工程材料讲稿_1303

1、机机 械械 工工 程程 材材 料料罗烽罗烽 主讲主讲 绪绪 论论 材料用来干什么？材料用来干什么？ 制造产品制造产品 眼镜片和眼镜框所用的材料有什么差别？眼镜片和眼镜框所用的材料有什么差别？ 结构材料：利用其力学性能的材料结构材料：利用其力学性能的材料 如：眼镜框、各种机械零件等如：眼镜框、各种机械零件等 本课程讨论的重点：结构材料本课程讨论的重点：结构材料 功能材料：利用其理化性能的材料功能材料：利用其理化性能的材料 如：眼镜片、电子元器件等如：眼镜片、电子元器件等 有些材料既可以充当功能材料也可有些材料既可以充当功能材料也可以充当结构材料以充当结构材料 材料怎样制造成产品？材料怎样制造成产

2、品？ 常规制造技术常规制造技术 极端制造技术极端制造技术巨大的汽车巨大的汽车微小的模具微小的模具 和材料密切相关的学科是什么？和材料密切相关的学科是什么？ 材料科学材料科学(种类、性能种类、性能) 制造技术制造技术(工艺、设备工艺、设备) 检测技术检测技术(方法、手段方法、手段) 制造使用哪些材料？制造使用哪些材料？工程材料工程材料常用常用材料材料金属材料金属材料新新材料材料非金属材料非金属材料钢铁材料钢铁材料(黑色金属黑色金属)非铁材料非铁材料(有色金属有色金属)高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料 如何学好工程材料课程？如何学好工程材料课程？本课程的重点与难点本课程的重点与

3、难点本课程的学习方法与教学要求本课程的学习方法与教学要求 本课程教材本课程教材王忠编著王忠编著机械工程材料机械工程材料清华大学出版社清华大学出版社关于教材的几点说明关于教材的几点说明 推荐参考书目推荐参考书目张继世主编，张继世主编，机械工程材料基础机械工程材料基础， 高等教育出版社高等教育出版社 ，20022002年年4 4月第月第1 1版，小版，小1616开开243243页，页，TH14-43/Z32TH14-43/Z32 本书难度低于我们的教材本书难度低于我们的教材赵程、杨建民主编，赵程、杨建民主编，机械工程材料机械工程材料，机械工业出版社，机械工业出版社，20082008年年2 2月第月

4、第2 2版，小版，小1616开开252252页，页，TH14-43/Z43a(2)TH14-43/Z43a(2) 本书难度与我们教材相当本书难度与我们教材相当对某些我们教材上说的不太清楚明白的内容，可查阅这些参考书。潘强、朱美华、童建华编著，潘强、朱美华、童建华编著，工程材料工程材料，上海科学技，上海科学技术出版社，术出版社，20052005年年9 9月第月第2 2版，版，1616开开311311页，页，TB3-43/P18(2) TB3-43/P18(2) 王晓敏编著，王晓敏编著，工程材料学工程材料学，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社 ，20022002年年8 8月第月第2 2版，

5、版，1616开开292292页，页，TB3/W37b(2)TB3/W37b(2)以上2本书比我们使用的教材稍深，但都是非常好的教材。对程度较高希望学习更深入一些内容的同学，可以参看，不懂的地方可以与老师讨论。 第第1 1章：金属的晶体结构和结晶章：金属的晶体结构和结晶1.1 1.1 晶体与非晶体晶体与非晶体晶体与非晶体的基本概念晶体与非晶体的基本概念晶体、非晶体晶体、非晶体晶体晶体非晶体非晶体 晶体的特点（与非晶体的区别）晶体的特点（与非晶体的区别）原子或分子在三维空间按照一定规则作原子或分子在三维空间按照一定规则作周期性的重复排列周期性的重复排列某些晶体，如食盐、天然金刚石等，具某些晶体，如

6、食盐、天然金刚石等，具有规则的外形；有规则的外形；具有固定的熔点（凝固点），溶解（凝具有固定的熔点（凝固点），溶解（凝固）过程中温度始终保持不变；固）过程中温度始终保持不变；具有各向异性的特征。具有各向异性的特征。 金属通常（在自然冷却时）都是晶体，金属通常（在自然冷却时）都是晶体，但采用特殊的冷却方法（急冷）可获得非晶体但采用特殊的冷却方法（急冷）可获得非晶体金属；金属； 晶体有关的一些基本概念晶体有关的一些基本概念晶格：晶格：晶胞：晶胞：晶格常数：晶格常数： 晶面晶面(“(“晶面指数晶面指数”不要求不要求) )晶向晶向(“(“晶向指数晶向指数”不要求不要求) ) 晶胞原子数晶胞原子数配位数

7、配位数致密度致密度例：体心立方晶格例：体心立方晶格 晶胞原子数：晶胞原子数：2 2 配位数：配位数：8 8 致密度：致密度：68% (68% (计算方法参见教材计算方法参见教材P6)P6) 1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构金属材料典型的晶体结构金属材料典型的晶体结构 在金属元素中，在金属元素中，90%以上的金属都属于以上的金属都属于下面下面3种晶体结构种晶体结构 体心立方晶格体心立方晶格晶胞原子数晶胞原子数2配位数配位数8致密度致密度68%常见金属常见金属Fe, Cr, W 等等 面心立方晶格面心立方晶格晶胞原子数晶胞原子数4配位数配位数12致密度致密度74%常见金属常见金属Fe,

8、 Cu, Al 等等 密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子数晶胞原子数6配位数配位数12致密度致密度74%常见金属常见金属Mg, Zn, Be 等等 1.3 1.3 金属的结晶金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶结晶的概念结晶的概念纯金属的冷却纯金属的冷却曲线曲线过冷度：过冷度：T = TT = T0 0-T-Tn n 结晶过程结晶过程晶核的形成晶核的形成 自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核晶核形成与晶核形成与长大过程长大过程 晶核的长大晶核的长大晶核的长大过程晶核的长大过程晶核形成与长大过程晶核形成与长大过程 单晶体与多晶体单晶体与多晶体晶粒与晶界晶粒与晶界晶粒晶粒晶界晶界单晶体与多晶体单晶

9、体与多晶体单晶体单晶体多晶体多晶体单晶体如金刚石单晶体如金刚石多晶体如金属多晶体如金属 金属结晶的主要方式金属结晶的主要方式平面生长方式平衡条件下或过冷度较小时出现，在实际平衡条件下或过冷度较小时出现，在实际金属的结晶中较少见金属的结晶中较少见平面生长方式平面生长方式 树枝状生长方式 过冷度较大、尤其是存在非自发形核时出过冷度较大、尤其是存在非自发形核时出现，是金属晶体结晶最常见的方式。形现，是金属晶体结晶最常见的方式。形成树枝状晶体，简称枝晶成树枝状晶体，简称枝晶树枝状生长方式树枝状生长方式 晶粒大小晶粒大小晶粒大小的衡量方式晶粒度晶粒度晶粒度：1mm2试样截面面积上试样截面面积上晶粒的数目

10、，或晶粒的平均线长晶粒的数目，或晶粒的平均线长度（或直径）度（或直径）晶粒度等级晶粒度等级：共分：共分8级，级，1级最粗，级最粗，8级最细级最细晶粒度计算式晶粒度计算式：m=2N+2m 其中：为每其中：为每mm2中的晶粒数中的晶粒数 N为晶粒度等级数为晶粒度等级数晶粒度测量晶粒度测量：100倍金相图像与倍金相图像与标准晶粒度图比较标准晶粒度图比较 晶粒大小对力学性能的影响一般而言，晶粒越细，力学性能越好一般而言，晶粒越细，力学性能越好 (原因以后说明原因以后说明) 影响晶粒大小的因素影响晶粒大小的因素形核率形核率长大速度长大速度控制晶粒大小的方法控制晶粒大小的方法加大过冷度加大过冷度变质处理变

11、质处理震动与搅拌震动与搅拌 1.4 1.4 金属的实际晶体结构和缺陷金属的实际晶体结构和缺陷金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构多晶体多晶体亚晶粒与亚晶界亚晶粒与亚晶界晶格畸变晶格畸变它们对金属性能特点的影响它们对金属性能特点的影响提高金属的强度提高金属的强度晶界处原子不稳定，易移动和腐蚀晶界处原子不稳定，易移动和腐蚀 晶体缺陷晶体缺陷概念概念：晶体中存在的、偏离其固有几何：晶体中存在的、偏离其固有几何特征的部分，称为晶体缺陷特征的部分，称为晶体缺陷分类分类：分为点缺陷、线缺陷与面缺陷：分为点缺陷、线缺陷与面缺陷影响影响：缺陷的存在会影响材料的性能：缺陷的存在会影响材料的性能可变性可变性：晶体

12、缺陷在温度变化和加工过：晶体缺陷在温度变化和加工过程中，会发生增加、移动、合并或消失程中，会发生增加、移动、合并或消失等各种变化等各种变化 点缺陷点缺陷 概念概念：在空间三维的尺度都：在空间三维的尺度都很小，尺寸范围不超过几个很小，尺寸范围不超过几个原子直径的缺陷原子直径的缺陷分类分类：空位与间隙原子：空位与间隙原子影响影响：提高了材料的强度与硬度，提高了材料的强度与硬度，降低了材料的塑性和韧性降低了材料的塑性和韧性 线缺陷线缺陷 概念概念：在空间三维中，某一维的尺度很：在空间三维中，某一维的尺度很长，而另外二维的尺度很小的一类缺陷长，而另外二维的尺度很小的一类缺陷分类分类：刃型位错与：刃型位

13、错与螺型位错螺型位错影响影响：少量的位错使强度少量的位错使强度下降，大量的位错下降，大量的位错使强度提高，但塑使强度提高，但塑性都会下降性都会下降 面缺陷面缺陷概念概念：某二维的尺度很大而另一维尺度：某二维的尺度很大而另一维尺度很小的一类缺陷很小的一类缺陷包括包括：晶界与亚晶界：晶界与亚晶界影响影响：能提高金属材料的强度和塑性：能提高金属材料的强度和塑性 1.5 1.5 金属铸锭和铸件金属铸锭和铸件铸锭铸锭金属液凝固后形金属液凝固后形成的锭料毛坯成的锭料毛坯( (块块状坯料状坯料) )，其整体，其整体需要再加工需要再加工( (如压如压制、锻打等制、锻打等) )才能才能使用或成为产品。使用或成为

14、产品。 铸锭的三带组织铸锭的三带组织表层细晶区表层细晶区：等轴细晶粒，表面很薄一：等轴细晶粒，表面很薄一层层柱状晶粒区柱状晶粒区：组织致密，各向异性：组织致密，各向异性等轴晶粒区等轴晶粒区：有微孔：有微孔(缩松缩松)，各向同性。，各向同性。一般希望得到这样的组织，在浇注温度一般希望得到这样的组织，在浇注温度低、冷却速度小等条件下，有利于获得低、冷却速度小等条件下，有利于获得这样的组织。这样的组织。 铸件铸件金属液在具有一定形状的模腔内冷却，金属液在具有一定形状的模腔内冷却，形成的零件形成的零件( (如汽车发动机缸体如汽车发动机缸体) )毛坯。毛坯。铸件与铸锭的区别铸件与铸锭的区别对铸件的要求对

15、铸件的要求力争获得细晶粒力争获得细晶粒减少铸造缺陷减少铸造缺陷设计适合铸造的结构设计适合铸造的结构 第第2 2章：金属的塑性变形和再结晶章：金属的塑性变形和再结晶2.1 2.1 材料的力学性能材料的力学性能 参考资料：赵程参考资料：赵程机械工程材料机械工程材料P4P10材料的性能材料的性能概念：材料在概念：材料在使用使用和和加工加工过程中所表现出过程中所表现出 来的各种性能来的各种性能 材料包括哪些性能材料包括哪些性能 材料的材料的力学性能力学性能和和工艺性能工艺性能是我们关注是我们关注的重点的重点材料的性能材料的性能使用使用性能性能力学性能力学性能工艺工艺性能性能铸造、焊接、压力加工性能铸造

16、、焊接、压力加工性能化学性能化学性能物理性能物理性能切削加工性能切削加工性能热处理性能热处理性能 材料的力学性能材料的力学性能力学性能又称为力学性能又称为机械性能机械性能1. 1. 材料的强度与塑性材料的强度与塑性强度强度强度的概念：材料在外力作用下抵强度的概念：材料在外力作用下抵 抗变形和断裂的能力抗变形和断裂的能力强度可分为：抗拉强度、抗压强度、强度可分为：抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度、抗剪强度疲抗弯强度、抗剪强度疲 劳强度等等劳强度等等 塑性塑性塑性的概念：材料在外力作用下呈塑性的概念：材料在外力作用下呈 现出的不可恢复到原现出的不可恢复到原 状的变形而不发生破状的变形而不发生破 坏的

17、能力坏的能力衡量塑性的指标：伸长率与断面收衡量塑性的指标：伸长率与断面收 缩率缩率 拉伸试验拉伸试验拉伸试验（拉伸试验机）拉伸试验（拉伸试验机）拉伸试验机拉伸试验机 拉伸曲线拉伸曲线应力与应变的概念应力与应变的概念应力应力：单位面积：单位面积 上所受的力，上所受的力， 单位：单位：Pa Pa 应变应变：单位长度：单位长度 的变形量，的变形量， 无单位无单位由应力由应力- -应变曲线可获得材料以下各种性能指标应变曲线可获得材料以下各种性能指标F FLL0F-L 曲线曲线SF001LLL 0ACDEe es sb b- 曲线曲线 弹性极限与弹性模量弹性极限与弹性模量弹性极限弹性极限e e在材料的弹

18、性极在材料的弹性极限范围内（即当限范围内（即当材料所受应力小材料所受应力小于于e e时），应力时），应力与应变成正比与应变成正比弹性极限在拉伸曲线中的位置弹性极限在拉伸曲线中的位置曲线上的曲线上的A A点点0ACDEe es sb b- 曲线曲线 弹性模量弹性模量E E定义式：定义式：条件：条件： e e弹性模量在拉伸曲线上的反映弹性模量在拉伸曲线上的反映A A点以下直线的斜率点以下直线的斜率弹性模量的决定因素弹性模量的决定因素材料的本性材料的本性刚度刚度材料在弹性变形区内抵抗弹性变形的材料在弹性变形区内抵抗弹性变形的能力，用弹性模量能力，用弹性模量E E表示表示E0ACDEe es sb b

19、- 曲线曲线 改变金属制品刚度的措施改变金属制品刚度的措施更换金属材料更换金属材料改变金属制品的结构形式改变金属制品的结构形式增加截面积增加截面积弹性极限在材料使用中的意义弹性极限在材料使用中的意义机械零件所受的应力不能大于弹性极机械零件所受的应力不能大于弹性极限值，否则可能会发生塑性变形限值，否则可能会发生塑性变形 屈服强度（屈服点）屈服强度（屈服点）屈服现象屈服现象载荷不增加而塑载荷不增加而塑性变形仍在增大性变形仍在增大的现象的现象屈服点在拉伸曲线中的位置屈服点在拉伸曲线中的位置曲线上的曲线上的B B点点0ACDEe es sb b- 曲线曲线 屈服强度屈服强度( (屈服点屈服点)s sB

20、 B点对应的应力点对应的应力值，用值，用s s表示表示无明显屈服现象无明显屈服现象材料的屈服点位材料的屈服点位置的确定：塑性置的确定：塑性变形达变形达0.2%0.2%处对处对应的应力值，用应的应力值，用0.20.2表示表示0ACDEe es sb b- 曲线曲线 屈服强度在材料使用中的应用屈服强度在材料使用中的应用屈服强度是评价材料承载能力的重要屈服强度是评价材料承载能力的重要指标指标材料所受的应力不应超过屈服点（否材料所受的应力不应超过屈服点（否则材料将产生塑性变形）则材料将产生塑性变形）屈服阶段的结束屈服阶段的结束曲线中的曲线中的C C点点C C点以后，材点以后，材料需要继续增料需要继续增

21、大应力才能产大应力才能产生新的塑性变形生新的塑性变形0ACDEe es sb b- 曲线曲线 抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限）缩颈现象缩颈现象材料拉断前断裂材料拉断前断裂部位附近直径变部位附近直径变小小抗拉强度抗拉强度b b试样所能承受的最大拉应力试样所能承受的最大拉应力抗拉强度在拉伸曲线上的位置抗拉强度在拉伸曲线上的位置曲线上的曲线上的D D点点0ACDEe es sb b- 曲线曲线 抗拉强度在材料使用中的意义抗拉强度在材料使用中的意义抗拉强度是评价材料安全性的重要指抗拉强度是评价材料安全性的重要指标标材料所受的应力绝不可超过抗拉强度材料所受的应力绝不可超过抗拉强度（否则材料有断裂

22、的危险）（否则材料有断裂的危险）比强度比强度概念：强度与密度之比概念：强度与密度之比意义：衡量不同材料抗拉能力。如玻意义：衡量不同材料抗拉能力。如玻璃钢的比强度可能高于钢材璃钢的比强度可能高于钢材 伸长率伸长率(延伸率延伸率)、断面收缩率、断面收缩率评价材料塑性的指标评价材料塑性的指标伸长率伸长率( (延伸率延伸率)其中：其中：L L0 0为试样的原始长度为试样的原始长度L L1 1为试样拉断后的总长度为试样拉断后的总长度是评价材料塑性最常用的指标是评价材料塑性最常用的指标%100LLL0010ACDEe es sb b- 曲线曲线 断面收缩率断面收缩率其中：其中：S S0 0是试样原始截面积

23、是试样原始截面积S S1 1是试样拉是试样拉断后断口的截面积断后断口的截面积%100SSS010 塑性在材料使用中的意义塑性在材料使用中的意义良好的塑性是材料进行压力加工的必良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件要条件伸长率和断面收缩率数值越大，材料伸长率和断面收缩率数值越大，材料的塑性越好的塑性越好 材料材料“塑性好塑性好”与与“容易变形容易变形”的区别的区别“塑性好塑性好”是指材料伸长率和断面收是指材料伸长率和断面收缩率数值大，其压力加工性能好缩率数值大，其压力加工性能好“容易变形容易变形”是指令材料产生初始塑是指令材料产生初始塑性变形所需要的应力，即屈服强度的性变形所需要的应力，即屈服强

24、度的大小大小“容易变形容易变形”的材料不一定的材料不一定“塑性塑性好好”，反之亦然，反之亦然 2. 材料的硬度材料的硬度硬度的概念硬度的概念材料抵抗其它硬物压入其表面的能力材料抵抗其它硬物压入其表面的能力硬度可分为硬度可分为洛式硬度、布式硬度、维式硬度等洛式硬度、布式硬度、维式硬度等最常用的硬度指标是：洛氏硬度和布最常用的硬度指标是：洛氏硬度和布氏硬度氏硬度 硬度试验（硬度计）硬度试验（硬度计）洛氏硬度计洛氏硬度计布氏硬度计布氏硬度计 硬度的应用硬度的应用硬度是衡量材料软硬程度的指标，是硬度是衡量材料软硬程度的指标，是材料抵抗局部塑性变形的能力；材料抵抗局部塑性变形的能力；硬度与材料的强度及塑

25、性等重要性能硬度与材料的强度及塑性等重要性能指标之间存在着内在联系，有一定的指标之间存在着内在联系，有一定的的对应关系；的对应关系；硬度便于测试，因此在实际生产中，硬度便于测试，因此在实际生产中，常通过测量硬度值来检验一般零件的常通过测量硬度值来检验一般零件的机械性能；机械性能；硬度是材料最常用的指标之一。硬度是材料最常用的指标之一。 洛式硬度洛式硬度代号：代号：HRHR不同的压头称为不同的标尺不同的压头称为不同的标尺常用的标尺有常用的标尺有A A、B B、C C，分别用代号，分别用代号HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC表示表示 压头压头1201200 0金刚石圆锥体：适用于金刚石圆锥体

26、：适用于A A、C C标尺标尺1.588mm1.588mm淬火钢球：适用于淬火钢球：适用于B B标尺标尺 测量对象测量对象压痕深度压痕深度( (可直接可直接从硬度计上读出从硬度计上读出) )公式公式 h h0 0：初载荷下的压痕深度，单位：初载荷下的压痕深度，单位mmmmh h1 1：主载荷下的压痕深度，单位：主载荷下的压痕深度，单位mmmmh h1 1-h-h0 0：主载荷使压头压入材料形成的压痕深度：主载荷使压头压入材料形成的压痕深度0020hh130HRB0.002hh100HRCHRA0101.、 优缺点优缺点优点：测量简便迅速，压痕小优点：测量简便迅速，压痕小缺点：数据不够准确，重复

27、性较差缺点：数据不够准确，重复性较差( (尤尤其对成分不均匀的材料）其对成分不均匀的材料） 应用应用洛式硬度方便快捷，是目前工厂中应洛式硬度方便快捷，是目前工厂中应用最广泛的硬度试验方法用最广泛的硬度试验方法各种标尺的硬度试验规范及适用的材料各种标尺的硬度试验规范及适用的材料 布式硬度布式硬度代号：代号：HB HB 使用不同材质的压头分别用使用不同材质的压头分别用HBSHBS、HBWHBW表示表示压头压头淬火钢球：适用于硬度值小于淬火钢球：适用于硬度值小于450450的材的材 料，用代号料，用代号HBSHBS表示表示 硬质合金球：适用于硬度值大于硬质合金球：适用于硬度值大于450450小小 于

28、于650650的材料，用代号的材料，用代号HBWHBW表示表示 测量对象：压痕球冠的表面积测量对象：压痕球冠的表面积公式公式)(22dD-D(Dg2FAFHB 优缺点优缺点优点：测量结果准确，测量精度高优点：测量结果准确，测量精度高缺点：压痕面积大（对零件有损伤）缺点：压痕面积大（对零件有损伤）应用应用布式硬度通常用于铸铁、有色金属及布式硬度通常用于铸铁、有色金属及其合金、结构钢、非金属材料等的测其合金、结构钢、非金属材料等的测量量实际测量时可根据压痕直径直接查表实际测量时可根据压痕直径直接查表得到硬度值，不需要用公式计算得到硬度值，不需要用公式计算 3. 材料的冲击韧度材料的冲击韧度韧性与脆

29、性韧性与脆性韧性：材料在塑性变形和断裂全过程韧性：材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，吸收的能量越多，中吸收能量的能力，吸收的能量越多，韧性越好韧性越好脆性：与韧性相反的概念脆性：与韧性相反的概念 冲击试验（冲击试验机）冲击试验（冲击试验机）冲击试验机冲击试验机 冲击韧度（冲击吸收功）冲击韧度（冲击吸收功）概念：材料抵抗冲击破坏的能力概念：材料抵抗冲击破坏的能力公式：公式：决定冲击韧度值的因素决定冲击韧度值的因素内部因素：材料本身特性，如，成内部因素：材料本身特性，如，成 份、显微组织、冶金质份、显微组织、冶金质 量等量等 外部因素：如，试样尺寸、缺口形外部因素：如，试样尺寸、缺口形

30、状、试样粗糙度、试验环状、试样粗糙度、试验环 境等境等 Sh)-mg(HSAkk 材料的其它性能简介材料的其它性能简介物理性能包括：密度与熔点、电学性能、热学包括：密度与熔点、电学性能、热学性能、磁学性能、光学性能等性能、磁学性能、光学性能等 化学性能包括：耐腐蚀性能、抗氧化性能、化包括：耐腐蚀性能、抗氧化性能、化 学稳定性等学稳定性等工艺性能包括：铸造性能、焊接性能、压力加包括：铸造性能、焊接性能、压力加 工性能、切削加工性能、热处理性能等工性能、切削加工性能、热处理性能等 2.2 2.2 金属的变形现象金属的变形现象弹性形变弹性形变应力小于应力小于 e时时变形为弹性变形变形为弹性变形 =

31、E (E为弹性模量为弹性模量)弹性极限弹性极限 e e屈服强度屈服强度 s see soo1o2卸载后可卸载后可以恢复的以恢复的弹性形变弹性形变卸载后不卸载后不能恢复的能恢复的塑性形变塑性形变 塑性形变塑性形变应力超过应力超过 s s后变后变形为塑性变形形为塑性变形加工硬化现象：加工硬化现象：在未达到材料在未达到材料的抗拉强度之前的抗拉强度之前卸载卸载( (例如在曲例如在曲线上的线上的ee点撤掉点撤掉应力应力) )，材料仍余，材料仍余留有少量不可恢复的塑性变形，材料的弹留有少量不可恢复的塑性变形，材料的弹性极限及屈服强度在塑性变形之后上升，性极限及屈服强度在塑性变形之后上升，这种现象称为加工硬

32、化这种现象称为加工硬化( (也称作二次硬化也称作二次硬化) )。弹性极限弹性极限 e e屈服强度屈服强度 s see soo1o2卸载后可卸载后可以恢复的以恢复的弹性形变弹性形变卸载后不卸载后不能恢复的能恢复的塑性形变塑性形变 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形包括滑移变形和孪晶变形包括滑移变形和孪晶变形滑移变形滑移变形滑移现象、滑移带与滑移线滑移现象、滑移带与滑移线滑移面、滑移方向与滑移系滑移面、滑移方向与滑移系 最容易产生滑移的晶面和晶向最容易产生滑移的晶面和晶向 原子排列最紧密的晶面和晶向原子排列最紧密的晶面和晶向红线红线代表的晶面代表的晶面( (或

33、晶向或晶向) )上，原子排列最紧密，而上，原子排列最紧密，而这这2 2个晶面个晶面( (或晶向或晶向) )间距最大，因此最易滑移间距最大，因此最易滑移晶格简化后的平面点阵晶格简化后的平面点阵( (左图左图) )它既可以看成是一个晶面上的原子排布它既可以看成是一个晶面上的原子排布也可以将每一行原子看作是一个晶面的侧面也可以将每一行原子看作是一个晶面的侧面晶格晶格的空的空间点间点阵阵 晶面受力的分解晶面受力的分解外力外力F F可分解为垂直于滑移面的正拉力可分解为垂直于滑移面的正拉力F Fn n与在滑移面与在滑移面内的切向拉力内的切向拉力切向拉力又可分解为沿滑移方向的切向拉力切向拉力又可分解为沿滑移

34、方向的切向拉力F F与垂直与垂直于滑移方向的切向拉力于滑移方向的切向拉力F F与这些力对应的应力分别为：与这些力对应的应力分别为：n n、和和FF滑移方向滑移方向滑移面滑移面F FnF F Fo立体示意图立体示意图平面示意图平面示意图 正应力的作用：正应力的作用：产生弹性变形或断裂产生弹性变形或断裂切应力的作用：切应力的作用：滑移方向上的切应滑移方向上的切应力导致滑移变形力导致滑移变形滑移是位错移动的结果滑移是位错移动的结果 滑移伴随着晶体的旋转滑移伴随着晶体的旋转 垂直滑移方向的切应力垂直滑移方向的切应力导致晶粒导致晶粒旋转旋转滑移是晶体变形的主要形式滑移是晶体变形的主要形式面心立方晶格和体

35、心立方晶格容易以滑移面心立方晶格和体心立方晶格容易以滑移形式变形，面心立方晶格最容易滑移形式变形，面心立方晶格最容易滑移立体示意图晶体某一层的受力旋转情况晶体某一层的受力旋转情况滑滑移移方方向向滑移面滑移面Fno no 平面示意图平面示意图 孪晶变形孪晶变形孪晶变形的形式孪晶变形的形式孪晶变形需要更大的能量，一般不容易孪晶变形需要更大的能量，一般不容易发生发生体心立方和密排六方晶格在一定条件下体心立方和密排六方晶格在一定条件下可发生孪晶变形可发生孪晶变形 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形实际金属的构成实际金属的构成实际金属是多晶体，由许多细小的单晶实际金属是多晶体，由许多细小的单晶体晶粒构成体

36、晶粒构成每一个单晶体晶粒在受到外力作用的情每一个单晶体晶粒在受到外力作用的情况下，其变形滑移过程如前面分析况下，其变形滑移过程如前面分析 多晶体金属的变形过程多晶体金属的变形过程处于软位向处于软位向( (切向分力大，易滑移的切向分力大，易滑移的位向位向) )的晶粒先滑移，在滑移过程中伴的晶粒先滑移，在滑移过程中伴随晶面的旋转，逐步转变为硬位向，随晶面的旋转，逐步转变为硬位向，停止滑移，同时由于滑移导致位错向停止滑移，同时由于滑移导致位错向晶界处聚集晶界处聚集聚集在晶界处位错的增多使得应力也聚集在晶界处位错的增多使得应力也变大，从而推动尚未滑移的其它晶粒变大，从而推动尚未滑移的其它晶粒开始产生滑

37、移开始产生滑移于是滑移变形就这样在多晶体的晶粒于是滑移变形就这样在多晶体的晶粒中分批先后产生中分批先后产生a、b晶粒处于软位向晶粒处于软位向c c晶粒处于硬位向晶粒处于硬位向 多晶体金属晶粒大小对力学性能的影响多晶体金属晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对强度硬度的影响：晶粒大小对强度硬度的影响： 位向的影响位向的影响：不同晶粒存在位向差异，：不同晶粒存在位向差异，当一些晶粒滑移变形时，其它晶粒只发当一些晶粒滑移变形时，其它晶粒只发生弹性变形，这将阻碍滑移变形晶粒的生弹性变形，这将阻碍滑移变形晶粒的进一步滑移，晶粒越细小，单位体积晶进一步滑移，晶粒越细小，单位体积晶粒数越多，金属塑性变形阻力就越

38、大，粒数越多，金属塑性变形阻力就越大，即强度硬度越高；即强度硬度越高； 晶界的影响晶界的影响：晶界是位错的聚集处，：晶界是位错的聚集处，原子排列紊乱，滑移难于在此处进行，原子排列紊乱，滑移难于在此处进行，因此晶界越多，金属塑性变形抗力越大，因此晶界越多，金属塑性变形抗力越大，强度硬度越高；强度硬度越高；该图说明晶界该图说明晶界处不易变形处不易变形 晶粒大小对塑性韧性的影响：晶粒大小对塑性韧性的影响： 晶粒越细小，变形量可分散到更多的晶粒越细小，变形量可分散到更多的晶粒中发生，变形越均匀，塑性越好；晶粒中发生，变形越均匀，塑性越好；同时也不易造成局部应力集中，引起裂同时也不易造成局部应力集中，引

39、起裂纹而发生断裂，韧性也越好纹而发生断裂，韧性也越好结论：结论：晶粒越细小，强度硬度越高，塑性韧性晶粒越细小，强度硬度越高，塑性韧性越好。越好。即即晶粒细，力学性能好。晶粒细，力学性能好。 2.3 2.3 冷塑性变形对金属组织和冷塑性变形对金属组织和 性能的影响性能的影响1. 形成纤维组织形成纤维组织晶粒被拉长，形成流线，材料具有了各晶粒被拉长，形成流线，材料具有了各向异性的特征向异性的特征对性能的影响：有利有弊对性能的影响：有利有弊 2. 产生加工硬化产生加工硬化晶粒破碎和缺陷增加所导致材料强度硬晶粒破碎和缺陷增加所导致材料强度硬度增加而塑性韧性降低。加工硬化也称度增加而塑性韧性降低。加工硬

40、化也称作形变强化或冷作硬化作形变强化或冷作硬化对性能的影响：有利有弊对性能的影响：有利有弊二次变二次变形时弹形时弹性极限性极限及屈服及屈服强度增强度增加加弹性极限弹性极限 e e屈服强度屈服强度 s see soo1o2卸载后可卸载后可以恢复的以恢复的弹性形变弹性形变卸载后不卸载后不能恢复的能恢复的塑性形变塑性形变 3. 出现织构现象出现织构现象各晶粒取向按某种方向趋于一致，呈某各晶粒取向按某种方向趋于一致，呈某种形态的规则分布，材料具有了各向异性种形态的规则分布，材料具有了各向异性的特征的特征对性能的影响：不利，难于用退火消除对性能的影响：不利，难于用退火消除 4. 留下残余应力留下残余应力

41、一些金属原子处于不稳定（非能量最低）一些金属原子处于不稳定（非能量最低）位置，而导致残余应力的出现位置，而导致残余应力的出现残余应力的分类：残余应力的分类： 第一类第一类( (宏观内应力宏观内应力) )：由于材料各部：由于材料各部分变形不均匀引起分变形不均匀引起 第二类第二类( (微观内应力微观内应力) )：由于各晶粒变：由于各晶粒变形不均匀引起形不均匀引起 第三类第三类( (晶格畸变晶格畸变) )：主要的内应力，：主要的内应力，由晶格畸变引起由晶格畸变引起对性能的影响：导致金属变形和开裂，可对性能的影响：导致金属变形和开裂，可由退火消除由退火消除 2.4 2.4 变形金属在加热时组织变形金属

42、在加热时组织 和性能的变化和性能的变化回复回复当冷变形金属加热温度不太高时，内部当冷变形金属加热温度不太高时，内部原子可作短距离移动，金属某些性能发原子可作短距离移动，金属某些性能发生变化，这一现象称为回复生变化，这一现象称为回复 再结晶再结晶金属加热到一定温度会出现晶粒重新形金属加热到一定温度会出现晶粒重新形成的现象，其过程类似于液态转变成固成的现象，其过程类似于液态转变成固态的结晶过程，这一过程称为再结晶态的结晶过程，这一过程称为再结晶再结晶后的晶格类型并不发生变化（注再结晶后的晶格类型并不发生变化（注意它与同素异晶转变的区别）意它与同素异晶转变的区别）再结晶过程示意图再结晶过程示意图 再

43、结晶过程不是一个恒温过程，而是在一再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度区间内完成的（与液态结晶和同素定温度区间内完成的（与液态结晶和同素异晶转变不同）异晶转变不同）各种金属再结晶温度与熔点大致有下列关各种金属再结晶温度与熔点大致有下列关系：系： T T再再0.4T0.4T熔熔 再结晶温度也不是一成不变的，它与金属再结晶温度也不是一成不变的，它与金属的纯度、成分、先前的变形量、加热速度的纯度、成分、先前的变形量、加热速度和保温时间等因素有关和保温时间等因素有关一些金属的熔点与再结晶温度对比一些金属的熔点与再结晶温度对比金属金属FeAlCuMgNiT熔熔（0C）153866010336501

44、455T再再（0C）450150200150600 晶粒长大再结晶后若继续加热或保温，一些晶再结晶后若继续加热或保温，一些晶界会消失，导致晶粒长大界会消失，导致晶粒长大 再结晶后晶粒大小与预变形程度有关再结晶后晶粒大小与预变形程度有关实例实例参见课本参见课本P34P34图图2-212-21和和2-222-22 金属加热过程中组织及性能的变化金属加热过程中组织及性能的变化第一阶段：回复第一阶段：回复低于再结晶温度，低于再结晶温度，原子缓慢扩散，原子缓慢扩散，内应力降低，晶内应力降低，晶粒形状不变，保粒形状不变，保留了原有机械压留了原有机械压力变形后的机械力变形后的机械性能；性能； 第二阶段：再结

45、晶第二阶段：再结晶晶粒形状发生变晶粒形状发生变化，所有先前机化，所有先前机械压力变形后所械压力变形后所产生的机械性能产生的机械性能变化均消失，机变化均消失，机械性能回复到机械性能回复到机械压力变形前的械压力变形前的机械性能，但机机械性能，但机械压力所产生的械压力所产生的变形并不改变；变形并不改变； 第三阶段：晶粒长大第三阶段：晶粒长大再结晶完成后若再结晶完成后若继续保温，晶粒继续保温，晶粒会变大，晶粒长会变大，晶粒长大后机械性能变大后机械性能变差。差。 2.5 2.5 金属的热塑性加工金属的热塑性加工热变形加工与冷变形加工的区别在再结晶温度以上进行的压力加工称为在再结晶温度以上进行的压力加工称

46、为热变形加工热变形加工在再结晶温度以下进行的压力加工称为在再结晶温度以下进行的压力加工称为冷变形加工冷变形加工 热变形加工与冷变形加工的优缺点比较热变形加工与冷变形加工的优缺点比较冷加工工件尺寸精确、表面光洁，同时材料也可以冷加工工件尺寸精确、表面光洁，同时材料也可以被强化（加工硬化）被强化（加工硬化）冷加工变形抗力大，难于成形大截面工件或要求变冷加工变形抗力大，难于成形大截面工件或要求变形量较大的工件，难于成形某些硬度高而塑性低的形量较大的工件，难于成形某些硬度高而塑性低的金属材料（如锌、铬、镁）及脆性较大的金属金属材料（如锌、铬、镁）及脆性较大的金属冷加工会导致加工硬化、残余应力等，可能会

47、影响冷加工会导致加工硬化、残余应力等，可能会影响工件的后续加工和使用工件的后续加工和使用热加工时材料容易变形，加工能耗较低热加工时材料容易变形，加工能耗较低热加工可以消除或改善铸态金属的缺陷，如气孔、热加工可以消除或改善铸态金属的缺陷，如气孔、裂纹等，提高材料的致密度裂纹等，提高材料的致密度热加工容易导致金属表面氧化热加工容易导致金属表面氧化热加工由于模具反复经历温度变化，会使模具寿命热加工由于模具反复经历温度变化，会使模具寿命降低降低热加工可能会出现粗大晶粒，导致机械性能下降热加工可能会出现粗大晶粒，导致机械性能下降 第第3 3章：二元合金和相图章：二元合金和相图3.1 3.1 合金及相关概

48、念合金及相关概念合金合金：（见教材：（见教材 P38）组元组元：合金的组成元素：合金的组成元素合金系合金系：相同组元按不同比例所构成一系：相同组元按不同比例所构成一系列不同的合金。如列不同的合金。如Fe与与C按不同比例构成按不同比例构成了各种钢、铁材料了各种钢、铁材料相相（合金相合金相）：（见）：（见 教材教材P43） 组织组织 通过显微镜观察到的固态材料内部的微通过显微镜观察到的固态材料内部的微观形貌，又称为显微组织观形貌，又称为显微组织金相显微镜金相显微镜示例：两种不同组织的显微照片示例：两种不同组织的显微照片 材料的构成层次材料的构成层次组织与性能的关系组织与性能的关系 组织决定了材料的

49、性能，可以通过改变组织决定了材料的性能，可以通过改变材料的组织结构来改变材料性能材料的组织结构来改变材料性能元素（原子）元素（原子）分子分子相相组织组织材料材料材料构成的层次材料构成的层次 合金的相结构合金的相结构基本的合金相及其分类 固溶体固溶体 合金中的基本相合金中的基本相固溶体：固溶体：溶质、溶剂：溶质、溶剂：间隙固溶体：间隙固溶体：置换固溶体：置换固溶体： 溶解度：溶质溶入溶剂的量溶解度：溶质溶入溶剂的量有限固溶体：溶解度有限的固溶体有限固溶体：溶解度有限的固溶体无限固溶体：溶解度无限的固溶体无限固溶体：溶解度无限的固溶体固溶强化：固溶强化： 固溶体的性质固溶体的性质溶质原子与溶剂原子

50、直径比小于溶质原子与溶剂原子直径比小于0.59时才能形成间时才能形成间隙固溶体，溶质通常都是一些原子半径小于隙固溶体，溶质通常都是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素，如的非金属元素，如H、C、O、N等等间隙固溶体永远都是有限固溶体间隙固溶体永远都是有限固溶体溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置靠近、溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置靠近、晶格类型相同、原子半径差越小的元素，溶解度晶格类型相同、原子半径差越小的元素，溶解度越大，越容易形成无限互溶的置换固溶体，如越大，越容易形成无限互溶的置换固溶体，如Mn、Cr、Si、Ni、Mo等都能与等都能与Fe形成置换固溶体形成置换固溶体晶格畸变导

51、致的固溶强化，是金属材料强化的重晶格畸变导致的固溶强化，是金属材料强化的重要途径之一要途径之一对力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固对力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相溶体作为最基本的组成相 金属化合物金属化合物 合金中的强化相合金中的强化相原子结合形式：化合原子结合形式：化合具有一定的金属性质，如导电性具有一定的金属性质，如导电性熔点高、硬而脆、塑性韧性差熔点高、硬而脆、塑性韧性差最常见的金属化合物：最常见的金属化合物：Fe3C 合金的组成合金的组成单相或多相复合单相或多相复合大多数工业合金均为固溶体加少量化合物大多数工业合金均为固溶体加少量化合物构成的混合物

52、构成的混合物改变组成相的比例，改变其中固溶体中溶改变组成相的比例，改变其中固溶体中溶质溶剂的比例，改变化合物的形态、大小质溶剂的比例，改变化合物的形态、大小及分布等，都可以改变合金的性能及分布等，都可以改变合金的性能 3.2 3.2 二元合金相图二元合金相图合金的结晶与相图合金的结晶与相图合金的结晶合金的结晶与纯金属结晶类似：形核、长大与纯金属结晶类似：形核、长大 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 相图的基本概念相图的基本概念相图，又称为平衡相图或合金状态图相图，又称为平衡相图或合金状态图相图中的点、线、区域相图中的点、线、区域用图形的方式表明合金系中各种不同合金用图形的方式表明合金系中各

53、种不同合金的状态、组织、温度和成分之间的关系的状态、组织、温度和成分之间的关系 相图的作用相图的作用分析合金系中不同成分的合金在升温或降分析合金系中不同成分的合金在升温或降温时的相、组织等的变化情况温时的相、组织等的变化情况可对不同温度下各相、组织等作定量计算，可对不同温度下各相、组织等作定量计算，定量分析合金的组成物（一般了解）定量分析合金的组成物（一般了解）可根据相图对合金材料在使用温度下的相可根据相图对合金材料在使用温度下的相及组织情况进行分析判断，从而预测合金及组织情况进行分析判断，从而预测合金的性能的性能是制定合金熔炼、铸造、锻造、热处理等是制定合金熔炼、铸造、锻造、热处理等工艺的重

54、要依据工艺的重要依据 3.3 3.3 二元匀晶相图二元匀晶相图二元匀晶相图二元匀晶相图匀晶相图中的特征点、线、区匀晶相图中的特征点、线、区包括：纯金属的熔点、液相线与固相线、包括：纯金属的熔点、液相线与固相线、液相区、固相区与液固两相区等液相区、固相区与液固两相区等 什么合金会形成匀晶相图什么合金会形成匀晶相图两组元在液、固两种状态都能无限互溶的两组元在液、固两种状态都能无限互溶的合金。如：合金。如：Cu-Ni, W-Mo等等 运用相图分析成分运用相图分析成分由相图可分析两相共存时由相图可分析两相共存时每个相的成分每个相的成分百分比百分比、以及、以及每个相的相对质量比每个相的相对质量比(杠杆杠

55、杆定律定律)偏析的概念：合金中各组元在空间分布偏析的概念：合金中各组元在空间分布不均匀的现象称为偏析。不均匀的现象称为偏析。 3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图二元共晶相图二元共晶相图 相图分析相图分析点：纯金属熔点、共晶点、点：纯金属熔点、共晶点、线：液相线、固相线、共晶线、最大溶解线：液相线、固相线、共晶线、最大溶解度线度线区：单相区、两相区、三相区区：单相区、两相区、三相区 共晶转变（共晶反应）共晶转变（共晶反应）共晶转变过程共晶转变过程共晶转变式共晶转变式共晶转变的产物：共晶组织（共晶体）共晶转变的产物：共晶组织（共晶体） NMtEEL)( 什么合金会形成共晶相图什么合金会形成共

56、晶相图两组元在液态时无限互溶、在固态时有两组元在液态时无限互溶、在固态时有限互溶的合金。如：限互溶的合金。如：Pb-Sn, Fe-Fe3C等等 3.5 3.5 二元共析相图二元共析相图二元共析相图二元共析相图相图分析：相图分析：点：纯金属的同素异晶转变点、共析点：纯金属的同素异晶转变点、共析点、点、线：开始转变线、转变结束线、共析线、线：开始转变线、转变结束线、共析线、最大溶解度线最大溶解度线区：单相区、两相区、三相区区：单相区、两相区、三相区 共析转变（共析反应）共析转变（共析反应）共析转变过程共析转变过程共析转变式共析转变式 共析转变的产物：共析转变的产物：共析组织（共析相）共析组织（共析

57、相）共析组织的特点共析组织的特点比共晶组织更加比共晶组织更加弥散细小弥散细小存在较大内应力存在较大内应力edtcc 什么合金会形成共析相图什么合金会形成共析相图固态二元合金中，两组元在高温时无固态二元合金中，两组元在高温时无限互溶、低温时有限互溶的合金，形限互溶、低温时有限互溶的合金，形成二元共析相图成二元共析相图 3.6 3.6 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系工艺性能及影响因素工艺性能及影响因素影响铸造性能的因素影响铸造性能的因素：流动性、缩孔、偏：流动性、缩孔、偏析等它们均与结晶温度范围有关，分析见析等它们均与结晶温度范围有关，分析见后面后面 影响压力加工性能的因素影响压力加工性

58、能的因素：塑性、韧性单：塑性、韧性单相固溶体较好，两相混合物较差相固溶体较好，两相混合物较差影响切削加工性能的因素影响切削加工性能的因素：强度、硬度两：强度、硬度两相混合物较好，单相固溶体较差相混合物较好，单相固溶体较差 共晶相图共晶相图匀晶相图匀晶相图相图与性能的关系相图与性能的关系与晶格畸变有与晶格畸变有关关 ，畸变越大，畸变越大则强度越高则强度越高与结晶温度范围与结晶温度范围有关，范围越小有关，范围越小流动性越好流动性越好与结晶温度范围与结晶温度范围有关，范围越小有关，范围越小分散缩孔少而集分散缩孔少而集中缩孔多中缩孔多单相区与晶格单相区与晶格畸变有关，双畸变有关，双相区与各相占相区与各

59、相占比例有关比例有关同左边对匀晶同左边对匀晶相图的分析相图的分析单相区单相区双相区双相区共晶组织细密共晶组织细密强度硬度较高强度硬度较高 第第4 4章：铁碳合金章：铁碳合金4.1 4.1 纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变工业纯铁同素异晶转变式工业纯铁同素异晶转变式 同素异晶转变同素异晶转变概念：固态金属在温度变化时由一种晶概念：固态金属在温度变化时由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象，体结构转变为另一种晶体结构的现象，称为金属的同素异晶转变称为金属的同素异晶转变它是一种固态下的晶格重新构建，类似它是一种固态下的晶格重新构建，类似于液态结晶过程，但比液态结晶需要更于液态结晶过程，但比液态

60、结晶需要更大的过冷度（即更大的动力）大的过冷度（即更大的动力）同素异晶转变后，金属的性能会发生较同素异晶转变后，金属的性能会发生较大改变，同时可能会出现一些缺陷，如大改变，同时可能会出现一些缺陷，如应力、变形等应力、变形等金属是否具有同素异晶转变特性与金属金属是否具有同素异晶转变特性与金属本身特性有关本身特性有关常见的具有同素异晶转变特性的金属有常见的具有同素异晶转变特性的金属有铁、钛、锰、铬等铁、钛、锰、铬等 4.2 4.2 铁碳合金的基本组成铁碳合金的基本组成铁碳合金的组元铁碳合金的组元铁铁塑性、韧性好，但强度低，很少直接塑性、韧性好，但强度低，很少直接用作机械零件用作机械零件同素异晶转变