工程材料及制造基础第一讲金属材料主要性能和晶体构造

自我介绍:１．《工程材料及机械制造工艺基础》２．《机械制造工艺课程设计》科研方向：１．零件成形工艺的设计和优化；２．新材质的开发与钢的热处理）；３．毛坯制造技术的开发与研究；（尤其铸铁的研究）；４．冶金实验设备的设计与自动控制的开发。1《工程材料及机械制造工艺基础》介绍四方面内容：一．金属材料的基础知识；二．铸造＿金属成形的一种方法；三．锻造＿金属的压力加工；四．焊接＿金属间永久性连接；五．切削加工＿使零件获得一定形状和尺寸要求；2建议学习方法：１．理解和记忆名词术语；２．抓住各章节之间的联系；３．多看书，认真听，多找老师！3第一讲金属材料主要性能和晶体构造

MainPropertiesandStructureofMetalMaterial一、金属材料性能

Propertiesofmetalmaterial二、金属晶体构造

Structureofmetalmaterial

1、晶体结构2、金属结晶过程4金属材料性能(Propertiesof

MetalMaterial)（1）使用性能：(Application)机械性能（或力学）：强度、硬度、塑性和韧性等。物理性能：密度、导热和导电率等。化学性能：抗氧化、耐腐蚀性等。（2）工艺性能：(Technology)铸造、锻造、焊接及热处理性能切削加工性能5机械性能：受外力时材料所表现的特性。

MechanicalProperties1、弹性和塑性（ElasticityandPlasticity)（1）弹性：除去外力材料能恢复原状。弹性极限：产生弹性变形的最大应力。σe=Pe/Fo(Pa)（2）塑性：材料受外力产生永久变形的能力。衡量：(Ductility)延伸率：δ=（L1-Lo)/Lo*100%截面收缩率：Ψ=(Fo-Fk)/Fo*100%屈服极限：材料开始产生塑性变形时应力。σs=Ps/Fo(Pa)6图1：低碳钢拉伸曲线StrainStress7

2、刚性与强度：（RigidityandStrength)（1）刚性：材料抵抗弹性变形能力。衡量：弹性模量E（拉伸曲线OE段斜率）（2）强度：材料抵抗变形或断裂能力。抗拉、抗弯、抗扭、抗剪和屈服强度等。b点处应力为抗拉强度：σb=Pb/FoPas点处应力为屈服强度：σs=Ps/FoPa注意：σs、σb为工程上常用指标。83、硬度：Hardness指材料抵抗更硬物体压入其内的能力。据测试方法不同有：布氏硬度（HB)Brinell

洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)Rockwell

9图2：布氏、洛氏硬度测试方法104、冲击韧性：ImpactToughness材料抵抗或承受冲击载荷能力。衡量：单位面积的冲击功,αk=Ak/F(J/m2)图3：冲击韧性的测试方法115、疲劳强度：(FatigueStrength)钢铁循环107以上材料不破坏最大应力。有色金属循环108以上。图4：疲劳曲线12金属晶体构造(StructureofMetalMaterial)一、晶体结构(CrystalStructure)1、晶体：①原子按一定顺序呈有规则的排列。②具一定的凝固点和熔点。③各向异性。2、晶格：(Spacelattice)

表示原子排列规则的空间格子。3、晶胞：(unitcell)

组成晶格的最基本几何单元。4、晶格常数：(constant)晶胞各边长度。

13

金属典型的三种晶格类型：（Representative）1、体心立方：（BodyCentredCubic）

铬、钼、α-Fe和钨等金属。2、面心立方：（Face）

铜、铝、银、γ-Fe和金等金属。3、密排六方：（HexagonalClosePacked）

铍、镁、锌、α-钛等。晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。14图5：金属材料晶体结构、晶格及晶包1516二、金属结晶过程(SolidifyingProcess)（录像）1、结晶：金属从液态转变为固态。（1）过冷：金属在理论结晶温度以下结晶。（2）过冷度：△T=T理论结晶－T实际结晶注意：△T不是恒定，V冷越快，△T越大。172、结晶有形核和长大过程（NucleationandGrainGrowth)（1）形核：

自发晶核：原子自发聚集在一起。非自发晶核：依靠外来的固体质点。（2）长大：按晶格规律液体原子向晶核聚集过程。总之，金属的结晶过程包括形核与长大；它们既是交替进行的，又是同时存在的。18三、有关晶粒、晶粒度知识晶粒：由一个晶核长成的小颗粒晶体。多晶体：（multi-由许多晶粒组成的晶体。晶界：晶粒间界面。单晶体：

（single-由一个晶核长成的晶体。单晶锗和硅。注意：工业上绝大多数金属都属于多晶体。晶粒度：晶粒的大小。金属的晶粒越细小，其综合性能越好。19图7：单晶体与多晶体20细化晶粒方法：（1）凝固时采取变质处理或孕育处理，（2）快速冷却，提高过冷度；（3）用机械振动、超声波振动或电磁搅拌等手段打碎枝晶成为晶核。（4）在固态下，可用热处理和压力加工的方法细化。如：铁、锡和锰，均可用加热来改善性能。注意：钢的热处理原理来自铁的同素异晶性21四、金属同素异晶转变：

AllotropicTransformationofMetal1、概念：金属晶格类型随温度改变而重新排列的过程。

2、与结晶类似：存在过冷、包括形核和长大两个过程、转变时有吸收或放出潜热。所以又叫重结晶或二次结晶。3、同素异晶（构）性：具有同素异晶（构）转变的性质。22图8：纯铁同素异晶转变曲线23五、合金结构(StructureofAlloy)1、合金概念：以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属元素，经熔合而形成具有金属特性的物质。（1）组元：组成合金的元素。（2）相：化学成分和晶格形式相同，并与其周边成分或晶格形式有界面分开的均匀组织。2、合金基本组成物（constitute）24（1）固溶体：溶质原子溶入溶剂，晶格类型等同溶剂。按溶解度：分有限和无限固溶体；按溶质原子位置：分置换和间隙固溶体；固溶强化：因晶格畸变使金属的强度和硬度提高。（2）金属化合物：合金各组元间发生化学反应，形成有金属特征的新物质。25置换和间隙固溶体26钢中Fe3C、黄铜中CuZn等均属金属化合物。特点：具有熔点高、硬度高和脆性大。

非金属化合物：不具有金属特征的化合物。如，FeS（3）机械混合物：组元间既不互溶，又不形成化合物，而是按重量比混合形成新物质。组成：纯金属、固溶体和金属化合物等。注意：工业上常用合金均含机械混合物。27六、二元合金相图

EquilibriumDiagramofBinaryAlloy研究二元合金的成分、温度和组织间变化规律。获得：通过测定一系列冷却曲线如图9。图9：Pb-Sb二元合金共晶相图28总结一、金属材料的五大机械性能：

1、弹性和塑性；2、刚性与强度；3、硬度；

4、冲击韧性；5、疲劳强度二、金属晶体构造

1、晶体结构：晶体、晶格、晶胞、晶格常数

2、金属结晶过程：过冷、过冷度、形核、长大、单晶体、多晶体、晶粒度、重结晶、二次结晶、合金、合金基本组成物29QUESTIONS:1.DefineStrength2.ExplaintheBrinellHardnessTestBriefly30专业词汇：金属材料性能：Propertiesofmetalmaterial金属晶体构造：Structureofmetalmaterial使用性能：PropertiesforApplication机械性能：MechanicalProperties弹性和塑性：ElasticityandPlasticity刚性与强度：RigidityandStrength硬度：Hardness冲击韧性：ImpactToughness疲劳强度：FatigueStrength31晶体结构：CrystalStructure晶格:Spacelattice晶胞:UnitCell体心立方：BodyCentredCubic面心立方：FaceCentredCubic密排六方：HexagonalClosePacke