机械制造技术材料

1、上诲卄敎丈修机械制造孜*机栽制豊啟*028迟逼卿鞠鲁粤偏著机械制造技术目录第二章工程材料(1)21概述22金属材料简介2.2.1金属材料的种类222金属材料的性能23晶体的结构2.3.1晶体与非晶体232实际金属的晶体结构24金属的结晶2.4.1金属结晶过程242铸态晶粒的大小243金属的同素异构2.5二元合金的晶体结构2.5.1固溶体252固溶体的件能 26铁碳合金2.6.1铁碳合金基本组织262铁碳合金相图263铁碳合金宰温组织件能 随成分的变化规逢第二章工程林料2.1概述材料是现代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一，是发 展国民经济特别是机械工业的重要物质基础；是生产活动的基本 投入

2、。材料的利用标志着人类生活的进展，历史上有石器时 代、青铜器时代和铁器时代O当前,材料总数有50万余种之多,而且新材料每年以5%左右 的速度递增。材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水 平和国防力量的重要标志之一。以汽车工业为例：一辆轿车,需用800多种材料,动画1是轿车 车身部分所采用的材料。车长3606mm, 1719mm,空载时高1575mm,发动机20LV6动画1轿车车身部分的材料轿车车身部分材科及成形方栗 上海大学鞠鲁兽制作2.2金属材料简介2.2.1金属材料的种类传统金属材料是能源、通信、交通运输、建筑、家用电器等 行业中最基本的构成物质。金属材料是工程材料中广泛应用

3、的大类。金属材料可分为 黑色金属和有色金属两类。除了黑色金属以外的其他金属材料统 称为有色金属，如铜、铝及其合金、轴承合金、硬质合金等。常用的黑色金属材料分为碳钢和铸铁两大类。1 碳钢碳钢按质量分可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、 特级优质钢等。按化学成分分可分为：低碳钢（叱0.25%）。（2）中碳钢（ = 0.25% 0.6%）。咼碳钢（“c 0.6%）。（4）合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）等。按用途分可分为结构钢（工程结构钢、机器零件用钢等）、工 具钢（制造刃具、模具、量具等）、特殊性能钢（如不锈钢、耐热 钢、耐磨钢、磁钢等）。2.铸铁铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁。

4、在一般工程应用铸铁中，碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的 不同，这类铸铁又可分为灰口铸铁（碳以粗片状石墨形式出现）、 可锻铸铁（碳以团絮状石墨形式出现）、球墨铸铁（碳以球状石墨形 式出现）和蠕墨铸铁（碳以蠕虫状石墨形式出现）。特殊性能铸铁既有含石墨的和不含石墨的（白口铸铁铁碳合金 中的碳以FesC形式出现）。这类铸铁的合金元素含量较高 （wMe3%）,可应用于高温、有腐蚀或磨料磨损的工况条件。（如 耐磨铸铁代号KmTB、冷硬铸铁代号LT、耐热铸铁代号RT、耐蚀 铸铁代号ST等。）表1常用的黑色金属材料（教材P3表1T）名称法 方 号 编途 用例 举明 说碳钢A35-F2 Q45射件 造零 制要

5、于重 用等杆dT8A承等 匕匕k 厶冃又冲 磨手 耐如 具 硬工 高的 较击 需冲 造定 制一s一下拉钢 az抗铸iztJ2fy 舌久)7冈 辰z O乍(57铸续表名称法 方 号 编途- -用例 举明 说合金钢0承和等 于复轴 用等曲 调氐苗 伪拉如 40C锹佻以4 吩:咛灰铸铁铁198 铸9- 口43 灰/T9如等 ,身 啥床 要飞 较駄 或底 N齿 承汽T206K 1于% 、6 d F 不小 度不锹 强囂 拉枇可 抗pa,i钳 均最 R5 勺4 /0- 引 fj 、铁-19 铸48 墨13 球/T门O11承等续表名称类 分法 方 号 编途 用例 举明 说灰铸铁铁12铸5685 墨/T19

6、蠕GB特殊性能铸铁$29 软 00 9 曆 T 9的 定损 一磨 有料 具磨 矢耐 铸性 墨韧 球和 镭度 中强可鈿釘业48 软 9 00 刘 T 9Z囲-R2crU C 11 si T s2.2.2金属材料的性能厂力学性能固体材料主要性能物理性能 化学性能工艺性能力学性能即材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强 度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。夕卜力即载荷, 常见的各种载荷如动画2所示。上海大学鞠鲁粵制作动画2常见的各种外载荷2.3晶体的结构2.3.1晶体与非晶体固体可分为晶体和非晶体两类。晶体中原子按一定规则排列。最普通的非晶体是玻璃,它的原 子排列较不规则。非晶体的结

7、构比晶体结构更难确定。1 -晶体的空间点阵和晶系如果把所有具有相同环境的原子或原子群作为一个质点，则晶 体结构可以抽象为这些质点在空间上的、周期性规则排列的空间 点阵。2.晶格、晶胞和晶格常数在空间点阵中取一单位体积（通常为平行六面体）作为点阵 的最小组成单元，称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边 长、b、c和棱边之间的夹角a、0、y来表示（见动画3）。原子排列模型上海大学鞠鲁粵制作机械制造技术3.常见的晶格类型根据晶胞的三条棱边是否相 等、三个夹角是否相等以及是 否为直角，晶体学将所有晶体 分为7个晶系，14种空间点阵。 称作布喇菲空间点阵，如图1所常见的三种晶格类型:体心立方晶格。面心立

8、方晶格。密排六方晶格。第三章金属材抖及歿处理 第13页立方四方 棱方 六方正交单斜三斜布喇菲空间点阵上海大学辎鲁粵制作2.3.2实际金属的晶体结构1 晶格缺陷由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受 到破坏，存在偏离理想结构的区域，称为晶格缺陷。晶格缺陷可分为三类：点缺陷。线缺陷。面缺陷。1）点缺陷点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如间隙原子、置换原子和空位（见动画4 ）。间隙原 子是在晶格的间隙中存在多余原子；置换原子是指结点上的原子 被异类原子所置换；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位。间隙原子点、缺陷示意图上海大学鞠鲁粵制作机械制造技术2）线缺陷线缺陷是指在一个

9、方向上尺 寸较大,而在另外两个方向上尺 寸很小的缺陷，呈线状分布,其 具体形式是各种类型的位错，如, 动画5所示。-L3）面缺陷面缺陷主要指金属中的晶界 和亚晶界（见图2）。亚晶界指亚 晶粒之间形成的交界面。亚晶 粒是由被称为镶嵌块的小晶粒 组成的。刃型位错上海丈学鞠鲁粵制作动画5刃型位错结构示意图晶界示意图卫晶界示楚图面缺陷上淖丸常）弁写制作图2面缺陷聘回目可2.4金属的结晶2.4.1金属结晶过程金属熔液在凝固后一般都以晶质状态存在,即内部原子由不规贝啲排列转变到规则扫咧,形成晶体（见动画6 ,视频1 ）。 金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程,即纯金属结晶过程上海大学鞠鲁粵制作

10、由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。动画6金属的结晶教学视频1金属的结晶返回目录2.4.2铸态晶粒的大小金属结晶后的晶粒愈细小，晶界的面积就愈大。晶界面积愈 大,晶体缺陷就愈多,则对金属的力学性能影响愈大。一般情况 下,细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好。获得细晶粒的方法通常有：增加过冷度。变质处理。附加振动。机械制造技术2.4.3金属的同素异构某些金属在不同温度和压力下呈不同的晶体结构。同一种固 态的纯金属（或其他单相物质） 在加热或冷却时发生由一种稳定 状态转变成另一种不同的晶体结 构稳定状态,这种转变,称为同 素异构转变（见动画7 ）。此时 除体积变化和热效应外还会发生

11、 其他性质改变。Fe、Co、Sn、 Mn等元素都具有同素异构特性。动画7纯铁的同素异构转变2.5二元合金的晶体结构由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成 的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。 由两种组元组成的合金,称为二元合金。在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面 分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也 可以是由若干种相所组成。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织,不同的组织使合金具有不同的力学性能。态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化

12、合物两类。2.5.1固溶体溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙 固溶体（见动画8 ）和置换固溶体（见动画9 ）。间隙固溶体中 的溶质元素多半是原子半径较小的非金属元素；对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素,只能形成置换固溶体。间跋固熔体0溶质原子 溶列原于动画8间隙固溶体主换罔溶体示逹图动画9置换固溶体上行丸竿购辛导*|作返回目录2.5.2固溶体的性能溶质原子溶入溶剂晶格，将使晶格发生畸变，从而使合金的强度、 硬度上升（见动画10 ）。这种由于形成固溶体而引起强度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化合金的基本途径之一。如果溶质浓

13、度适当,固溶体亦具有良好的塑性和韧性。间隙原子晶格畸变示意图动画10晶格畸变上海大学鞠鲁卑制作图3铁素体2. 6铁碳合金铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金。一般将碳的质量分 数为0.0218%-2.11%的铁碳合金称为碳钢,碳的质量分数大于2.11%的称为铸铁。2.6.1铁碳合金基本组织1 铁素体铁素体是碳在aFe中的固溶体,用 符号F”表示。其组织结构与组织形 态如图3所示。1）铁素体的特点在727 C有最大溶解度， =0.0218%。（2）强度和硬度低,韧性塑性好。力学性能如表2所示。表2铁素体的力学性能% :180 280MN/m270%80%.2100 170MN/m2630% 50%

14、硬度50 80HBS1.8 2.5MJ/m22）纯铁（V0.02%）的力学性能（如表3所示）表3纯铁的力学性能250MN/m285%.2120MN/m2（550%硬度80HBS2.0MJ/m2以上性能与晶粒大小、杂质含量有关。2.奥氏体奥氏体是碳在片Fe中的溶体，用符号A”表示。高温奥氏图4奥氏体体的显微组织如图4所示。奥氏体的特点: 在1148C时有最大溶解度Wc= 2.11%。当727C时,Wc=0.77%e(2)其力学性能与碳含量及晶粒大小有关, 硬度低塑性好,形变能力好。3.渗碳体渗碳体是铁和碳的化合物,碳质量分数6.67% ,用 3旷或QnT表示。渗碳体的特点:硬度近800HBW.塑

15、性几乎为零。一般认为其熔点 1600 C o2.6.2铁碳合金相图1、相图分析铁碳合金相图是研 究钢铁材料的成分、 相和组织的变化规律 以及与性能之间关系 的重要工具。动画11铁碳合金相图铁碳合金相图如动 画11所示。1）相区区域a动画12铁碳合金相区分析1538150014001300120011001000G900800700600:500D0.81. 5 2. 03. 04.5W c / %演小动迪1 6,69FesC2）各特性线40030020050.4Fe动画13铁碳合金相图特性线3）主要特性点表4铁碳合金的特性点特性点一温度CA义 含一特性线义 含A83511OAc体 氏 奥 出 晶 结 始 开 合 态 液 M 相C481134点 晶 共