶體和金屬化合物等。注意：工業(yè)上常用合金均含機(jī)械混合物。27六、二元合金相圖

EquilibriumDiagramofBinaryAlloy研究二元合金的成分、溫度和組織間變化規(guī)律。獲得：通過(guò)測(cè)定一系列冷卻曲線如圖9。圖9：Pb-Sb二元合金共晶相圖28總結(jié)一、金屬材料的五大機(jī)械性能：

1、彈性和塑性；2、剛性與強(qiáng)度；3、硬度；

4、沖擊韌性；5、疲勞強(qiáng)度二、金屬晶體構(gòu)造

1、晶體結(jié)構(gòu)：晶體、晶格、晶胞、晶格常數(shù)

2、金屬結(jié)晶過(guò)程：過(guò)冷、過(guò)冷度、形核、長(zhǎng)大、單晶體、多晶體、晶粒度、重結(jié)晶、二次結(jié)晶、合金、合金基本組成物29QUESTIONS:1.DefineStrength2.ExplaintheBrinellHardnessTestBriefly30專業(yè)詞匯：金屬材料性能：Propertiesofmetalmaterial金屬晶體構(gòu)造：Structureofmetalmaterial使用性能：PropertiesforApplication機(jī)械性能：MechanicalProperties彈性和塑性：ElasticityandPlasticity剛性與強(qiáng)度：RigidityandStrength硬度：Hardness沖擊韌性：ImpactToughness疲勞強(qiáng)度：FatigueStrength31晶體結(jié)構(gòu)：CrystalStructure晶格:Spacelattice晶胞:UnitCell體心立方：BodyCentredCubic面心立方：FaceCentredCubic密排六方：HexagonalClosePacke