工程材料及成形工艺 课件 第1章 金属结构及性能

工程材料及成形工艺第1章金属结构及性能第2章金属结晶及相图第3章金属热处理及工艺第4章钢铁材料及性能第5章非铁金属与非金属材料第6章金属铸造成形第7章金属锻压成形第8章金属焊接成形第9章机械零件材料及工艺选择第1章金属结构及性能1.1.1单晶体的晶格结构1.1.1.1理想晶体的基本概念（1）晶体及点阵金属晶体是由无数个金属原子或离子，在空间按一定几何规则有序排列而成（见图1-1a），如钢、铁、铜、铝等材料，反之则为非晶体，如玻璃、沥青、石蜡或松香等。1.1金属的晶体结构（2）晶格与晶胞抽象地用直线连接各阵点所形成的空间立体格子称为晶格（见图1-1b），晶格的最小几何单元称晶胞（见图1-1c），连接各阵点所形成的平面称为晶面，阵点组成的任一直线均能代表晶体空间的一个方向称为晶向。1.1.1.2单晶体的晶格形式（1）体心立方体晶格体心立方晶格的每个晶胞均是一个正立方体（见图1-2a），八个顶点上均有一个原子同时被相邻八个晶胞所共有，且每个晶胞实际上只占有1/8个原子，而立方体中心还有一个原子却为每个晶胞所独有（见图1-2b），即每个晶胞的原子数为1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞仍是一个正立方体，如图1-3a所示，除与体心立方相同的八个顶点上均有一个原子外，在六个面的中心还各有一个原子，并被每相邻两个晶胞所共有（见图1-3b），故每个晶胞的实际原子数为1.1金属的晶体结构（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是个六棱柱体，如图1-4a所示，在六棱柱体十二个角上各有一个原子并被相邻六个晶胞所共有，但在上下底面中心各有一个原子而被相邻两个晶胞所共有，同时在晶胞中间还有三个原子却被每个晶胞所独有（见图14b），因此每个晶胞的原子数为1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构1.1.1.3单晶体与多晶体（1）单晶体及其性能原子排列规律相同、晶格位向完全一致的理想晶体称为单晶体，如图1-5a所示，单晶体具有各向异性的特征，即在同一晶体各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，导致原子间距不同，原子间的作用力强弱也不同，因而在晶体的各个方向上具有不同的物理、化学和力学性能。1.1金属的晶体结构（2）多晶体及其性能实际金属晶体中均包含着许多单晶体，每个单晶体内的晶格方位一致，但各单晶体间的彼此方位却不同。1.1.2多晶体的晶体缺陷1.1.2.1点缺陷1.1金属的晶体结构1.1.2.2线缺陷1.1金属的晶体结构1.1.2.3面缺陷1.1.3合金组成及相结构1.1.3.1相结构的基本概念（1）体系与组元体系是指所研究对象的物质总和，例如，研究铁和碳的合金即为Fe-C合金系，研究铁、碳、铬合金即为Fe-C-Cr合金系。（2）相及其结构合金的相是指合金体系中具有相同化学成分、晶体结构、液体或固体状态、性质并与周围物质以明显界面分开组成的均匀部分。（3）相平衡与相变相平衡是指体系内各组成相的性质处于平衡且不随时间而变化的状态，但当合金由一相转变另一相时，化学成分、内部结构和性能均将随温度发生突变，即液态结晶为固态，固态转变为另一固态，统称为相变。（4）合金形成状态与组织合金形成状态是指合金在某种条件下以哪几个相存在，其状态比纯金1.1金属的晶体结构属复杂得多，例如，碳的质量分数为0.45%的碳素钢在850°C以上以单相奥氏体存在，在727°C以下则以双相铁素体和珠光体混合在一起存在。1.1.3.2固溶体与固溶强化（1）固溶体及其分类当合金由液态结晶为固态时，组成元素之间像液态合金一样相互溶解，形成一种与合金中某一组元晶格结构相同的新相称为固溶体。（2）置换固溶体置换固溶体是指溶质原子取代部分溶剂原子而占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体（见图1-8a），一般在溶剂晶格中呈任意、无规则分布，有时在特定情况下也会占据溶剂晶格的一定位置。1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构（3）间隙固溶体间隙固溶体是溶质原子溶入溶剂晶格间隙形成的固溶体（见图1-9a），如钢中的碳溶于𝛼-Fe或𝛾-Fe中即可形成间隙固溶体。（4）固溶强化随固溶体中溶质原子浓度的增加，晶格畸变度增大，使变形时位错移动困难，从而使固溶体强度和硬度升高，物理性能也发生变化，这种现象称为固溶强化。（5）固溶体性能特点实践证明，适当控制固溶体中溶质的种类、配合和含量，可以在显著提高金属材料强度、硬度的同时，仍能保持或改善其良好的塑性和韧性，所以固溶强化是金属材料改性处理的重要途径之一。1.1.3.3金属化合物与弥散强化（1）金属化合物及种类当溶质含量超过溶剂的溶解度时，溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同于任一组元晶格的新物质，称金属化合物。金属化合物按形成条件及结构特点，可分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构（2）间隙化合物及结构间隙化合物是由过渡族金属元素与原子半径较小的C、N、H、B等非金属元素形成的化合物。1.1金属的晶体结构1.1金属的晶体结构（3）金属化合物的弥散强化金属化合物是高合金工具钢的重要组成相，如斜方晶格的渗碳体中铁原子可部分被其他金属原子所置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C等，这类化合物称为合金渗碳体。1.1金属的晶体结构1.2.1强度与刚度1.2.1.1拉伸试验1.2金属的力学性能（1）低碳钢的拉伸曲线图1-11b所示为低碳钢试样的拉力与试样伸长量的对应关系曲线。（2）低碳钢的应力-应变曲线试样在拉伸过程中，材料受到拉力F作用时，其单位面积上的拉力称为应力（stress），用“𝜎”来表示，即1.2金属的力学性能1.2.1.2弹性与刚度（1）弹性极限及计算弹性极限（elasticlimit）是指试样材料产生完全弹性变形（elas-tic

deformation）时所能承受的最大应力值，以𝜎e表示且单位为MPa。（2）弹性模量与刚度在弹性变形范围内，应力与应变（𝜎e/𝜀e）的比值称为材料的弹性模量E，它相当于产生单位弹性应变所需要的应力值，单位为MPa，即1.2金属的力学性能（3）刚度的影响因素弹性模量E的大小主要取决于金属材料的本身性质，它是金属材料最稳定的性能之一，材料的合金化处理、热处理、冷加工成形和局部焊接等均对弹性模量E的影响很小。1.2.1.3静载强度及指标（1）屈服点屈服点是指试样在静止状态下被加载至单位面积上产生屈服点s时的拉力，或在拉伸曲线图和𝜎~𝜀

曲线上出现屈服平台现象时的应力，以𝜎s表示且单位为MPa，屈服点s的位置如图1-11b和图1-11c所示，其计算公式为：1.2金属的力学性能（2）屈服强度金属材料中只有低碳钢和中碳钢等少数金属的拉伸或应力-应变曲线存在屈服现象，而大多数金属材料则无明显屈服点，如调质合金钢、退火铝合金等。（3）抗拉强度抗拉强度是指试样在静止状态下被拉断前加载至最大力时单位面积上所能承受的最大拉力，或拉伸曲线和应力-应变（𝜎~𝜀

）曲线上最高位置点b对应的应力，以𝜎b表示且单位为MPa，如图1-11b和图1-11c所示，其计算公式力：1.2.1.4变载强度及指标（1）疲劳强度疲劳强度（fatiguestrength）是指材料抵抗无数次重复交变外力作用而不破坏的能力，通常用疲劳曲线来描述，如图1-13a所示，它是最常用的变载强度。1.2金属的力学性能（2）高温强度当零件在较高温度下工作时，应通过高温拉伸试验而测定其高温强度。1.2.2塑性与韧性1.2.2.1塑性及其评定（1）塑性概念及其指标塑性（plasticity）是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，许多零件或毛坯需通过塑性变形成形而要求材料有较高的塑性。1.2金属的力学性能（2）塑性评定方法断后伸长率𝛿和断面收缩率𝜓的数值越大，表示金属材料的塑性越好。1.2.2.2韧性及其评定1.2金属的力学性能1.2.3硬度与耐磨性1.2.3.1布氏硬度测试及标注（1）测试方法布氏硬度（Brinellhardness）试验通常是以一定的压力F，将直径为D的硬质合金钢球压入被测材料表面，经过规定的保持载荷时间后卸除载荷，即得到一直径d的压痕，如图1-16a所示。1.2金属的力学性能（2）标注方法生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛坯或半成品件的硬度。（3）硬度与强度的关系通过试验发现，硬度值与抗拉强度𝜎b之间有近似关系，见表1-5所列。1.2金属的力学性能1.2.3.2洛氏硬度测试及标注（1）测试方法洛氏硬度（Rockwellhardness）试验是用一定的试验力F，将顶角为120°的金刚石圆锥体或直径1.588mm的淬火钢球压入被测金属表面（见图1-17a），然后根据压痕的深度确定被测材料的硬度值。1.2金属的力学性能（2）标注方法洛氏硬度的标注方法比布氏硬度简单，但仍是硬度值在硬度代号的前面，如60HRC表示用C标尺所测得的洛氏硬度值60，其单位为MPa，但习惯上仍不用标出。1.2金属的力学性能1.2.3.3维氏硬度测试及标注（1）测试方法维氏硬度（Vickershardness）的测试方法和技术条件可参阅GB/T4340.1—1999。（2）标注方法与布氏硬度的标注方法一样，习惯上也只写出其硬度数值而不标出单位。1.2.3.4耐磨性及其评定（1）耐磨性的分类耐磨性分相对耐磨性和绝对耐磨性两种。（2）耐磨性评定方法耐磨性主要受材料的成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响，通常以体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量作评定材料的三个基本参量。（3）各种材料的耐磨性通常塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料的摩擦磨损性能远远优于金属材料。1.2金属的力学性能1.3.1金属的物理性能1.3.1.1密度与熔点1.3金属的其他性能1.3金属的其他性能1.3.1.2热性能与光性能（1）热性能热性能包括热容、导热性和热膨胀性等，热容包括摩尔热容和比热容，摩尔热容是指1mol（摩尔）的材料温度升高1K所需的能量，而比热容则是指单位质量材料的温度升高1K所需的能量，二者之间的关系为：比热容c=摩尔热容/摩尔质量1.3金属的其他性能（2）光性能光性能是指材料受到光波或能量粒子的辐射时所能呈现出的反应特性。1.3.1.