工程材料及机械制造基础I(1)

1、工程材料及机械制造基础 I工程材料绪绪 论论0.1 材料与人类文明材料与人类文明 材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。 二、人类发展与材料人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史： 石器时代陶器青铜器铁器钢铁（资本主义大工业时期）合成材料（20世纪）复合材料（20世纪40年代）三、材料科学技术现代文明的支柱之一v人与动物的区别：v1、制造工具（本质）v2、能源的利用v3、信息的传播和保存v支撑人类文明大厦的四大支柱技术：v材料科学与技术v生物科学与技术v能源科学与技术v信息科学与技术0.2 材料与机械工程材料与机械工程一、机械设计与材料二、机械制造与

2、材料三、机械产品的失效与材料v小结：材料贯穿于机械工程的始终0.3工程材料的分类工程材料的分类 v一、按来源分为天然材料和人工材料v二、接用途分为功能材料和结构材料v三、按化学性质分为： 金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 四、工程材料的常见分类v1 无机材料（金属、 金属间化合物、无机非金属材料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷）v2 有机材料（有机天然材料、有机合成高分子材料）v3 复合材料 （金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能v表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能v1. 使用性能 物理、化学、力学性能v2. 工艺性能

3、铸造、锻、焊、切削等第一节 静载荷条件下材料的力学性能 一、静拉伸试验及材料的强度与塑性 v1.弹性极限 v2.材料刚度简称刚度（或刚性），即材料力学中的弹性模量。是指金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力。它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标，用符号E表示。（二） 材料强度v1.屈服点屈服强度s和条件屈服强度0.02 a: s=Ps/Fo （s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。） b: 0.02条件屈服强度 （中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。） 脆性材料：b=s 灰口铸铁 v2.抗拉强度 b=Pb/Fo 材料被

4、拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。（三）材料的塑性v1.伸长率 Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)v2断面收缩率y =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%d ,y 越大，塑性愈好dKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。v KIKIC时，裂纹处于临界状态v KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。v KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。v4应用 断裂韧性是强度

5、和韧性的综合体现。v（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KIKIC ，失稳扩展。v（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。v（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。5 Titanic沉没原因沉没原因12 工程材料的其它性能工程材料的其它性能一、热学性能 材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。 v1热膨胀原子（或分子）受热后平均振幅增加v（1）体积膨胀系数v（2）线膨胀系数v结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。v2热传导自由电子的运动和晶格振动。v导热系数：单位温度梯度下，单位时间内通过单

6、位垂直面积的热量：v3热容：v材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。v一克物质的热容也叫比热。二、电学性能导电性vRLSv电阻率：v电导率：1/v超导体：0v导体：=10-8-10-5 v半导体：=10-5-107v绝缘体：=107-1022三、磁性v1物质接磁性分类：v抗磁性物质v顺磁性物质v铁磁性物质v2磁化率v磁化强度MXH X：磁化率（或磁化系数）v3导磁率 BH （：介质导磁率）v4磁弹回线和矫顽力v四、比重和熔点v1比重v2熔点v五、耐磨性能v六、抗蚀性能第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构v金属的晶体结构指的是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显微组织特性和

7、材料的宏观性能。 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识v（一）基本概念 v1.晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵v2.晶胞：代表晶格特征的最小几何单元体v3.晶格参数与晶格常数v在晶体学中，用来描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角、共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。v（二）金属中常见的晶格v 法国晶体学家布喇菲曾用数学方法计算出晶体有十四种空间点阵，可分为七大晶系。可构成几乎是无数种具体的晶体结构。对于金属材料多属于立方晶系和六方（角）晶系。在金属材料中最常见的晶格只有三种

8、。 v1.体心立方晶格BCC Body-Centered Cubev体心立方晶格属于立方晶系。v体心立方晶格金属：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等。v晶格参数：a=b=c; =900。v立方体八个角上各有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方晶胞中原子个数为两个，即1/88+1=2个。v2.面心立方晶格FCC Face-Centered Cubev面心立方晶格也属于立方晶系。v面心立方晶格金属：铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、锰、铅等。v晶格参数：a=b=c；=900。v在晶胞的八个角上各有一个原子，立方体的六个面的面心各有一个原子。每个面心立方晶胞中有四个原子，即1/88+1/26=4个。v3

9、.密排六方晶格HCP Hexagonal Close-Packed v密排六方晶格属于六方（角）晶系。v属于密排六方的常用金属有：镁、锌、铍、钛、镉等。v晶格参数：a=bc；=900；=1200。v在六棱柱晶胞十二个角上各有一个原子，两个端面内各有一个原子，晶胞内部有三个原子。每个密排六方晶胞中有六个原子，即1/612+1/22+3=6个。（三）晶格的致密度v定义：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。v经过计算可知：体心立方晶格的致密度为0.68；面心立方晶格和密排六方晶格的致密度都是0.74。晶格致密度也称作晶格密积因数。 BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶面指数和晶向指数（四）

10、晶面指数和晶向指数v1.晶面指数的确定方法v 1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴），坐标原点可以选在结点上，但不便选在待标定的晶面上。v 2)以晶胞的棱长a、b、c为相应坐标轴的度量单位。测量出待标定晶面对坐标轴的截距例如：某晶面的截距分别为、2、-1。；v 3)取各截距的倒数，并按比例化为最小整数。上述的截距倒数是1/, 1/2, -1/1，化为最小整数为0, 1、-2。v 4)将这三个最小整数依次写在圆括号内，数之间不用标点隔开，负号改写在相应数字的顶部。即（0 1 ）就是这个待定晶面的晶面指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。2v2.晶向指数的确定方法v 1)以晶胞的棱

11、边作为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴），原点选在待定晶向的直线上。v 2)以棱长a、b、c分别为相应坐标轴的度量单位，求出待定晶向上某点（任选）的三维坐标值。如：-2、2、0。v 3)将坐标值按比例化为最小整数，并依次写在方括号内，数间不用标点隔开，负号改写到数的顶部。则上例为（ 1 0）就是这个待定晶向的晶向指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶向。v 对于立方晶系常用晶面是（100）、（110）、（111）。常用晶向是100、110、111，。v 对于六方晶系，由于它的结构形式不同于立方晶系。其晶面指数和晶向指数需用四个数字来表示。1v 3.晶面族与晶向族 凡是晶面指数中各个数字相同但是符号不

12、同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的，具有相同的原子密度和性质。这些晶面被称之为一个晶面族。v如：（110）、（101）、（011）、（10 ）、（ 10）、（0 1）六个独立的晶面就组成了一个晶面族。其晶面族指数记为110。同样道理，原子排列密度完全相同的晶向也可组成一个晶向族。如：111、1 1、 11、11 四个晶向组成一个晶向族。这个晶向族指数记为111 v另外，在立方晶系中，凡是晶面指数与晶向指数相同的晶面与晶向都保持着垂直关系。例(111)111、(110) 110、(100) 100。 111111（五）晶体的各向异性v在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不

13、同，使原子间的相互作用力也不相同。在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。v晶体分为单晶体和多晶体。 所谓单晶体是晶体内各处晶格位向是一致的晶体。多晶体是晶体内晶格位向不相同的晶体。二、纯金属的实际晶体结构v实际金属通常都不是单晶体。而是由许多相当于单晶体的微小晶粒和晶体缺陷组成的多晶体。v（一）晶粒与亚晶粒v在金属晶体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称之为一个晶粒。v在每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多晶格位向差小于20、30的更小的晶块。这些小晶块内部晶格位向完全一致。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。（二）晶体中的

14、晶体缺陷v1.点缺陷v点缺陷是指以一个点为中心，在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子、置换原子、晶格空位三种。 v2线缺陷v位错：晶体中某一列或若干列原子发生了生了有规律的错排现象。v位错密度 v3面缺陷v晶体的面缺陷，主要是指晶界和亚晶界。 第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构v 一、基本概念v1.合金v一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料v2.组元v组成合金的最基本的、能独立存在的物质，简称元。v3.合金系v有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。v4.相v在合金中，凡是化学成分相同

15、、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒。但是，一个晶粒之中只能是同一个相。v5.显微组织v在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。二、合金的相结构 （一）固溶体v合金结晶成固态时，含量少的组元（溶质）原子分布在含量多的组元（溶剂）晶格中形成一种与溶剂有相同晶格的相，称为固溶体。 1.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体，称为间隙固溶体。间隙固溶体对溶质溶解都是有限的，所以都是有限固溶体。间隙固溶体中，溶质原子的排列是无秩序的，所以也都是无序固溶体。v2.置换固溶体v溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置，而形成的固溶体，称置换

16、固溶体。在有色金属合金中和合金钢中都存在着置换固溶体。v置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体两类。v3固溶体的溶解度v溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度。溶质在固溶体中的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。不同固溶体的溶解度不相同。同一种固溶体随温度升高溶解度也增加。4.影响固溶体的晶体结构和溶解度主要因素v(1)原子直径因素v当溶质与溶剂的原子直径相差较小时易形成置换固溶体，而且直径差愈小，其溶解度也会愈大。v(2)负电性因素v所谓负电性是指某元素的原子从其它元素原子夺取电子而变成负离子的能力。 v(3)电子浓度因素v在合金中，价电子数目e与原子数目n之比称为电子浓度。 v(4)晶

17、体结构因素v(5)温度因素v5.固溶体的性能v随着溶质含量的升高，通常都会使固溶体的强度、硬度升高；塑性、韧性下降；电阻率、磁矫顽力升高。v通常把溶人溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称之为固溶强化。v其它强化方法主要有：细晶强化、第二相弥散强化、热处理相变强化、加工硬化等。 （二）金属化合物v合金中，当溶质组元的质量分数超过固溶体的溶解度将会产生新相。这个新相可能是一组元为溶剂的另一种固溶体。也可能产生一种晶格结构不同于任一组元的化合物。如Fe3C, FeS, MnS;黄铜中的相(CuZn)等。v若化合物的结合键中有一定程度的金属键则该化合物就具有一定的金属性质。这种具有金属性

18、质的化合物被称之为金属化合物。v在合金中，金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。v按照金属化合物形成的条件可分为三大类。 正常价化合物、电子化合物、间隙化合物v1.正常价化合物v这是一种符合化合物原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。v2.电子化合物v特点：v（a）电子化合物的晶体结构主要取决于电子浓度。v（b）电子化合物虽然可以用化学式来表示，然而其化学成分通常并不是一个固定值，而是可以在一定范围内变化的。v（c）电子化合物及其固溶体都是金属键结合，具有明显的金属特性，并且溶点、硬度均较高，塑性很低。 v（d）

19、电子化合物晶格中，各组成元素的原子间多呈无序分布状态。但有些电子化合物在缓慢冷却时也可变成有序分布，出现有序化转变现象。v3.间隙化合物v这是一种以原子直径较大的过渡族金属与原子直径很小的非金属原子组成的化合物。非金属原子有规则的嵌人金属元素晶格的间隙中，所以称为间隙化合物。v它可分为两类：v(1) 间隙相v当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0. 59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相。 v(2)复杂结构的间隙化合物v当非金属原子直径与金属原子直径之比大于0. 59则不能产生间隙相，而产生复杂晶格结构的间隙化合物。第三章 金属的结晶与二元合金相图 v金属由液态冷凝成固态的过程是一种结晶

20、过程v结晶就是指晶体材料的凝固v结晶之后得到的金属材料显微组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。 第一节 金属结晶的基础知识 v一、金属结晶的温度与过冷现象v过冷度（T）：理论结晶温度与实际结晶温度之差 对于纯金属其过冷度T=Tm-T1，。金属的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这种现象称过冷现象。v自由能差是金属结晶的动力学条件 v当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利地结晶。两者缺一不可。 v二、金属的结晶v（一）金属结晶的一般过程 金属结晶的过程包括成核和长大两个基本过程，而且，这两个过程同时进行。 （二）晶核的形成 分为均匀（自发）成核和非均

21、匀成核。n均匀成核（自发成核）：在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫。 临界晶核半径 式中新固相界面单位面积的界面能； Tm金属的熔点（热力学温度）； L单位体积的熔化潜热； T过冷度（热力学温度）。 TLT2mcv非均匀成核（非自发成核）：依附于母相中某种现成界面而成核的过程。 非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小得多。现成界面配状态（表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等）影响着非均匀成核的能力。v成核率(N)：指在单位时间和单位母相体积内所形成的晶核数目。 成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。v（三）晶核的长大v 实质就是晶核的固体界面向母相内不断地推进。 v长大方式：v一类是非

22、金属晶体、少量纯金属和金属化合物（如：SiGe, Sb, CuAl2, Cu2Sb等）是以“生长台阶”形式长大。v另一类是绝大多数的纯金属及合金都是以树枝状的枝晶形式长大。 （四）金属结晶后的晶粒大小1 晶粒度：单位截面内晶粒数目的多少 单位面积内的晶粒数ZS与成核率N和长大率G有如下的经验关系式 GN1 . 1Zs2 控制晶粒度的因素v提高过冷度v过冷度，N，GN/G增大，细化v变质处理v在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。v振动，搅拌等三、金属铸锭的铸态组织及缺陷v 在工业生产中，金属结晶主要涉及五个方面的应用。铸锭、铸件、金属粉、焊接、热浸镀层。金属

23、凝固结晶后的组织统称铸态组织。 第二节 合金结晶与二元合金相图 v相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。v相图是表示在平衡状态下的化学成分、相、组织与温度的关系图。 一、二元合金相图的测画二、二元合金相图基本类型及合金的结晶过程（一）匀晶相图产生单一固溶体相的合金相图1.匀晶相图分析 v两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系匀晶相图（L），Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Agv（1）相图分析v液相线 固相线 L L+v（2）匀晶转变的结晶过程vLL+ v（3）匀晶转变的特点va.形核、长大 ，树枝状长大vb.变温过程vc.两相区内，温度一定，成分确定v

24、d.两相区内，温度一定，两相相对量一定v2.枝晶偏析 v 不同温度下结晶出来的相成分是不同的，温度高时结晶出来的相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的相含镍少。v 由于在实际生产中冷却速度较快（不能保证平衡态），原子扩散迁移滞后于结晶，相化学成分的均匀性得不到保证。v 这时就会在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。称为晶内偏析。v 因为相是以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干及枝间就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。 3.杠杆定律v设合金I在t1时Ni含量为X, L相的Ni含量为XL，L相相对质量百分数为QL，相的Ni含量为X，相相对的质量百分数为Q，可以得到如下两个等式v QLQ=1v

25、QLXLQX=Xv解这个二元一次方程得：LLXXXXQLLXXXXQv3.杠杆定律的应用v可以适用于任何二元相图的任何一个两相区中相的相对质量百分数的计算。v若从金相显微镜下测出一个双相合金的相的相对截面积比（近似等于质量比），并已知各相的合金元素质量分数就可以用这个公式估算出该合金的化学成分。 （二）共晶相图具有两相机械混合物的合金相图 v在二元合金系中，组元在液相时无限互溶，在固相时则有限互溶，并且在结晶过程中以共晶转变为主的相图就是共晶相图。如Al-Si, Pb-Sb, Pb-Sn, Ag-Cu等合金系在结晶时都是以共晶转变主。 1 相图分析v液相线：AEBv固相线：AFEGBv共晶线：

26、FEGv共晶转变：vLEF+Gv单相区有三个，它们是L、，v两相区也有三个L+, L+、+v三相共存区有一个，即共晶线FEG。在共晶转变过程中L、三相可以同时存在。 2.典型合金的结晶过程v(1)固溶体合金N的结晶过程剩LL1S3SLIIS4Lv(2)共晶合金M的结晶过程MGFC183M)(L MDCMGF)()( 室温v(3)亚共晶合金K的结晶过程剩LLIS2EGFC183)(L 剩IIIEGF)()(II)(II亚共晶室温组织过共晶室温组织3.体积质量偏析v原因：v 在共晶合金系中，亚、过共晶合金结晶时，先结晶出来先共晶相（如：Pb-Sn合金中I或I相）其体积质量与剩余液相不同。如果冷却速

27、度很慢，就可能出现先共晶相的上浮或下浮，而使整个铸件上部与下部化学成分不同。v减少这种偏析工艺措施：v 尽量选用靠近共晶点成分的合金以减小结晶温度区间；结晶时冷却速度尽量快些，浇注时注意搅拌以破坏先共晶相的上浮或下沉等等工艺措施都是有效的。（三）包晶相图具有液固两相共同转变成为另一固相的合金相图。 v在一定温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相相互用产生一种新固相的结晶转变。包晶转变也是常见的一种合金结晶方式。具有包晶转变的金系有Ag-Sn, Ag-Pt, Cu-Zn, Cu-Sn等。1.相图的分析v (1)主要相变线vACB为液相线vAPDB为固相线vPE和DF分别是Ag在Pt中和Pt在Ag中的溶解度曲线vPDC是包晶转变线。v (2)主要相变点vA点为Pt