第一章 工程材料基础知识

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,*,Engineering Materials,第一篇工程材料,概念,用于制作工程结构、机械零件和工具等的固体材料，统称工程材料。,性能,使用性能（物、化、力）,工艺性能（铸、锻、焊、切）,分类,比较,金属材料,强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。,高分子材料,耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。,陶瓷材料,熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。,复合材料,强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。,第一章工程材料基础知识,第一节材料的失效与性能,一、材料的失效,、,概念,、,模式及机理,塑断,静,脆断,冲击,疲断,交变,粘着,磨粒,冲刷,、常见零件的工作及失效形式,二、材料的力学性能,、概念：材料的力学性能是指材料抵抗外力作用的能力。,、载荷的分类：,按所能产生的变形分：,拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转。,按对时间的变化率分：,静载荷、动载荷、交变载荷。,3、,强度,金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力,材料的强度用拉伸试验测定,金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：,弹性极限（,e,）,表示材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。,屈服点（,s,）,表示金属开始发生明显塑性变形的抗力,铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用,条件屈服点（,0.2,）,来表示:产生0.2%残余应变时的应力值。,强度极限(抗拉强度,b,),表示金属受拉时所能承受的最大应力。,、塑性,断裂前材料产生永久变形的能力称为塑 性,用伸长率和断面收缩率来表示。,伸长率（,）,在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。,断面收缩率（,）,试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。,、硬度：,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。,1）布氏硬度（,HB),2）洛氏硬度(,HRA、HRB、HRC),、冲击韧度（,a,k,）,许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。,测得试样冲击吸收功,用符号,A,k,表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积,S,0,即得到材料的冲击韧度,a,k,。,、疲劳强度,轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力(,),与材料断裂前承受交变应力的循环次数(,N),之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数,N,越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用,-1,表示。,、断裂韧性,桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可,失稳而扩展，导,致机件破断。材,料抵抗裂纹失稳,扩展断裂的能力,叫断裂韧性。,三、金属的物理性能,1.,密度,单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5103,kg/m3,的金属称为,轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103,kg/m3,的金属称为,重金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。,2.,熔点,金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为,难熔金属,，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为,易熔金属,如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。,3.,导热性,导热性通常用热导率来衡量。热导率越大,导热性越好。金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。,4.,导电性,传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。,5.,热膨胀性,金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸;在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少变形和开裂。,6.,磁性,铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等 抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770,四、金属的化学性能,主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。,1.耐腐蚀性,金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。,2.抗氧化性,金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入,Cr、,Si,等元素,可提高钢的抗氧化性。如4,Cr9Si2,可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。,五、金属的工艺性能,指制造工艺过程中材料适应加工的性能，以后介绍。,第二节纯金属的结晶构造,一、金属晶格的基本类型,晶体结构：,晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式,晶格：,通过金属原子(离子)的中心划出许多假想空间格架,晶胞：,能反映该晶格特征的最小组成单元,体心立方,晶格的晶胞中,八个原子处于立,方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角,上八个原子与中心原子紧靠。,具有体心立方晶格的金属有钼(,Mo)、,钨(,W)、,钒(,V)、-,铁(,-Fe,912),等。,晶格常数,：,a=b=c,=,=90,晶胞原子数,：在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。,三种常见的金属晶体结构,面心立方,金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝,(,Al),、,铜,(,Cu),、,镍,(,Ni),、,金,(,Au),、,银,(,Ag),、-,铁,(,-,Fe,912,1394,),等。,晶格常数,：,a=b=c,=,=,=90,晶胞原子数,(,个,),：,密排六方,十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。,具有这种晶格的金属有镁(,Mg)、,镉(,Cd,)、,锌(,Zn)、,铍(,Be),等。,晶格常数,：用底面正六边形,的边长,a,和两底面之间的距离,c,来表,达,两相邻侧面之间的夹角为120,侧面与底面之间的夹角为90。,晶胞原子数,：,第三节纯金属的结晶过程,结晶,：,金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变。,一、冷却曲线和过冷度,通过实验，测得液体金属在结晶时的温度时间曲线称为,冷却曲线,。,熔点,过冷度,开始结晶温度,冷却速度越快则过冷度越大,二、金属的结晶过程,金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。,1.形核,液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。形核有两种方式。,(1)自发形核,由液态金属内部为金属原子自发形成的晶核。,(2)非自发形核,金属原子依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。,、成长,晶体的长大有两种方式:,(1)平面长大,当冷却速度较慢时金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。,(2)树枝状长大,当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。,三、细化晶粒的措施,对于纯金属,决定其性能的主要结构因素是晶粒大小。在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。所以工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。细化铸态金属晶粒有以下措施。,1.,增大过冷度,2.,变质处理,3.机械,振碎,4.,电磁搅拌,四、实际晶粒的晶体结构,（一）多晶体,由许多处于不同方位,单晶体,通过,晶界,结成的,多晶体,。,（,二）晶粒内晶体缺陷,实际金属不是理想完美的单晶体,结构中存在有许多不同类型的缺陷。,(1)点缺陷,点缺陷是指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直径的缺陷。,(2)线缺陷,线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，这就是位错,由晶体中原子平面的错动引起。位错有两种。,(3)面缺陷,面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有两种:,（三）铸锭的结构,第四节合金,纯金属虽有导电、导热、塑性好的优点，但提纯难、价格高，力学或其它性能较全合金差。,一、合金的概念,、,概念,一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。,、,组元,组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。,、,相,在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。,、,组织,材料在放大镜或显微镜下观察到的微观形貌图。,二、合金的基本相,（一）固溶体,溶剂溶质固溶体,固溶强化,：通过形成固溶体，使金属晶格畸变增大位错运动的阻力，滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度的现象。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。,纯铜的,b,为220,MPa,硬度为40,HB,断面收缩率,为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390,MPa,硬度升高到70,HB,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好,常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。,置换固溶体,中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子,。,间隙固溶体,中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。,（,二）,金属化合物,合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物。金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,强度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韧性降低,。,(1)正常价化合物：,严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。,(2)电子化合物：,不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。,(3)间隙化合物：,由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。,本章,作业：,P25：,