37机械工程材料

1机械工程材料教材:朱张校主编、郑明新主审《工程材料》清华大学出版社2001年1月第3版参考书:戈晓岚主编《机械工程材料》北京大学出版社21课程的性质：《机械工程材料》是机械专业必修的一门技术基础课，重点是研究金属材料的性能与成分、组织结构、热处理之间的关系。2课程的目的：获得金属学基础知识；掌握热处理的基本理论及方法；掌握钢的合金化基本原则、常用机械工程材料等方面的基本知识；为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、管理等方面的工作奠定必要的基础。绪论3了解金属材料的主要力学性能；了解金属学基础，掌握Fe-Fe3C状态图，熟悉金属塑性变形的实质及其对组织和性能的影响；熟悉热处理的基本理论，掌握常用的热处理方法的目的、工艺特点和应用范围；了解钢中合金元素的作用，掌握常用合金（碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金等）的种类、牌号、性能及用途；了解常用非金属材料的种类、特性及应用；熟悉选用材料的基本原则，根据零件的使用性能、工艺性能以及经济性，能比较合理地选用材料和提出相应的热处理技术要求；了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。3、课程的基本要求4１）材料性能:重点介绍金属材料的机械性能及其物理、化学、工艺性能的含义；２）金属学基础：重点研究金属和合金组织结构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二元合金状态图的基本理论；３）热处理基础：重点研究改变钢铁材料内部组织结构及性能的原理和方法；４）常用机械工程材料：具体研究各种常用机械工程材料的种类、性能及用途。4课程教学内容5总学时：32学时本科课堂教学26学时绪论、金属材料的性能:1学时金属的结构与结晶：2学时金属的塑性变形与再结晶：2学时铁碳合金相图5学时钢的热处理：4学时工业用钢：4学时铸铁：2学时有色金属及其合金：2学时非金属材料及复合材料:2学时机械零件的选材与工艺分析；2学时实验教学6学时5学时分配6实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的使用实验；实验二、碳钢的热处理实验；实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合金的观察6、实验内容71.1金属的晶体结构1.1.1晶体结构的基本概念晶体——内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。固体金属均为晶体。非晶体——原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、木材等。空间点阵（晶格）——将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。晶胞——能够反映晶格特征的最小组成单元。图1-1晶体中的原子堆垛刚球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意图第一章材料的结构与性能8晶格参数——晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、、六个参数来描述晶格常数－－a、b、c。1.1.1晶体结构的基本概念图1-2晶格参数9体心立方晶格------金属中如Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等属此种晶格。面心立方晶格------金属中如Al、Mn、Ni、Cu、Ag、Pt、Au、Pb及-Fe等属此种晶格。密排六方晶格------金属中如Zn、Mg、Be、Cd、-Ti及-Co等等属此种晶格。1.1.2三种常见的金属晶体结构(a)体心立方（b）面心立方（c）密排六方101.1.3常见金属晶体结构的特征（1）晶胞中的原子数21818n4216818n632126112n面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格11（2）原子半径面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格ar43ar42ar2112配位数——晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。（3）配位数和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12体心立方晶格：813致密度------晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即K=nU/V配位数大，则致密度亦大。式中：K------晶体的致密度；n------晶胞中所含原子的数目；U------每个原子的体积；V------晶胞的体积。33334342234U30.68arnKVaa33334244434U30.74arnKVaa333241466U3230.743383223arnKVaaa面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格14表1—1三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.7443a42a2a15（1）晶面------晶体中通过原子中心的平面。晶面指数------用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（hkl）。晶面指数的确定：①设定一空间坐标系，原点位于待定晶面之外。②求出待定晶面在各坐标轴上的截距为：11∞、11。③取截距的倒数：110、112。④将截距的倒数化为最小整数，放在圆括号内。1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性2116晶面族------在同一种晶体结构中，原子排列情况完全相同的一组晶面，用{HKL}表示。如：{100}晶面族有：（100）、（010）和（001）晶面。{111}晶面族有：（111）、（11）、（11）和（11）晶面。11117晶向族------原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向，用uvw表示。如：110晶向族包括：[110]、[101]、[011]、[]、[]、[]、[]、[]、[]、[]、[]、[]12个晶向；111晶向族包括：[111]、[]、[]、[]、[]、[]、[]、[]8个晶向。（2）晶向--------晶体中原子列所表示的方向。晶向指数------表示晶向的数字符号称为晶向指数。[uvw]晶向指数的确定：①设定一空间坐标系，原点在待定晶向的一结点上。②写出该晶向上另一结点的空间坐标值：即为001、10。③将坐标值按比例化为最小整数：001、210。④将化好的整数记在方括号中。10101111001110111001111010111111111111111111111118（3）金属晶体的各向异性------金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是：晶体具有明显各向异性，而非金属具有各向同性。金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中，而对于实际晶体，其各向异性就显示不出来了。与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。191.1.5实际金属的晶体结构基本概念：单晶体－－金属内部的晶格方位完全一致。多晶体－－多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒－－组成多晶体的外形不规则的小晶体。晶界－－晶粒与晶粒间的界面。组织－－用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。显微组织－－显微镜所观察到的组织。亚晶粒－－晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。亚晶界－－亚晶粒之间的界。20（1）点缺陷：包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。晶格空位——在晶体晶格中，某结点上没有原子的结点称为空位。间隙原子——位于晶格间隙之中的原子叫做间隙原子。异类原子——金属中存在的其他元素（即杂质），这些原子称为异类原子。危害：点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。21（2）线缺陷：主要是位错。位错－－在晶体中某处有一列或若干列原子发生的有规律的错排现象。包括：刃型位错、螺型位错。刃型位错螺型位错22（3）面缺陷：是指晶体中二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷，它包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界等，晶界——晶粒与晶粒之间的接触面。亚晶界——亚晶粒之间的边界。作用：晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。晶界亚晶界231.2.1合金的基本概念合金——一种金属元素同另一种或几种金属（或非金属）元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。组元——组成合金最基本的独立物质。二元合金——由两个组元组成的合金称为二元合金。相——在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。组织组成物——合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制和特殊形态的组成部分。1.2合金的晶体结构24（1）固溶体——合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。置换固溶体——在溶剂晶格的某些结点上，其原子被溶质原子所替代而形成的固溶体。无限固溶体——溶质与溶剂能以任何比例相互溶解的固溶体。有限固溶体——若溶质超过某个溶解度有其他相形成，即两个元素之间的相互溶解度有一定的限度的固溶体。间隙固溶体——溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中形成的固溶体。固溶强化——通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象。原因：溶质原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸变，阻碍了晶体的滑移，从而使合金固溶体的强度和硬度得到提高。1.2.2固态合金的相结构25（2）中间相（金属化合物）——合金组元之间相互作用形成的、晶格类型和特性均不同于任一组元的新相。正常价化合物——由元素周期表上相距较远而化学性质相差较大的两元素形成的、严格遵守化合价规律的化合物。电子化合物——不遵守一般的化合价规律但符合一定的电子浓度（化合物的价电子数与原子数之比值）的化合物。间隙相——原子半径比值γX/γM（M代表金属、X代表非金属）小于0.59时形成的简单形式的晶格，如VC、TiN、TiC、NbC、Fe4N等。间隙化合物——当γX/γM大于0.59时形成的具有复杂晶格结构的化合物，如钢中的Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等。。261.3.1高分子材料的结构（1）高分子材料概述高分子聚合物（简称高聚物）——以高分子化合物为主要组分的有机材料，其相对分子质量在5000以上。分类：天然：天然橡胶、蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、蛋白质淀粉等；人工合成：合成橡胶、塑料、合成纤维、涂料和胶粘剂等。单体——彼此能相互连接起来而形成高分子化合物的低分子化合物。链节——组成高分子化合物的长链中的基本结构单元。1.3非金属材料的结构27高分子化合物化学结构的特点：高分子化合物的分子量很大，化学组成比较简单，同有机化合物一样仅由几种元素所组成。其结构像一条长链，这个长链是由许多结构相同的重复单元（即链节）组成。高分子链的所有原子之间的结合键都是共价键。高分子化合物总含有各种大小不同（键长不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一个平均值。28（2）大分子链的结构均聚物——只含有一种单体链节，若干个链节由共价键按一定方式重复连接起来，像一根又细又长的链子一样。图1－16均聚物结构示意图（a）线型结构（b）支链型结构（c）网状结构29共聚物——由两种以上不同的单体链节聚合而成的高分子聚合物。图1－17共聚物结构示意图（●表示M1，○表示M2）30可分为：1.使用性能-----指金属材料在使用过程中反映出来的特性。包括：a机械性能----金属材料必须具备的抵抗外力而不破坏或变形的性能，即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性能。b物理性能：密度、密度、导电性…...c化学性能：抵抗化学浸蚀的能力。2.工艺性能-----指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性。如：铸造性、可铸性、可焊性、可切削加工性、热处理性…...1.4金属材料的性能311强度－－金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。包括：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度图1.2低碳钢拉伸曲线弹性变形－－将外力去掉试样将回复到原来的形状和尺寸。塑性变形－－将外力去掉，试样不能恢复原状，而被伸长。1.4.1金属材料的机械性能σsεσσb322塑性－－金属材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。用延伸率（）和断面收缩率（）来表示。3刚性－－金属材料在外力的作用下抵抗弹性变形的能力。常用材料的弹性模量来（E）表示。E愈大，刚性愈大。4弹性－－是材料开始塑性变形