机械工程材料 课件 高红霞 第1-3章 金属机械性能、金属组织结构、塑性变形改性

《工程材料》《工程材料》◆工程材料性能直接决定机械产品的性能。矿山破碎机颚板汽车刹车片的耐磨性◆工程材料性能也能决定机械产品的创新。魔力水车

卫星天线

工程材料概念工程材料对机械的重要性工程材料：工程上所用的各种材料。机械工程：运输机械、矿山机械、包装机械、建筑机械、食品机械等。选好材料、用好材料，才能做好机械。视频绪论一、工程材料分类及应用金属材料非金属材料

复合材料

钢、铸铁应用最多钢、铸铁、铝合金、铜合金等塑料、橡胶、陶瓷等

钢＋陶瓷颗粒、塑料＋玻璃纤维新材料→高强合金.工程塑料.工程陶瓷.复合材料等（1）（2）（3）（4）（1）（2）（3）（4）陶瓷增强钛基复合材料（1）（2）（3）（4）二、《工程材料》内容性能←组成←成分

成分、组成、性能、应用提高性能的方法（原理及工艺）1.金属学原理

2.热处理3.常用工程材料三、《工程材料》学习意义1.材料的重要社会地位

◆材料是时代标志

石器→陶器→青铜器→铁器◆社会三大支柱之首

材料也决定着信息和能源技术计算机芯片、太阳能装备的电池新材料

计算机芯片：熔铸高纯单晶硅，切片掺杂，光刻，层叠等。Intel研制300mm直径单晶硅锭35亿美元。光伏电池：单晶硅、多晶硅、非晶硅。多晶比单晶效率低但便宜。生产1兆瓦硅电池需要17吨高纯硅。我国出口工业硅，进口高纯硅。◆材料发展推动社会发展

飞机：铝合金→飞机时速↑耐热陶瓷→飞机功率

↑火车：超导材料→磁悬浮列车（500KM/H）车体悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，木飞机1903年,莱特兄弟,时速18km.1

3.2km，分钟

。木飞机1909年,中国冯如,时速105km

飞行32km,部分金属,1910～1925年，钢制机架，铝合金蒙皮，时速100km以上。全金属飞机,1940年，时速600km大量复合材料骨架,2011年,波音787,载客335名.时速1040km。中国首架自主研制大飞机，2017年试飞，168座.上海磁悬浮列车:西起上海地铁2号线龙阳路站，东到浦东国际机场，线路全长30公里，单线运行时间仅为7分20秒.2003.1.4正式商业运营。是世界第一条商业运营的磁悬浮专线。2.材料在机械制造中的重要地位机械零件制造过程：《工程材料》任务是选材，专业基础课零件材料的选用3.后续课程、毕业设计、考研、工作等需要成型切削加工选材材料毛坯零件设计图材料研究新技术很多本身就是机械制造新技术,如3D打印。3D打印叶轮3D打印机动画四、《工程材料》目的、要求、方法、考核1.目的

了解性能→选材3.方法

把握重点、课后复习、认真作业2.要求

掌握金属学原理、热处理原理→选材、选热处理的初步能力4.考核

开卷考试(80%)、平时成绩(20%)—考勤、作业、实验五、我国材料发展历史及现状1.古代

辉煌期陶瓷、青铜、球墨铸铁等2.近代低潮期主要是钢、普通铸铁复苏期并达到较高水平高强合金、球墨铸铁、工程陶瓷、工程塑料、复合材料等3.现代

六、教学思路及教学安排课程目的了解材料性能材料性能决定因素取决于其内部组织及结构(性能←组成←成分)第1章材料的性能第2章金属材料组织结构材料性能的提高强化等改性方法第3章金属的塑性变形改性第4章钢的热处理改性各种工程材料成分、组成、性能应用、牌号第6章碳钢第7章合金钢第8章铸铁第9章有色金属材料及热处理选用第12章机械零件的选材及热处理第1章材料的性能（力学性能）§1、强度一、拉伸试验FF应力：F/S延伸率：Δl/l0

×100%延伸率应力dbcReeRmo低碳钢应力–延伸率曲线ob:

弹性变形应力=E×延伸率

bc:

屈服，微量塑变

cd:

大量均匀塑变

de:

局部塑变、断裂

二、应力–延伸率曲线拉伸动画F→弹性变形→微量塑变→大量塑变→局部塑变、断裂应力<Re

应力=Re

应力>Re

应力>Rm

三、强度定义变形、断裂抗力

强度指标：E＝应力／延伸率（刚度、弹性模量）、Re(屈服强度)、Rm(抗拉强度)

Rp0.2(屈服强度).

§2、塑性一、塑性定义变形能力

铝合金o应力–延伸率曲线延伸率应力铸铁塑性指标：A(断后伸长率)=Δl/l0×100%Z(断面收缩率)=ΔS/S

0×100%§3、硬度一、硬度定义表面局部变形抗力

二、布氏硬度直径D钢球,在一定压力F下压入试样,压痕面积S,压痕直径d。HBW==查表由d→HBW

500HBW表示方法：

试验机布氏硬度动画布氏硬度试验原理FS痕F22F三、洛氏硬度预载h0主载h1卸载h2压入深度h＝h1－h2HRC

=（K-h）/0.002（120度金刚石圆锥K=0.2）60HRC表示方法：

布氏硬度与洛氏硬度特点比较HBW：软材、准确、厚材。HRC：硬材、快速、薄材。

试验机洛氏硬度试验原理洛氏硬度动画§4、韧性（冲击韧性）一、冲击试验试验机h2

h1冲击试验原理二、冲击韧性mg(h1-h2)/s（J/cm2）aK=质量为m（kg)锤从h1(m)高度自由落下，试样被冲断后升至h2(m)高度。冲击试样KU=mgh1-mgh2KU、aK表示冲击过程中试样吸收的能量用于变形三、冲击韧性定义材料在冲击过程中吸收的能量、冲击载荷下的变形能力

四个方面机械性能的联系：对于一般结构钢：Rm

与HBW统一，A与KU统一，

Rm、HBW与A、KU相反。

《工程材料》第2章金属材料的结构与组织

第2章金属材料的结构与组织§1、纯金属的结构与组织一、纯金属的结构组织显微镜下的组成情况结构内部微粒（原子）排列情况（相对较宏观）（微观)晶体内部原子有规律、重复排列的物体晶格表示原子排列规律的空间格子。晶胞晶格中的最小单元。金属晶体结构：原子规律晶胞重复晶格晶体模型晶格晶胞1、理想金属晶体结构：原子规律晶胞重复晶格(同方位)单晶体三种常见晶格：体心立方面心立方密排六方晶格常数

晶胞棱边长度：Å致密度

原子排列密集程度

体心0.68面心、密排0.74理想金属性能：各向异性、高强度、耐热耐蚀

理想金属2、实际金属晶体结构：原子规律晶胞重复晶格(不同方位)多晶体三种常见晶体缺陷：晶粒晶界点缺陷线缺陷面缺陷间隙原子、空位

位错

(直线.曲线.螺旋线)位错密度ρ位错作用:ρ少时,力→ρ运动→变形→Re降低ρ多时,力→ρ运动受阻→难变形→Re提高强化金属实际金属ρRe晶界晶界原子排列点缺陷刃型位错实际金属中晶体缺陷对性能影响：晶格缺陷→晶格畸变→Re提高（晶格常数变）实际金属性能：各向同性、低强度、耐热耐蚀性差（多晶）（ρ运动）（晶界）二、纯金属的组织结晶形成

1.结晶定义高温液体

固态晶体结晶

熔化

T0

T0—

平衡结晶温度熔点

2.结晶条件T结<T0

ΔT＝T0－T结（过冷度）

过冷度与冷速有关：V冷越大，T结越低，ΔT越大但ΔT太大就得到非晶合金化强化（点缺陷）.塑变强化（线缺陷）.细晶强化（面缺陷）3.结晶过程高温液体→形成晶核→晶核长大→多晶体形核率N长大速率GN越大，G越小，晶粒会越细小4.结晶过程影响因素1）冷却速度V冷V冷越大——ΔT增大——N增大、G增大(但G增大速度小于N)——晶粒细——Rm升高

快冷技术：

微晶（µm）：

纳米晶体（nm）：

非晶：高强、硬、耐蚀、导磁

金属型铸造，V冷大，零件性能好于砂型铸造2）杂质加入杂质元素（本身为硬质点或形成硬质点）——

N增大——晶粒细——Rm升高

变质处理

3）振动或搅拌电磁振动，超声振动，机械振动，机械搅拌

厚大金属组织分析厚大金属组织5.纯金属的结晶组织工业纯铁组织组织缺陷晶粒粗大、气孔、缩孔、夹杂

组织缺陷对性能影响：各方面性能下降

改善组织缺陷方法：锻、轧、热处理§2、合金的组织与结构合金金属←金属或非金属Cu←Zn,Fe←C

成分各元素含量Cu70％，Zn30％组元基本物质.元素或稳定化合物铁碳合金.Fe和Fe3C合金系一定组成元素，成分不同的一系列合金铁碳合金系、铜锌合金系等相元素作用形成一定成分、一定结构的物质（显微镜下可见，有界面）Fe3CF组织与相的关系:组织由相构成包括相的种类、相的分布一、合金的结构合金中各元素原子排列情况原子排列形成各种相1.合金中的相固溶体不同元素的原子相互溶解形成的固体

CFeCuZn溶质、溶剂、溶解度置换固溶体

溶质在晶格结点

Δr小，溶解度大

间隙固溶体

溶质在晶格间隙

Δr大，溶解度小

固溶体Rm、HBW高于其纯金属（溶质进入使晶格畸变）——固溶强化固溶体性能：塑性好

作为基体相。用α、β、γ、δ表示化合物不同元素原子相互化合形成

如：Fe3C

电子化合物金属+金属CuZn,CuZn3正常价化合物金属+非金属Mg2Si间隙化合物金属+小非Fe3C化合物结构晶格一般较复杂

化合物性能硬、脆作为硬化相两种相比较成分结构形态性能作用固溶体化合物各元素含量溶剂晶格晶粒塑性好基体相各元素含量复杂晶格不规则硬脆强化相2.合金的结构元素原子排列→相（各元素原子按一定规律排列）1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB二、二元合金的组织1.相图一定合金系,成分、温度、状态三者平衡关系图.概念用途1.判断一定成分合金，在一定T下，相的种类

2.分析结晶过程，判断最终的组织如：20％Ni合金，在1200℃，相为L+α如：20％Ni合金最终组织为α2.二元合金基本相图及结晶分析1）匀晶相图

匀晶反应：

Lα相图分析：区（液、固、液＋固）线（液相线、固相线）点（Cu熔点、Ni熔点）

1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB结晶分析：组织如：20％Ni合金最终组织为αΔT在ΔT结晶温度范围，一定T，L、α

重量用杠杆定律计算杠杆定律

QLQαX1KX2QL(K-X1)=Qα(X2-K)杠杆定律适用于任何两相区2）共晶相图

共晶反应：

L（α+β）相图分析：区（三个单相区、三个双相区）线（液相线、固相线、共晶线、溶解度线）点（熔点、溶质含量点、共晶点）

结晶分析：组织SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+βT0（α+β）——共晶组织、共晶产物、共晶体α.β均匀分布,(α+β)为

机械混合物，性能远高于α.β的平均值共晶动画SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β共晶合金І

组织为（α+β）І亚共晶合金ІІ

ІІ组织为α

+（α+β）过共晶合金ІІІ

组织为β

+（α+β）ІІІ结晶过程结晶过程SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β1组织为（α+β）温度ІІ12组织为α+（α+β）温度SnPbcdeafgb→Sn%LLL+ααα+ββL+β3）共析相图

BAcdeafgb→B%γγ

+ααα+ββγ

+βLL+γ共析反应：

γ（α+β）T0（α+β）——共析组织、共析产物、共析体α.β均匀分布,(α+β)为

机械混合物，性能远高于α.β的平均值相图分析：区（单相区、双相区）线（共析线、溶解度线）点（溶质含量点、共析点）

结晶分析：组织共析合金І

组织为（α+β）亚共析合金ІІ

组织为α+（α+β）过共析合金ІІІ

组织为β

+（α+β）BAcdeafgb→B%γγ+αα

α+ββγ+βІІІІІІ3.二元合金组织及性能

α（α+β）α

+（α+β）塑性好高于α、β平均介于α、（α+β）之间

§3、铁碳合金的组织与结构一、铁碳合金的结构铁碳合金中各相的结构Fe、C作用形成各种相1.Fe的同素异构转变-Fe体心立方912

C-Fe面心立方1394ºC-Fe体心立方同素异构转变特征：（1）温度恒定（2）体积突变Fe、C作用：C、-FeC、-Fe铁素体F奥氏体AC＋Fe化合形成渗碳体Fe3C溶解形成溶解形成2.铁碳合金中的三种基本相FA3、铁碳合金中的五种基本组织铁碳合金的组织均由五种基本组织构成，如：PF

P

Fe3C20钢组织F+PT12钢组织P＋Fe3C二、铁碳合金相图1.相图组成共析相图共晶相图匀晶相图LAL(A+Fe3C)A(F+Fe3C)LLdAP1148℃727℃Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃简化的Fe--Fe3C相图2.相图分析一系：Fe－C合金系或Fe--Fe3C合金系二元：

Fe、Fe3C三区：单相区L、F、A、Fe3C

双相区三相区PSK、ECF、四相：

L、F、A、Fe3C五线：液相线ACD

固相线AECF

三相线PSK、ECF

溶解度线PQ、ES

先共析线GSFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃简化的Fe--Fe3C相图0.020.772.114.33.铁碳合金分类工业纯铁<

P碳钢P－E白口铁E－F共析钢S亚共析钢P－S过共析钢S－E共晶白口铁C亚共晶白口铁E－C过共晶白口铁C－F0.02Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+

Fe3CF+Fe3CL+AL+

Fe3CF+A6.691148℃727℃0.772.114.3三、铁碳合金组织用铁碳相图进行结晶过程分析Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃1.工业纯铁

LL+A

A

A＋F

F

F＋Fe3CIII

最后组织：F工业纯铁组织Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃2.共析钢

LL+A

A

P动画Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃3.亚共析钢LL+A

A

A＋F

P＋F动画Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃4.过共析钢LL+A

A

A＋Fe3CII

P＋

Fe3CII

动画Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃5.共晶白口铁L

Ld

L´d

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃6.亚共晶白口铁L

L＋A

Ld＋

A

Ld＋

A＋Fe3CII

L´d＋P＋

Fe3CII

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃7.过共晶白口铁L

L＋Fe3CI

Ld＋Fe3CI

L´d＋

Fe3CI

过总结：铁碳合金组织1、工业纯铁：F

F2、共析钢：P3、亚共析钢：F

＋P

FP4、过共析钢：P

＋

Fe3CII

P

PFe3CII5、共晶白口铁L´d

L´d6、亚共晶白口铁L´d＋P＋Fe3CIIL´dPFe3CII7、过共晶白口铁L´d＋

Fe3CI

L´dFe3CIFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CP＋

Fe3CIIL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃简化的Fe--Fe3C相图PF+PFL´dL´d＋P＋

Fe3CII

L´d＋

Fe3CI亚共析钢组织组成物（P＋F）的定量计算1).C＝0.2％的钢QF＝(0.77-0.2)/0.77×100％＝74％QP＝1－74％＝26％2).C＝0.45％的钢QF＝(0.77-0.45)/0.77×100％＝42％QP＝1－42％＝5