机械制造基础金属材料基本知识课件

第一章机械制造基础-金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识 1.1 金属材料的力学性能 1.2 金属与合金的晶体结构与结晶 1.1 金属材料的力学性能第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度1.1.2 塑性1.1.3 硬度1.1.4 冲击韧度1.1.5 疲劳强度第一章 金属材料基本知识 金属材料的性能对零件的使用和加工有十分重要的作用金属材料的性能对零件的使用和加工有十分重要的作用 在机械制造领域选用材料时在机械制造领域选用材料时,大多以力学性能为主要依据大多以力学性能为主要依据 力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗力力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗力 金属材料性能的主要种类如表金属材料性能的主要种类如表1.1所示所示第一章 金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度 强度是金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。强度是金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。根据载荷作用方式的不同，强度可分为：根据载荷作用方式的不同，强度可分为：抗拉强度抗拉强度(b)(b)抗压强度抗压强度(bc)(bc)抗弯强度抗弯强度(bb)(bb)抗剪强度抗剪强度()一般情况下，多以一般情况下，多以抗拉强度抗拉强度为判断金属强度大小的指标。为判断金属强度大小的指标。拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度图1.1 低碳钢的拉伸曲线图拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度（1）ce弹性变形阶段弹性变形阶段（2）es屈服阶段屈服阶段（3）sb均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段（4）bk缩颈阶段缩颈阶段拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度 （1）ce弹性变形阶段弹性变形阶段 试样的伸长量与载荷成正比增加试样的伸长量与载荷成正比增加 此时若卸载此时若卸载,试样能完全恢复原状试样能完全恢复原状 FeFe为能恢复原状的最大拉力为能恢复原状的最大拉力拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度 （2）es屈服阶段屈服阶段 当载荷当载荷超过超过FeFe后后,试样除产生弹性变形外试样除产生弹性变形外,开始出现开始出现塑性变形塑性变形 当载荷增加到当载荷增加到FsFs时时,图形上出现平台图形上出现平台,即载荷不增加即载荷不增加,试样继续试样继续伸长伸长,材料丧失了抵抗变形的能力材料丧失了抵抗变形的能力,这种现象叫屈服这种现象叫屈服 FsFs称为屈服载荷称为屈服载荷拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度 （3）sb均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 载荷载荷超过超过FsFs后后,试样开始产生明显塑性变形试样开始产生明显塑性变形,伸长量随载荷增伸长量随载荷增加而增大加而增大 FbFb为试样拉伸试验的最大载荷为试样拉伸试验的最大载荷拉伸曲线第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度 （4）bk缩颈阶段缩颈阶段 载荷载荷达到最大值达到最大值FbFb后后,试样局部开始急剧缩小试样局部开始急剧缩小,出现出现“缩颈缩颈”现象现象 k k点点时试样发生断裂时试样发生断裂第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度强度指标 金属材料的强度是用应力来度量的。金属材料的强度是用应力来度量的。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。(1)(1)屈服点屈服点ss在拉伸过程中,载荷不增加,试样还继续发生变形的最小应力(MPa)。s=Fs/A0第一章 金属材料基本知识1.1.1 强度强度指标 金属材料的强度是用应力来度量的。金属材料的强度是用应力来度量的。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。(2)(2)抗拉强度抗拉强度bb金属材料在拉断前所承受的最大应力(MPa)b=Fb/A0第一章 金属材料基本知识1.1.2 塑性 塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形(或永久变形或永久变形)而不而不 断裂的能力。断裂的能力。常用塑性指标是常用塑性指标是 断后伸长率断后伸长率拉伸试验试样拉断后,标距长度的相对伸长值=(l1-l0)/l0100%第一章 金属材料基本知识1.1.2 塑性 塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形(或永久变形或永久变形)而不而不 断裂的能力。断裂的能力。常用塑性指标是常用塑性指标是 断面收缩率断面收缩率拉伸试样拉断后试样截面积的收缩率为=(A0-A1)/A0100%第一章 金属材料基本知识1.1.3 硬度 硬度是指金属材料抵抗外物压入其表面的能力硬度是指金属材料抵抗外物压入其表面的能力,即金属材料抵抗即金属材料抵抗 局部塑性变形或破坏的能力局部塑性变形或破坏的能力。硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。常用的硬度指标有常用的硬度指标有布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度和和维氏硬度维氏硬度等。等。将一定直径的压头,在一定的载荷下垂直压入试样表面,保持规定的时间后卸载,压痕表面所承受的平均应力值称为布氏硬度值,以HB表示。图1.2为布氏硬度试验原理图。第一章 金属材料基本知识1.1.3 硬度 布氏硬度图1.2 布氏硬度试验原理图HB=F/S压=0.1022F/D(D-D2-d2)用规定的载荷,将顶角为120的圆锥形金刚石压头或直径为1.588mm的淬火钢球压入金属表面,取其压痕深度计算硬度的大小,这种硬度称为洛氏硬度HR。第一章 金属材料基本知识1.1.3 硬度 洛氏硬度图1.3 洛氏硬度试验原理图HR=K-bd/0.002第一章 金属材料基本知识1.1.3 硬度 维氏硬度 用49-981N的载荷,将顶角为136的金刚石四方角锥体压头压入金属表面,以其压痕面积除载荷所得的商称为维氏硬度HV。第一章 金属材料基本知识布氏硬度计主要用来布氏硬度计主要用来测量灰铸铁、有色金测量灰铸铁、有色金属以及经退火、正火属以及经退火、正火和调质处理的钢材等和调质处理的钢材等材料材料HRA主要用于测量硬主要用于测量硬质合金、表面淬火钢质合金、表面淬火钢等等;HRB主要用于测量主要用于测量软钢、退火钢、铜合软钢、退火钢、铜合金等金等;HRC主要用于测主要用于测量一般淬火钢件量一般淬火钢件维氏硬度适用于测定厚维氏硬度适用于测定厚度为度为0.30.5mm的的薄层材料薄层材料,或厚度为或厚度为0.030.05mm的的表面硬化层的硬度表面硬化层的硬度第一章 金属材料基本知识1.1.4 冲击韧度图1.4 冲击试验示意图1 摆锤 2试样 冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力,通常用通常用一次摆锤冲击试验来测定。一次摆锤冲击试验来测定。冲击吸收功冲击吸收功(AK)除以试样缺口处的除以试样缺口处的 截面积截面积S0,即可得到材料的冲击韧度即可得到材料的冲击韧度K=AK/S0=G(H1-H2)/S0 冲击韧度冲击韧度K值愈大值愈大,表明材料的表明材料的 韧性愈好韧性愈好,受到冲击时不易断裂。受到冲击时不易断裂。第一章 金属材料基本知识1.1.5 疲劳强度 虽然零件所受应力远低于材料的屈服点虽然零件所受应力远低于材料的屈服点,但在长期使用中往往会但在长期使用中往往会 突然发生断裂突然发生断裂,这种破坏过程称为疲劳断裂。这种破坏过程称为疲劳断裂。工程上规定工程上规定,材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。大应力称为疲劳强度。材料的疲劳强度与其合金化学成分、内部组织及缺陷、表面划痕材料的疲劳强度与其合金化学成分、内部组织及缺陷、表面划痕及零件截面突然改变等有关。及零件截面突然改变等有关。第一章 金属材料基本知识1.1.5 疲劳强度图1.5 疲劳曲线曲线表明曲线表明材料受的交变应力材料受的交变应力越大越大,则断裂时应力则断裂时应力循环次数循环次数(N)越少越少,反之反之,则则N越大。越大。当应力低于一定值当应力低于一定值时时,试样经无限周次试样经无限周次循环也不破坏循环也不破坏,此应此应力值称为材料的疲力值称为材料的疲劳强度劳强度,用用r表示表示提高零件疲劳提高零件疲劳强度的方法强度的方法改善结构设计改善结构设计避免应力集中避免应力集中提高加工工艺减提高加工工艺减少内部组织缺陷少内部组织缺陷降低零件降低零件表面粗糙度表面粗糙度表面强化方法表面强化方法表面淬火表面淬火表面液压表面液压喷丸处理喷丸处理第一章 金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识 1.2 金属与合金的晶体结构与结晶1.2.1 金属的晶体结构1.2.2 纯金属的结晶1.2.3 合金的晶体结构1.2.4 铁碳合金第一章 金属材料基本知识1.2.1 金属的晶体结构晶体与非晶体玻璃玻璃沥青沥青松香松香非晶体非晶体纯铁纯铁纯铜纯铜纯铝纯铝晶体晶体第一章 金属材料基本知识1.2.1 金属的晶体结构图1.6 简单立方晶格与晶胞示意图晶格与晶胞第一章 金属材料基本知识1.2.1 金属的晶体结构三种典型的金属晶格类型图1.7 常见金属晶格的晶胞三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格铬、钨、钼、钒等铬、钨、钼、钒等铝、铜、铅、金等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、镁、锌、铍、镉、钛等钛等第一章 金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶 金属的结晶一般是指金属由液态转变为固态的金属的结晶一般是指金属由液态转变为固态的过程过程。纯金属纯金属的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的。的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的。研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径有研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径有重要的意重要的意义义。第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶纯金属的冷却曲线图1.8 纯金属的冷却曲线液态金属随着冷却时间的液态金属随着冷却时间的延长延长,它所含的热量不断它所含的热量不断散失散失,温度也不断下降温度也不断下降当冷却到某一温当冷却到某一温度时度时,温度随时间温度随时间延长并不变化出延长并不变化出现了现了“平台平台”金属继续向环境散热金属继续向环境散热,温度又重新开始下降温度又重新开始下降第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶纯金属的冷却曲线图1.8 纯金属的冷却曲线 图中图中ToTo为理论结晶温度为理论结晶温度 金属实际结晶温度金属实际结晶温度(Tn)(Tn)总是低于理论总是低于理论结晶温度结晶温度(To)(To)的现象的现象,称为称为“过冷现象过冷现象”理论结晶温度和实际结晶温度之差称理论结晶温度和实际结晶温度之差称为为过冷度过冷度，以以TT表示表示T=To-Tn第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶过程(1)(1)晶核的形成晶核的形成(2)(2)晶核的长大晶核的长大第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶过程 (1)晶核的形成晶核的形成 在过冷度存在的条件下在过冷度存在的条件下,依靠产生微细小晶体形成晶核的依靠产生微细小晶体形成晶核的过程过程,称为称为自发形核自发形核 依附于杂质或型壁而形成晶核的过程依附于杂质或型壁而形成晶核的过程,称为称为非自发形核非自发形核 自发形核和非自发形核在金属结晶时是自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行同时进行的的,但非但非自发形核常起自发形核常起优先和主导作用优先和主导作用第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶过程 (2)晶核的长大晶核的长大 晶核形成后晶核形成后,会吸附其周围液态中的原子会吸附其周围液态中的原子,不断长大不断长大 晶核长大使液态金属的相对量逐渐减少晶核长大使液态金属的相对量逐渐减少第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷 (1)点缺陷点缺陷 最常见的点缺陷有空位、置换原子和间隙原子等最常见的点缺陷有空位、置换原子和间隙原子等,如图如图1.91.9所示所示 由于点缺陷的出现由于点缺陷的出现,使周围原子发生使周围原子发生“撑开撑开”或或“靠拢靠拢”现象现象,这种现象称为这种现象称为晶格畸变晶格畸变 (1)点缺陷点缺陷第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷图1.9 点缺陷示意图第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷 (2)线缺陷线缺陷 线缺陷主要指的是线缺陷主要指的是位错位错 最常见的位错形态是刃型位错最常见的位错形态是刃型位错,如图如图1.101.10所示所示 (2)线缺陷线缺陷图1.10 刃型位错晶体结构示意图第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷 (3)面缺陷面缺陷 通常指的是晶界和亚晶界通常指的是晶界和亚晶界 实际金属材料都是多晶体结构实际金属材料都是多晶体结构,多晶体中两个相邻晶粒之多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的间晶格位向是不同的,所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层规则的过渡层图1.11 晶界示意图第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶体的缺陷 (3)面缺陷面缺陷第一章 金属材料基本知识1.2.2 纯金属的结晶晶粒大小及其控制 实际金属结晶后形成多晶体实际金属结晶后形成多晶体,晶粒的大小对力学性能影响很大。晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下一般情况下,晶粒愈细小晶粒愈细小,金属的强度、硬度就愈高金属的强度、硬度就愈高,塑性、韧性塑性、韧性也愈好也愈好,即综合力学性能好。即综合力学性能好。第一章 金属材料基本知识细化晶粒、改善细化晶粒、改善性能的方法性能的方法增加过冷度增加过冷度变质处理变质处理其他其他机械振动机械振动超声波振动超声波振动电磁振动电磁振动第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念(1)(1)合金合金(2)(2)组元组元(3)(3)合金系合金系(4)(4)相相(2)(2)组织组织第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念 (1)合金合金 一种金属元素与其他金属或非金属元素一种金属元素与其他金属或非金属元素,经熔炼、烧结或经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质其他方法结合成具有金属特性的物质,称为称为合金合金 例如碳钢就是铁和碳组成的合金例如碳钢就是铁和碳组成的合金第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念 (2)组元组元 组成合金的最基本的独立物质称为组成合金的最基本的独立物质称为组元组元,简称简称元元 组元可以是金属元素或非金属元素组元可以是金属元素或非金属元素,也可以是稳定化合物也可以是稳定化合物 由两个组元组成的合金称为由两个组元组成的合金称为二元合金二元合金,三个组元组成合金三个组元组成合金称为称为三元合金三元合金第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念 (3)合金系合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金的合金,称为称为合金系合金系 例如例如,铜和镍组成的一系列不同成分的合金铜和镍组成的一系列不同成分的合金,称为铜称为铜镍合镍合金系金系第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念 (4)相相 合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为分称为相相 液态物质称为液态物质称为液相液相;固态物质称为固态物质称为固相固相 同样是固相同样是固相,有时物质是有时物质是单相单相的的,而有时是而有时是多相多相的的第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的基本概念 (5)组织组织 用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为部分称为组织组织 组织是决定材料最终性能的组织是决定材料最终性能的关键关键 在研究合金时通常用在研究合金时通常用金相方法金相方法对组织加以鉴别对组织加以鉴别第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的组织图1.12 固溶体的两种类型(1)(1)固溶体固溶体第一章 金属材料基本知识1.2.3 合金的晶体结构合金的组织(2)(2)金属化合物金属化合物(3)(3)机械混合物机械混合物 工程上使用的大多数合金的组织都是固溶体和少量金属化合物组工程上使用的大多数合金的组织都是固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态和分布状况大小、形态和分布状况,可以使合金的力学性能在较大范围内变化可以使合金的力学性能在较大范围内变化,从从而满足工程上的多种需求。而满足工程上的多种需求。第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织(1)(1)纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变(2)(2)铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织 (1)铁素体铁素体 铁素体是碳溶于铁素体是碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体,用用符号符号F F表示表示 铁素体由于溶碳量小铁素体由于溶碳量小,力学性能与纯铁相似力学性能与纯铁相似,即塑性和冲击即塑性和冲击韧度韧度较好较好,而强度、硬度而强度、硬度较低较低第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织 (2)奥氏体奥氏体 奥氏体是碳溶于奥氏体是碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体,用用符号符号A A表示表示 奥氏体的强度、硬度较低奥氏体的强度、硬度较低,但具有良好塑性但具有良好塑性,是绝大多数钢是绝大多数钢高温进行压力加工的高温进行压力加工的理想组织理想组织第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织 (3)渗碳体渗碳体 渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物,用用化化学式学式FeFe3 3C C表示表示 渗碳体中的碳的质量分数为渗碳体中的碳的质量分数为6.69%,6.69%,硬度很高硬度很高(800HBW),(800HBW),塑性塑性和韧性几乎为零和韧性几乎为零第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织 (4)珠光体珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物,用用符号符号P P表示表示 珠光体中珠光体中CC为为0.77%,0.77%,力学性能介于铁素体和渗碳体之间力学性能介于铁素体和渗碳体之间,即即综合性能良好综合性能良好第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金基本组织 (5)莱氏体莱氏体 莱氏体是莱氏体是CC为为4.3%4.3%的合金的合金,缓慢冷却到缓慢冷却到11481148时从液相中同时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织,用用符号符号LdLd表示表示 莱氏体中由于大量渗碳体存在莱氏体中由于大量渗碳体存在,其性能与渗碳体相似其性能与渗碳体相似,即即硬度硬度高、塑性差高、塑性差图1.13 简化的Fe-Fe3C相图第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金相图(1)Fe-Fe3C相图中典型点的含义如表1.2所示1.2.4 铁碳合金铁碳合金相图第一章 金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金相图(2)Fe-Fe3C相图中特性线的意义如表1.3所示1.2.4 铁碳合金铁碳合金相图第一章 金属材料基本知识第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金铁碳合金相图(3)Fe-Fe3C相图相区分析 依据特性点和线的分析,简化Fe-Fe3C相图主要有4个单相区:L、A、F、Fe3C;5个双相区:L+A、A+F、L+Fe3C、A+Fe3C、F+Fe3C。第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律(1)(1)含碳量对平衡组织的影响含碳量对平衡组织的影响333dddFFPPPFe CPFe CLLFe CL 第一章 金属材料基本知识1.2.4 铁碳合金含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律(2)(2)含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响图1.14 含碳量对钢的力学性能影响 复习思考题第一章 金属材料基本知识