工程材料及成形工藝 課件 第1章 金屬結構及性能

工程材料及成形工藝第1章金屬結構及性能第2章金屬結晶及相圖第3章金屬熱處理及工藝第4章鋼鐵材料及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料第6章金屬鑄造成形第7章金屬鍛壓成形第8章金屬焊接成形第9章機械零件材料及工藝選擇第1章金屬結構及性能1.1.1單晶體的晶格結構1.1.1.1理想晶體的基本概念（1）晶體及點陣金屬晶體是由無數個金屬原子或離子，在空間按一定幾何規(guī)則有序排列而成（見圖1-1a），如鋼、鐵、銅、鋁等材料，反之則為非晶體，如玻璃、瀝青、石蠟或松香等。1.1金屬的晶體結構（2）晶格與晶胞抽象地用直線連接各陣點所形成的空間立體格子稱為晶格（見圖1-1b），晶格的最小幾何單元稱晶胞（見圖1-1c），連接各陣點所形成的平面稱為晶面，陣點組成的任一直線均能代表晶體空間的一個方向稱為晶向。1.1.1.2單晶體的晶格形式（1）體心立方體晶格體心立方晶格的每個晶胞均是一個正立方體（見圖1-2a），八個頂點上均有一個原子同時被相鄰八個晶胞所共有，且每個晶胞實際上只占有1/8個原子，而立方體中心還有一個原子卻為每個晶胞所獨有（見圖1-2b），即每個晶胞的原子數為1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞仍是一個正立方體，如圖1-3a所示，除與體心立方相同的八個頂點上均有一個原子外，在六個面的中心還各有一個原子，并被每相鄰兩個晶胞所共有（見圖1-3b），故每個晶胞的實際原子數為1.1金屬的晶體結構（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是個六棱柱體，如圖1-4a所示，在六棱柱體十二個角上各有一個原子并被相鄰六個晶胞所共有，但在上下底面中心各有一個原子而被相鄰兩個晶胞所共有，同時在晶胞中間還有三個原子卻被每個晶胞所獨有（見圖14b），因此每個晶胞的原子數為1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構1.1.1.3單晶體與多晶體（1）單晶體及其性能原子排列規(guī)律相同、晶格位向完全一致的理想晶體稱為單晶體，如圖1-5a所示，單晶體具有各向異性的特征，即在同一晶體各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，導致原子間距不同，原子間的作用力強弱也不同，因而在晶體的各個方向上具有不同的物理、化學和力學性能。1.1金屬的晶體結構（2）多晶體及其性能實際金屬晶體中均包含著許多單晶體，每個單晶體內的晶格方位一致，但各單晶體間的彼此方位卻不同。1.1.2多晶體的晶體缺陷1.1.2.1點缺陷1.1金屬的晶體結構1.1.2.2線缺陷1.1金屬的晶體結構1.1.2.3面缺陷1.1.3合金組成及相結構1.1.3.1相結構的基本概念（1）體系與組元體系是指所研究對象的物質總和，例如，研究鐵和碳的合金即為Fe-C合金系，研究鐵、碳、鉻合金即為Fe-C-Cr合金系。（2）相及其結構合金的相是指合金體系中具有相同化學成分、晶體結構、液體或固體狀態(tài)、性質并與周圍物質以明顯界面分開組成的均勻部分。（3）相平衡與相變相平衡是指體系內各組成相的性質處于平衡且不隨時間而變化的狀態(tài)，但當合金由一相轉變另一相時，化學成分、內部結構和性能均將隨溫度發(fā)生突變，即液態(tài)結晶為固態(tài)，固態(tài)轉變?yōu)榱硪还虘B(tài)，統(tǒng)稱為相變。（4）合金形成狀態(tài)與組織合金形成狀態(tài)是指合金在某種條件下以哪幾個相存在，其狀態(tài)比純金1.1金屬的晶體結構屬復雜得多，例如，碳的質量分數為0.45%的碳素鋼在850°C以上以單相奧氏體存在，在727°C以下則以雙相鐵素體和珠光體混合在一起存在。1.1.3.2固溶體與固溶強化（1）固溶體及其分類當合金由液態(tài)結晶為固態(tài)時，組成元素之間像液態(tài)合金一樣相互溶解，形成一種與合金中某一組元晶格結構相同的新相稱為固溶體。（2）置換固溶體置換固溶體是指溶質原子取代部分溶劑原子而占據溶劑晶格結點位置所形成的固溶體（見圖1-8a），一般在溶劑晶格中呈任意、無規(guī)則分布，有時在特定情況下也會占據溶劑晶格的一定位置。1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構（3）間隙固溶體間隙固溶體是溶質原子溶入溶劑晶格間隙形成的固溶體（見圖1-9a），如鋼中的碳溶于??-Fe或??-Fe中即可形成間隙固溶體。（4）固溶強化隨固溶體中溶質原子濃度的增加，晶格畸變度增大，使變形時位錯移動困難，從而使固溶體強度和硬度升高，物理性能也發(fā)生變化，這種現象稱為固溶強化。（5）固溶體性能特點實踐證明，適當控制固溶體中溶質的種類、配合和含量，可以在顯著提高金屬材料強度、硬度的同時，仍能保持或改善其良好的塑性和韌性，所以固溶強化是金屬材料改性處理的重要途徑之一。1.1.3.3金屬化合物與彌散強化（1）金屬化合物及種類當溶質含量超過溶劑的溶解度時，溶質元素同溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質，稱金屬化合物。金屬化合物按形成條件及結構特點，可分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物。1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構（2）間隙化合物及結構間隙化合物是由過渡族金屬元素與原子半徑較小的C、N、H、B等非金屬元素形成的化合物。1.1金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構（3）金屬化合物的彌散強化金屬化合物是高合金工具鋼的重要組成相，如斜方晶格的滲碳體中鐵原子可部分被其他金屬原子所置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C等，這類化合物稱為合金滲碳體。1.1金屬的晶體結構1.2.1強度與剛度1.2.1.1拉伸試驗1.2金屬的力學性能（1）低碳鋼的拉伸曲線圖1-11b所示為低碳鋼試樣的拉力與試樣伸長量的對應關系曲線。（2）低碳鋼的應力-應變曲線試樣在拉伸過程中，材料受到拉力F作用時，其單位面積上的拉力稱為應力（stress），用“??”來表示，即1.2金屬的力學性能1.2.1.2彈性與剛度（1）彈性極限及計算彈性極限（elasticlimit）是指試樣材料產生完全彈性變形（elas-tic

deformation）時所能承受的最大應力值，以??e表示且單位為MPa。（2）彈性模量與剛度在彈性變形范圍內，應力與應變（??e/??e）的比值稱為材料的彈性模量E，它相當于產生單位彈性應變所需要的應力值，單位為MPa，即1.2金屬的力學性能（3）剛度的影響因素彈性模量E的大小主要取決于金屬材料的本身性質，它是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一，材料的合金化處理、熱處理、冷加工成形和局部焊接等均對彈性模量E的影響很小。1.2.1.3靜載強度及指標（1）屈服點屈服點是指試樣在靜止狀態(tài)下被加載至單位面積上產生屈服點s時的拉力，或在拉伸曲線圖和??~??

曲線上出現屈服平臺現象時的應力，以??s表示且單位為MPa，屈服點s的位置如圖1-11b和圖1-11c所示，其計算公式為：1.2金屬的力學性能（2）屈服強度金屬材料中只有低碳鋼和中碳鋼等少數金屬的拉伸或應力-應變曲線存在屈服現象，而大多數金屬材料則無明顯屈服點，如調質合金鋼、退火鋁合金等。（3）抗拉強度抗拉強度是指試樣在靜止狀態(tài)下被拉斷前加載至最大力時單位面積上所能承受的最大拉力，或拉伸曲線和應力-應變（??~??

）曲線上最高位置點b對應的應力，以??b表示且單位為MPa，如圖1-11b和圖1-11c所示，其計算公式力：1.2.1.4變載強度及指標（1）疲勞強度疲勞強度（fatiguestrength）是指材料抵抗無數次重復交變外力作用而不破壞的能力，通常用疲勞曲線來描述，如圖1-13a所示，它是最常用的變載強度。1.2金屬的力學性能（2）高溫強度當零件在較高溫度下工作時，應通過高溫拉伸試驗而測定其高溫強度。1.2.2塑性與韌性1.2.2.1塑性及其評定（1）塑性概念及其指標塑性（plasticity）是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力，許多零件或毛坯需通過塑性變形成形而要求材料有較高的塑性。1.2金屬的力學性能（2）塑性評定方法斷后伸長率??和斷面收縮率??的數值越大，表示金屬材料的塑性越好。1.2.2.2韌性及其評定1.2金屬的力學性能1.2.3硬度與耐磨性1.2.3.1布氏硬度測試及標注（1）測試方法布氏硬度（Brinellhardness）試驗通常是以一定的壓力F，將直徑為D的硬質合金鋼球壓入被測材料表面，經過規(guī)定的保持載荷時間后卸除載荷，即得到一直徑d的壓痕，如圖1-16a所示。1.2金屬的力學性能（2）標注方法生產中常用布氏硬度法測定經退火、正火和調質的鋼件，以及鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等毛坯或半成品件的硬度。（3）硬度與強度的關系通過試驗發(fā)現，硬度值與抗拉強度??b之間有近似關系，見表1-5所列。1.2金屬的力學性能1.2.3.2洛氏硬度測試及標注（1）測試方法洛氏硬度（Rockwellhardness）試驗是用一定的試驗力F，將頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球壓入被測金屬表面（見圖1-17a），然后根據壓痕的深度確定被測材料的硬度值。1.2金屬的力學性能（2）標注方法洛氏硬度的標注方法比布氏硬度簡單，但仍是硬度值在硬度代號的前面，如60HRC表示用C標尺所測得的洛氏硬度值60，其單位為MPa，但習慣上仍不用標出。1.2金屬的力學性能1.2.3.3維氏硬度測試及標注（1）測試方法維氏硬度（Vickershardness）的測試方法和技術條件可參閱GB/T4340.1—1999。（2）標注方法與布氏硬度的標注方法一樣，習慣上也只寫出其硬度數值而不標出單位。1.2.3.4耐磨性及其評定（1）耐磨性的分類耐磨性分相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。（2）耐磨性評定方法耐磨性主要受材料的成分、硬度、摩擦系數和彈性模量的影響，通常以體積磨損量、質量磨損量和長度磨損量作評定材料的三個基本參量。（3）各種材料的耐磨性通常塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料的摩擦磨損性能遠遠優(yōu)于金屬材料。1.2金屬的力學性能1.3.1金屬的物理性能1.3.1.1密度與熔點1.3金屬的其他性能1.3金屬的其他性能1.3.1.2熱性能與光性能（1）熱性能熱性能包括熱容、導熱性和熱膨脹性等，熱容包括摩爾熱容和比熱容，摩爾熱容是指1mol（摩爾）的材料溫度升高1K所需的能量，而比熱容則是指單位質量材料的溫度升高1K所需的能量，二者之間的關系為：比熱容c=摩爾熱容/摩爾質量1.3金屬的其他性能（2）光性能光性能是指材料受到光波或能量粒子的輻射時所能呈現出的反應特性。1.3.1.