金属材料主要性能和晶体构造

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工程材料及机械制造工艺基础,介绍,我主讲以下前四方面内容：,一工程材料的基础知识；,二铸造金属液态下成形的过程和方法；,三锻造塑性金属受压变形或改性的过程和方法；,四焊接分离金属实现永久连接的过程和方法；,五切削加工使零件获得一定形状、表面和尺寸要求的过,程和方法；,建议学习方法：,理解和记忆名词术语；,抓住各章节之间的联系；,多看书，认真听，多找老师！,第一讲 金属材料主要性能和晶体构造,Main,Properties,and Structure,of Metal Material,一、 金属材料性能,Properties of metal material,二、 金属晶体构造,Structure of metal material,1,、,晶体结构,2,、金属结晶过程,金属材料性能,(Properties of,Metal Material),（,1,）,使用性能：,(Application),机械性能（或力学）：强度、硬度、,塑性和韧性等。,物理性能：密度、导热和导电率等。,化学性能：抗氧化、耐腐蚀性等。,（,2,）工艺性能：,(Technology),铸造、锻造、焊接及热处理性能,切削加工性能,机械性能：受外力时材料所表现的特性。,Mechanical Properties,1,、,弹性和塑性（,Elasticity and Plasticity),（,1,）,弹性：除去外力材料能恢复原状。,弹性极限：产生弹性变形的最大应力。,e=,Pe/Fo,( Pa ),（,2,）,塑性：材料受外力产生永久变形的能力。,衡量：,(Ductility),延伸率：,=,（,L,1,-Lo)/Lo * 100%,截面收缩率：,=(,Fo-Fk)/Fo,* 100%,屈服极限：材料开始产生塑性变形时应力。,s=Ps/,Fo,( Pa ),图,1,：低碳钢拉伸曲线,Strain,Stress,2,、刚性与强度： （,Rigidity and Strength),（,1,）,刚性：材料抵抗弹性变形能力。,衡量：弹性模量,E,（,拉伸曲线,OE,段斜率）,（,2,）强度：材料抵抗变形或断裂能力。,抗拉、抗弯、抗扭、抗剪和屈服强度等。,b,点处应力为抗拉强度：,b,=,Pb/Fo,Pa,s,点处应力为屈服强度：,s,=Ps/,Fo,Pa,注意：,s,、,b,为,工程上常用指标。,3、硬度：,Hardness,指材料抵抗更硬物体压入其内的能力。,据测试方法不同有：,布氏硬度（,HB),Brinell,洛氏硬度(,HRA,、,HRB,、,HRC),Rockwell,图,2,：,布氏、洛氏硬度测试方法,4,、冲击韧性：,Impact Toughness,材料抵抗或承受冲击载荷能力。,衡量：单位面积的冲击功,k,=,A,k,/F( J/m,2,),图,3,：冲击韧性,的测试方法,5,、疲劳强度：,(,Fatigue Strength,),钢铁循环,10,7,以上材料不破坏最大应力。,有色金属循环,10,8,以上。,图,4,：疲劳曲线,金属晶体构造,(,Structure of Metal Material),一、晶体结构,(Crystal Structure),1,、,晶体：,原子按一定顺序呈有规则的排列。,具一定的凝固点和熔点。,各向异性。,2,、晶格,：,(,Space lattice),表示原子排列规则的空间格子。,3,、晶胞：,(unit cell),组成晶格的最基本几何单元。,4,、晶格常数：,(constant),晶胞各边长度。,金属典型的三种晶格类型：,（,Representative,）,1,、,体心立方：,（,Body,Centred,Cubic,）,铬、钼、,-Fe,和钨等金属。,2,、面心立方：,（,Face,）,铜、铝、银、,-Fe,和金等金属。,3,、密排六方：,（,Hexagonal Close Packed,）,铍、镁、锌、,-,钛等。,晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。,图,5,：金属材料晶体结构、晶格及晶包,二、金属结晶过程,(Solidifying Process),（,录像）,1,、结晶：金属从液态转变为固态。,（,1,）过冷：金属在理论结晶温度以下结晶。,（,2,）过冷度,：, T = T,理论结晶,T,实际结晶,注意：,T,不是恒定，,V,冷,越快，,T,越大。,2,、结晶有形核和长大过程,（,Nucleation and Grain Growth),（,1,）,形核：,自发晶核：原子自发聚集在一起。,非自发晶核：依靠外来的固体质点。,（,2,）长大：,按,晶格,规律液体原子向晶核聚集过程。,总之，金属的结晶过程包括形核与,长大；,它们既是交替进行的，又是同时存在的。,三、有关晶粒、晶粒度知识,晶粒：由一个晶核长成的小颗粒晶体。,多晶体：,（,multi-,由许多晶粒组成的晶体。晶界：晶粒间界面。,单晶体：,（,single-,由一个晶核长成的晶体。单晶锗和硅。,注意：工业上绝大多数金属都属于多晶体。,晶粒度：晶粒的大小。,金属的晶粒越细小，其综合性能越好。,图,7,：单晶体与多晶体,细化晶粒方法：,（,1,）凝固时采取变质处理或孕育处理，,（,2,）快速冷却，提高过冷度；,（,3,）用机械振动、超声波振动或电磁,搅拌等手段打碎枝晶成为晶核。,（,4,）在固态下，可用热处理和压力加工,的方法细化。,如：铁、锡和锰，均可用加热来改善性能。,注意：钢的热处理原理来自铁的同素异晶性,四、金属同素异晶转变：,Allotropic Transformation of Metal,1,、,概念：,金属晶格类型随温度改变而重新排列的过程。,2,、与结晶类似：,存在过冷、包括形核和长大两个过程、,转变时有吸收或放出潜热。,所以又叫重结晶或二次结晶。,3,、同素异晶（构）性：,具有同素异晶（构）转变的性质。,图,8,：纯铁同素异晶转变曲线,五、合金结构,(Structure of Alloy),1,、,合金概念：,以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属元素，经熔合而形成具有金属特性的物质。（,1,）组元：组成合金的元素。,（,2,）相：化学成分和晶格形式相同，并与其周,边成分或晶格形式有界面分开的均匀组织。,2,、合金基本组成物,（,constitute,）,（,1,）,固溶体：,溶质原子溶入溶剂，晶格类型等同溶剂。,按溶解度：分有限和无限固溶体；,按溶质原子位置：分置换和间隙固溶体；,固溶强化：因晶格畸变使金属的强度和硬度提高。,（,2,）金属化合物：,合金各组元间发生化学反应，形成有金属,特征的新物质。,置换和间隙固溶体,钢中,Fe,3,C,、,黄铜中,CuZn,等均属金属化合物。,特点：具有熔点高、硬度高和脆性大。,非金属化合物：不具有金属特征的化合物。,如，,FeS,（,3,）,机械混合物：,组元间既不互溶，又不形成化合物，,而是按重量比混合形成新物质。,组成：纯金属、固溶体和金属化合物等。,注意：工业上常用合金均含机械混合物。,六、二元合金相图,Equilibrium Diagram of Binary Alloy,研究二元合金的成分、温度和组织间变化规律。,获得：通过测定一系列冷却曲线如图,9,。,图,9,：,Pb-Sb,二元合金共晶相图,总结,一、金属材料的五大机械性能：,1,、,弹性和塑性；,2,、,刚性与强度；,3、,硬度；,4,、,冲击韧性；,5,、,疲劳强度,二、金属晶体构造,1,、,晶体结构：,晶体、晶格、晶胞、晶格常数,2,、,金属结晶过程：,过冷、过冷度、形核、长大、,单晶体、多晶体、晶粒度、重结晶、二次结晶、,合金、,合金基本组成物,QUESTIONS:,1.Define Strength,2.Explain the,Brinell,Hardness Test Briefly,专业词汇：,金属材料性能：,Properties of metal material,金属晶体构造：,Structure of metal material,使用性能：,Properties for Application,机械性能：,Mechanical Properties,弹性和塑性：,Elasticity and Plasticity,刚性与强度：,Rigidity and Strength,硬度：,Hardness,冲击韧性：,Impact Toughness,疲劳强度：,Fatigue Strength,晶体结构：,Crystal Structure,晶格,: Space lattice,晶胞,: Unit Cell,体心立方：,Body,Centred,Cubic,面心立方：,Face,Centred,Cubic,密排六方：,Hexagonal Close Packed,金属结晶过程：,Solidifying Process,形核和长大：,Nucleation and Grain Growth,纯金属冷却曲线,: Cooling Curve,多晶体：,Multi-Crystal,单晶体：,Single-Crystal,金属同素异晶转变：,Allotropic Transformation of Metal,合金结构：,Structure of Alloy,组成物：,Constitute,