机械工程材料0-2

机械工程材料

宋晓国哈尔滨工业大学(威海)，材料科学与工程学院

songxg@材料材料是可用于制造器皿、结构的原料。材料是具有结构、光、磁、电的用途的物质。材料是能为人类社会经济制造有用器材(或物品)的物质。肖纪美.材料的定义及材料学的划分.材料科学与工程学报.2006/04材料是人类从事生产和生活的物质基础。材料的发展与人类社会简图材料的发展水平和利用程度是人类文明进步的标志按组成与结合键分：

1、金属材料

2、高分子材料

3、陶瓷材料

4、复合材料机械工程材料是用于机械工程、电器工程、建筑工程等领域的材料。以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属：铁、锰、铬及其合金等

有色金属：轻金属,重金属,贵金属,稀有金属

金属材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类

陶瓷材料以分子键和共价键为主耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等

分子键共价键高分子材料金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料

玻璃纤维增强高分子复合材料复合材料把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。材料的性能包括使用性能和工艺性能使用性能：在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能；指机械性能、物理性能和化学性能等；工艺性能：材料的可加工性；包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理及切削性能。性能车身—构件用钢较好的冷冲压性能增压柴油机曲轴高的疲劳极限、冲击韧性和表面的耐磨性。曲轴—轴类用钢组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织或宏观组织。放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。钢锭的宏观组织显微组织电镜组织钢的宏观组织、显微组织和电镜组织亚共析钢随含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好化学成分：组成材料各元素在材料中的组成和浓度。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度加工工艺：车、铣、磨…：调整材料形状、尺寸精度压力加工：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织及结构焊接：材料连接，也需考虑焊接部位的组织及结构铸造：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织热处理：可改变组织及结构Steelwith0.4%C

化学成分确定后，加工工艺可改变材料组织和性能研究材料的化学成分、加工工艺、组织、结构与性能(以力学性能为主)之间关系。课程目的：建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，能够合理选材并设计零件加工工艺。1、设计中应该考虑哪些问题？2、按照什么顺序进行考虑？设计中主要考虑：1、根据零件的工作条件判断出它的失效形式，并由此指定零件需要达到的性能指标；2、材料的合理选取(成分，结构，组织)；3、材料的加工工艺和路径。例：齿轮的选材及加工工艺工作条件：高速运转齿轮间存在较大的弯曲应力、接触应力（应力集中于某点）、摩擦力齿轮工作的失效形式：齿根断裂、弯曲疲劳、接触疲劳、剥落与磨损。性能要求：1、齿轮工作表面应坚硬耐磨（针对接触疲劳、剥落与磨损）；2、心部应具有良好的韧性和塑性（针对齿根断裂、弯曲疲劳）。选材与加工工艺：(1)低碳钢渗碳淬火；(2)中碳钢感应加热表面淬火；(3)中碳钢调质处理加氮化处理；(4)热处理后再加表面冷塑性变形(如喷丸等)强化。主要参考书：《机械工程材料》哈尔滨工业大学出版社成绩评定方法：平时成绩占20%(出勤+作业或随堂测试)，课程结束时的期末考试成绩占80%。随机点名，两次不到，平时成绩为0；三次旷课，本门课成绩以0分计！第一篇金属材料基础第二篇工业用钢第三篇铸钢与铸铁第四篇有色金属材料第五篇非金属材料第一篇金属材料基础第一章纯金属的晶体结构与组织第二章二元合金的相结构与组织第三章金属的塑性变形与再结晶应力、介质作用下的性能指标第四章评定金属材料在第一章纯金属的晶体结构与组织第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的结晶与组织第一节纯金属的晶体结构一、晶体结构根据原子聚集态，金属包括：晶体、非晶非晶体：无周期性和对称性的固体，原子或分子无规则排列。晶体：结构具有周期性和对称性的固体，原子或分子排列规则。晶态非晶态SiO2的结构原子结构模型假设：原子静止不动，且为刚性小球刚性小球堆积晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶胞晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c各棱间的夹角用、、表示晶胞以a、b、c为周期，分别沿X、Y和Z方向平移，即得到该晶胞的空间点阵晶胞立方六方四方菱方正交单斜三斜体心立方：室温下的纯铁、铬、钨等面心立方：铜、铝及911-1392oC时的铁等密排六方：铍、镁、锌等金属晶体的三种典型晶胞晶胞形状和大小：棱边长度和夹角。原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。描述晶胞的参数原子半径：原子个数：配位数：致密度：晶格常数：a(a=b=c)体心立方常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等280.68原子半径：原子个数：配位数：致密度：晶格常数：a(a=b=c)面心立方常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等0.74

124原子半径：原子个数：配位数：致密度：晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等0.74126晶格类型体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞常数a＝b＝c

α＝β＝γ＝90oa＝b＝c

α＝β＝γ＝90oa＝b；c/a＝1.633

α＝β＝90o；γ＝120o晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74配位数81212典型金属α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Naγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、PbMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…多晶型δ-Fe

γ-Fe

α-Fe1394℃912℃比容:单位质量晶体的体积。⑴晶面晶体中各方位上的原子面称晶面。表示晶面的符号称晶面指数。晶面与晶向(立方晶系)①确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。求截距为、1、晶面的指数(1)截距值取倒数为0、1、0(2)加圆括弧得（010）画出（112）晶面

取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X(a)、Y(b)、Z三坐标轴上的截距⑵晶向晶体中各方向上的原子列称晶向。表示晶向的符号称晶向指数。①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。acb晶面族与晶向族指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw>表示。（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY[111][111][111][111]XZY说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。XZY(221)[221][110][110]②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。③晶向具有方向性，如[0]与[110]方向相反。三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面密排方向体心立方晶格{110}<111>面心立方晶格{111}<110>密排六方晶格六方底面底面对角线三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格实际金属的晶体结构为多晶体。二、晶体缺陷多晶体：是由许多彼此方位不同的、外形不规则的、小的单晶体组成，这些小晶体称为晶粒。单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。单晶体多晶体单晶体多晶体纯铁组织多晶体：晶粒沿晶断口宏观组织晶体缺陷：偏离晶体理想结构的微观区域，或晶格的不完整部位。

实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点缺陷、线缺陷、面缺陷。①点缺陷

特点：空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子空位：未被原子占据的晶格结点。间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。空位间隙原子大置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲(晶格局部弹性变形)，称晶格畸变。位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为：刃型位错和螺型位错。刃型位错

螺型位错②线缺陷—晶体中的位错刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在上方时，称正位错，用“┴”表示。半原子面在下方时，称负位错，用“┬”表示。平面示意图位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)③面缺陷—晶界、亚晶界及孪晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。单晶体多晶体晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。光学金相显示的纯铁晶界亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。金属中晶体两部分沿某一公共面构成镜面对称的位向关系，公共晶面为孪晶面。孪晶马氏体，又称针状马氏体实际金属的强度远远小于理想金属(理论值)晶体缺陷带来晶格能量增加随金属缺陷的增加，金属强度先降后增。金属材料的物理化学性能随缺陷增加也产生变化例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使抗腐蚀性能降低。晶界光学显微镜下工业纯铁的组织晶界晶面光学显微镜物镜经过物镜的漫射光线一.纯金属结晶的温度条件二.纯金属的结晶过程三.

影响金属铸态组织的因素1.2纯金属的结晶与组织物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。结晶过程是相变过程。纯金属液固两相体积自由能与温度关系ΔT液体和晶体自由能随温度变化T0T1一、纯金属结晶的温度条件当温度大于或小于T0时，相变才可能发生。液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0–T1热分析法金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。

纯金属的冷却曲线过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。金属原子在结晶过程中的自由能变化GLGSGA二、纯金属的结晶过程液相中先形成微小的晶体，即晶核；随后晶核长大而结晶。固体金属结晶过程包括：形核与长大形核方式自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）非均质形核：依附于未溶的固态杂质表面而形核。均质形核：只靠液态金属本身在一定过冷度下形成晶核。晶体生长方式

注：纯金属结晶后由晶粒组成；形核越多，晶粒越细小。每个晶粒以“枝晶方式”长成；最后晶粒的规则形状被破坏。枝干会发生偏斜或折断而产生缺陷。初期，结晶加速进行。晶粒相互接触后，结晶过程趋于缓慢。02468Time/s转变量/%形核率(N)：单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。生长速度(G)：单位时间内晶核生长的线长度。N越大，G越小，晶粒越小。三、影响纯金属铸态组织的因素N，G受过冷度和杂质影响。外来杂质增加形核率，同时阻碍晶体生长。细化晶粒的方法增加冷却速度，导致结晶过冷度增加，使得N较大，从而实现细化晶粒。变质处理：液态金属中加入难熔固体颗粒增加形核率，而细化晶粒的方法。细化晶粒的方法变质剂机械振动等措施也能细化晶粒。电磁含Cu4%的铝合金，凝固后的合金组织。(a)无搅拌；(b)搅拌后不锈钢钢锭的宏观组织。(a)无超声振动；(b)超声振动机械振动等措施也能细化晶粒。第二章二元合金的相结构与组织第一节合金的相结构第二节二元合金相图基本类型及相图分析第四节铁碳合金相图第三节二元合金相图的纯金属机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C)

正火态:σb=610MPa通过合金化改善纯金属的机械性能。铝硅合金显微组织（硅铝分别为合金组元）合金是由两种或两种以上金属元素或金属和非金属组成的具有金属特性的物质。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。合金化是采用合金元素来改变金属性能的方法。第一节合金的相结构合金中凡成分相同、结构相同、聚集态相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。组元、相及组织的关系？固态合金中的相分为固溶体和金属间化合物两类。单相合金两相合金固溶体：合金中组元互相溶解而形成的均匀固相；习惯以、、表示。每种固溶体仅有一种结构；与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。一、固溶体按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体;呈有序分布的称有序固溶体。间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂≤0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。固溶体的溶解度：溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体；组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。间隙式置换式固溶强化：固溶体中晶格畸变较大，随溶质原子增加合金强度和硬度提高。塑性和韧性降低。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物二、金属间化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属间化合物。金属间化合物可用化学式表示，如：MnXm，但一般不遵循化合价规律。金属间化合物熔点高、硬度高，很脆，弥散分布的金属间化合物可提高合金强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物主要有正常价化合物、电子化合物、间隙相和具有复杂晶格的间隙化合物等。正常价化合物：符合正常原子价规律的化合物。Al-Mg-Si合金中的Mg2Si成分固定不变如：Mg2Si、MnS等电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。如CuZn等。Pb基轴承合金中的电子化合物价电子浓度为价电子数与原子数的比值。如：CuZn中，Cu价电子数为1，而Zn价电子数为2，所以CuZn价电子密度为3/2电子浓度为3/2的电子化合物通常呈现体心立方的β相或密排六方结构；电子密度为21/13的电子化合物呈现复杂立方结构的γ相；电子密度为7/4的电子化合物多具有密排六方的ε相。间隙相由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。形成间隙相的尺寸条件是非金属原子半径与金属原子半径的比值≤0.59。WC、VC、TiC、ZrC等属于间隙相。VC的结构当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物，称为间隙化合物。如Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。Fe3C的晶格金属间化合物的晶体结构类型不同于任意组元的晶体结构。除正常价化合物外，其他类型金属间化合物的成分可变；也可形成以金属间化合物为基的固溶体。如：化合物AnBm晶格保持不变，过剩的B置换A，形成缺位固溶体；C也可置换A或B，形成置换固溶体。金属间化合物熔点、硬度高，但很脆。以固溶体为基，弥散分布金属间化合物，可提高强度、硬度和耐磨性，即第二相质点强化或称弥散强化。第二节二元合金相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。也是用图解方法表示不同成分、温度下合金中相得平衡关系（组成相的关系）。热分析法寻找不同成分合金的相变点！二元相图的建立步骤为：1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。3.

将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。

Cu-Ni合金相图温度在液相线以上时，合金为液态(L);温度在固相线以下时，合金为固态(α);温度在固相线和液相线之间的区域，为固液混合区(α+L)。结晶开始点连线叫液相线。结晶终了点连线为固相线。二元合金相图：匀晶相图、共晶相图和包晶相图匀晶相图LL+成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线tAtB12从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。两组元在液态和固态下完全互溶，发生匀晶反应时所构成的相图称作匀晶相图。第三节二元合金相图的基本类型及相图分析

纯金属的冷却曲线两者差别？？任意温度下固相量和液相量？？固相或液相内溶质浓度？？处于两相区的合金，由相图可知道两平衡相的成分，用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。12t①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。

QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(