机械工程材料培训教程(doc-46页)完美版

第0章绪论目的和要求：本章主要讲授材料与机械的关系，其目的是使学生明确常用机械工程材料的分类。重点和难点：常用机械工程材料的分类。学时的分配：2学时。1材料的分类机械有许多种：天上飞的有飞机、火箭，路上跑的有汽车、自行车，水里游的有船舶、潜艇等。大到排水几十万吨的航空母舰，小到可以钻进人体血管的微型机器人。它们都是用各种各样的材料制作而成的。按照构成材料的组成不同，人们通常将机械工程材料分成金属材料、非金属材料两大类（表0-1）。表0-1机械工程材料的分类机械工程材料金属材料黑色金属材料如铁、钢等灰口铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢等有色金属材料如铜、铝等纯铜、黄铜、青铜、纯铝、铝合金、纯钛、钛合金等非金属材料高分子材料如塑料、橡胶等热塑性塑料、热固性塑料、天然或合成橡胶等陶瓷材料如普通陶瓷、特种陶瓷等粘土陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷等复合材料如粒子增强复合材料、纤维增强复合材料等纤维树脂复合材料、纤维金属复合材料等资料来源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),北京：高等教育出版社,2005年3月,P28在迄今为止的元素周期表的109种元素中，金属元素有86中，占78.9%，居绝对领先地位。另一方面，国际钢铁协会(InternationalIronandSteelInstitute)批露的数据显示，2006年全球粗钢产量上升9%，至12.17亿吨。2007年产量为13.44亿吨。中国投资网数据表明，合成树脂产量2005年全球为1.8029亿吨，中国为2142万吨，2006年中国为2984万吨（表0-2）。表0-2中国和全球钢铁、塑料产量/万吨2006全球2006中国2007全球2007中国钢铁产量121,70041,900134,40048,900工程塑料（合成树脂）18,029（05）2142（05）2984钢铁：塑料约7：1约20：1约16：12材料的性能人们用金属制作汽车，用铜或铝制成电线，用陶瓷制作火花塞，用橡胶制作皮带，用铅制作蓄电池，等等。这是为什么呢？因为每种材料都有自己特殊的性能：黑色金属强度高、有色金属导电性好、陶瓷耐高温、橡胶有良好的耐磨性、铅可以作为电极。材料性能的分类：物理性能、化学性能、力学性能等。其中，力学性能又包括硬度、强度、塑性、韧性等等。3材料的应用表0-3一辆典型汽车所含有的常用材料/kg金属材料非金属材料钢铸铁铝铜锌铅塑料橡胶玻璃木头陶瓷153035030162615556052少量少量黑色金属1880/88.1%有色金属87/4.1%高分子材料115/5.4%其他52/2.4%资料来源：：P．N．Rao,ManufacturingTechnology——Foundry,FormingandWelding,北京：机械工业出版社,2003年2月,P22图0-1常用材料在汽车中的典型应用资料来源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),北京：高等教育出版社,2005年3月,P27图0-2常用材料在航空发动机中的典型应用资料来源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),北京：高等教育出版社,2005年3月,P86由此可见，金属材料是最重要、应用最广泛的机械工程材料。每种材料都具备自己特有的性能，可以应用在特定的场合。正确地为机器零件选用合适的材料是每个工程技术人员应尽的责任和重要的任务。本章小结：兴趣是学习任何知识的前提，机械工程材料也不例外。在讲授本章内容时，要通过讲述汽车使用的黑色金属、有色金属、塑料、橡胶、玻璃等不同工程材料，激发学生学习机械工程材料的兴趣。本章作业：无。第1章金属的晶体结构与结晶目的和要求：本章主要讲授有关金属材料晶体的基本理论和基础知识。重点和难点：常见金属的三种晶体结构及其在金属变形时的表现。学时的分配：2学时。1晶体与非晶体晶体：原子在空间规则排列所形成的物体。一般而言，固体金属都是晶体。非晶体：原子在空间不规则排列所形成的物体。典型的有玻璃、塑料、橡胶、沥青等。各向异性：晶体内，由于晶面和晶向上原子分布排列紧密程度的不同，使晶体在不同晶面或不同晶向上具有不同性能的这种现象。2金属键金属原子的特点：外层电子少容易丢失，因而变成正离子和自由电子。处于运动状态的自由电子在原子核外形成电子云。金属键：固态金属中，通过金属正离子和自由电子云的相互吸引而结合的这种方式，就称作金属键。3金属晶体晶体结构：晶体中原子的分布和排列方式。也简称结构。晶格：组成晶体的原子作有规则排列所形成的空间格架。晶胞：组成晶格的最基本几何单元。晶格常数：晶胞各边的尺寸。以埃为单位，埃与米的换算关系。金属晶体的特点：第一，熔点一定：比如Fe的熔点是1538℃。第二，各向异性：比如bcc的铁在[111]方向的弹性模量为248200Mpa，而在[100]方向仅有132300Mpa。第三，外形规则。4常见的金属晶格类型金属晶体对称性高，90%属于以下三种晶格。表1-1常见金属晶体的单胞晶格种类体心立方/bcc面心立方/fcc密排六方/hcp图示P4Fig1-3P5Fig1-4P5Fig1-5单胞内原子数246致密度68%74%74%最密排面（110）（111）最密排方向[111][110]典型金属α-Fe，Cr，Mo，W，V，Nb，β-Ti等γ-Fe，Ni，Cu，Al，Au，Ag等Mg，Zn，Cd，Be等最密排面之间的距离大，作用力小。最密排方向原子密度大，结合力强。5金属的特性及其原因第一，良好的导电性：原因是大量的自由电子存在。第二，良好的导热性：原因是大量的正离子存在。第三，良好的塑性：原因是靠金属键结合。第四，不透明和特殊的金属光泽。6金属的结晶结晶：由液态金属向原子规则排列、形成金属晶体的过程就称为结晶。结晶产品可以只是半成品（铸锭），也可以是成品（铸件）。液态金属和固态金属的自由能都随着温度而降低，但是，液态金属降低的、得比固态金属快。在某个时刻二者自由能刚好相等。这个温度就是理论结晶温度。记为T0。实际上，在T0温度下，液态和固态金属互相转变，不会真正发生结晶。而总是在低于T0的某个温度（实际结晶温度Tn）时才真正开始结晶。过冷度：金属的实际凝固温度与理论凝固温度之差。ΔT=T0-Tn金属结晶必须是一个自由能降低的自发过程。这也说明了为什么需要一定的过冷度。金属结晶是一个过程，要经历形核与核心长大两个阶段。自发形核：直接在液态金属中产生晶核，称为自发形核。非自发形核：依靠外来固体粒子形成的晶核，就是非自发形核。晶核的长大总是与温度梯度的方向相反，并且总是长成树枝状（P13Fig1-11）。晶界：金属结晶时，将杂质推挤到两晶体交界处形成的不规则边界。晶粒：由晶界包围的晶体。7实际使用的工程材料——金属都是多晶体，晶体内是有缺陷的：点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（亚晶界、晶界）。铸锭组织分成细晶粒区（很薄，性能良好）、柱状晶粒区（发达，性能有方向性、显微孔洞少、组织致密、但交界薄弱）和中心等轴晶粒区（较发达，性能没有方向性、但显微孔洞多、不太致密）。8对技术工作者的要求通过细化晶粒获得铸件的高性能（适当增大过冷度、加孕育剂进行变质处理、）、设计时尽量采用尖角。本章小结：本章主要讲述金属晶体的种类以及不同晶体所表现出的性能差异。内容抽象不易引起学生注意，应当时时提醒，适当练习巩固理论学习成果。本章作业：自教材P21～22中选做。第2章金属的塑性变形与再结晶目的和要求：本章主要讲授金属材料的变形机理，让学生了解在使用情况下金属材料的变形及其对机械正常工作的影响。重点和难点：金属材料在冷、热加工时所表现的特性及其原因。学时的分配：2学时。1为什么要研究塑性变形一方面，铸态组织存在不足：晶粒粗大、组织不均匀、成分存在偏析、性能不高。重要的机械零件总是采用压力加工的方法成形。压力加工方法主要有锻造、轧制、拉拔、挤压等。以克服铸件的不足。另一方面，机械零件工作过程中，总是受力的，因而也总会发生变形。人们希望，机械零件的变形必须在弹性变形的范围内，并且越小越好。决不允许发生塑性变形。2变形及其分类变形：金属在外力作用下，发生形状和尺寸的改变。弹性变形：外力去除后，能恢复到原来形状的这种变形称为弹性变形。塑性变形：外力去除后，不能恢复而保留下来的这种变形称为塑性变形。低碳钢的拉伸试样和拉伸曲线：P24Fig2-1应力σbσs图2-1低碳钢的拉伸曲线通过拉伸可以测定金属材料的屈服强度、抗拉强度（强度极限）、延伸率、断面收缩率等力学性能指标。3金属塑性变形的方式单晶体的塑性变形方式：滑移（一部分相对另外一部分的移动）和孪生（一部分相对另外一部分的转动）。对多晶体（常用工程材料）而言，塑性变形比单晶体要复杂得多。晶粒内部的变形方式与单晶体相同，有滑移和孪生两种方式。由于晶界的存在，首先，滑移不易从一个晶粒传递到相邻的另一个晶粒，表现出阻碍作用，因而需要更大的外力（表现为强度增加）。其次，晶界两侧晶粒的位向可能不同，他们内部滑移系有的可能开动，有的不能开动，有的受拉有的受压甚至受扭，使滑移不能协调而变形困难（表现为强度增加）。第三，多晶体内满足滑移系可以开动条件的晶粒数量较多，使变形分散在较多的晶粒内，不易产生应力集中，结果允许承受较大的塑性变形（表现为塑性良好）。4金属塑性变形的结果第一，组织变化：晶粒破碎、亚结构细化、位错密度增加；晶粒沿变形方向延伸拉长（纤维、流线）；形成织构。第二，性能变化：强度增加、塑性变差、韧性下降（加工硬化：金属变形使强度增加、塑性降低的现象称为加工硬化，或冷作硬化、形变强化）。第三，各向异性。5变形金属在加热时的变化回复：变形金属由于加热而导致缺陷密度降低、畸变消除的现象。再结晶：变形金属由于加热重新形成晶核和晶核长大的这个过程。应变再结晶温度：进行再结晶的最低温度。一般T再=（0.35～0.40）Tm二次再晶粒：一次再结晶后，少数晶粒择优生长成为特大晶粒、其他晶粒被吞食的这种现象。这是一种异常晶粒长大。以大晶粒吞并小晶粒的方式进行，通常粗化晶粒。使性能下降。6金属的热加工冷加工：在再结晶温度以下对金属进行的加工。热加工：在再结晶温度以上对金属进行的加工。金属热加工的优点：变形时金属塑性好、变形阻力小、产生裂纹危险性低；变形后晶粒细小、组织均匀；产生具有一定方向的流线（金属组织呈现纤维状）、性能体现各向异性。本章小结：本章主要讲述金属变形的理论，也讲述了变形对金属晶体性能的影响和消除影响的措施。教师要使学生在理解的基础上，从组织结构的变化与表现出的力学性能上找出联系。本章作业：自教材P42～43中选做。第3章二元合金与相图目的和要求：本章主要讲授二元合金理论，应当着重介绍合金的分类、相图的特点等。重点和难点：典型的共晶相图，共晶和共析反应等。学时的分配：2学时。1合金及其种类合金：金属元素与另外的元素（一种或多种、金属或非金属）组成的、具有金属特性的物质。合金有二种类型：固溶体、金属间化合物。固溶体：就是固态下组成元素之间能互相溶解而形成均匀的合金。有间隙固溶体和置换固溶体两种。间隙固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格的间隙位置而形成的固溶体。间隙固溶体形成是有条件的：溶质原子直径不足溶剂原子半径的59%，溶剂晶格有足够大的间隙。间隙固溶体一般是有限固溶体。通常由于间隙原子的存在而导致晶格发生正的畸变。典型的间隙固溶体有钢（碳在铁中的固溶体）。置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点的位置而形成的固溶体。形成条件是溶质溶剂原子直径相差不多（0.85～1.15）。置换固溶体一般是无序固溶体，一定条件下可形成有序固溶体。置换固溶体的畸变可正也可负。固溶体的特性第一，晶格类型：与