機械工程材料培訓課件

機械工程材料教材:朱張校主編、鄭明新主審《工程材料》清華大學出版社2001年1月第3版參考書:戈曉嵐主編《機械工程材料》北京大學出版社

中南大學機電工程學院11課程的性質：《機械工程材料》是機械專業(yè)必修的一門技術基礎課，重點是研究金屬材料的性能與成分、組織結構、熱處理之間的關系。2課程的目的：獲得金屬學基礎知識；掌握熱處理的基本理論及方法；掌握鋼的合金化基本原則、常用機械工程材料等方面的基本知識；為學習其它有關課程及以后從事的機械設計、制造、維修、管理等方面的工作奠定必要的基礎。緒論2了解金屬材料的主要力學性能；了解金屬學基礎，掌握Fe-Fe3C狀態(tài)圖，熟悉金屬塑性變形的實質及其對組織和性能的影響；熟悉熱處理的基本理論，掌握常用的熱處理方法的目的、工藝特點和應用范圍；了解鋼中合金元素的作用，掌握常用合金（碳鋼、合金鋼、鑄鐵、銅合金、鋁合金等）的種類、牌號、性能及用途；了解常用非金屬材料的種類、特性及應用；熟悉選用材料的基本原則，根據零件的使用性能、工藝性能以及經濟性，能比較合理地選用材料和提出相應的熱處理技術要求；了解金屬材料及熱處理的新材料、新工藝、新技術。3、課程的基本要求3１）材料性能:重點介紹金屬材料的機械性能及其物理、化學、工藝性能的含義；２）金屬學基礎：重點研究金屬和合金組織結構、結晶過程、塑性變形與再結晶及主要二元合金狀態(tài)圖的基本理論；３）熱處理基礎：重點研究改變鋼鐵材料內部組織結構及性能的原理和方法；４）常用機械工程材料：具體研究各種常用機械工程材料的種類、性能及用途。

4課程教學內容

4總學時：32學時本科課堂教學

26學時緒論、金屬材料的性能:1學時金屬的結構與結晶：2學時金屬的塑性變形與再結晶：2學時鐵碳合金相圖5學時鋼的熱處理：4學時工業(yè)用鋼：4學時鑄鐵：2學時有色金屬及其合金：2學時非金屬材料及復合材料:2學時機械零件的選材與工藝分析；2學時實驗教學

6學時5學時分配5實驗一、鐵碳合金平衡組織的觀察及金相顯微鏡的使用實驗；實驗二、碳鋼的熱處理實驗；實驗三、碳鋼不平衡組織、合金鋼、鑄鐵及有色合金的觀察6、實驗內容6

1.1金屬的晶體結構

1.1.1晶體結構的基本概念晶體——內部原子（或離子）按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體。如天然金剛石、鉆石、水晶、氯化鈉、明礬等。

固體金屬均為晶體。非晶體——原子排列無規(guī)則的固體。如玻璃、松香、石臘、棉花、木材等?？臻g點陣（晶格）

——將構成晶體的實際質點（原子或離子）抽象為純粹的幾何陣點，并用直線連接起來構成的三維空間格架。晶胞——能夠反映晶格特征的最小組成單元。圖1-1晶體中的原子堆垛剛球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意圖第一章材料的結構與性能7晶格參數——晶格的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、、六個參數來描述

晶格常數－－a、b、c。1.1.1晶體結構的基本概念圖1-2晶格參數8體心立方晶格------金屬中如Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等屬此種晶格。面心立方晶格------金屬中如Al、Mn、Ni、Cu、Ag、Pt、Au、Pb及-Fe等屬此種晶格。密排六方晶格------金屬中如Zn、Mg、Be、Cd、-Ti及-Co等等屬此種晶格。1.1.2三種常見的金屬晶體結構(a)體心立方（b）面心立方（c）密排六方91.1.3常見金屬晶體結構的特征（1）晶胞中的原子數面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格10（2）原子子半徑面心立方晶晶格密排六方晶晶格體心立方晶晶格11配位數——晶體結結構中與任任一原子周周圍最近鄰鄰的且等距距離的原子子數。配配位位數越大，，晶體中原原子排列就就越緊密。。（3）配位位數和致密密度面心立方晶晶格：12密排六方晶晶格：12體心立方晶晶格：812致密度------晶胞中中所含原子子的體積與與晶胞體積積的比值，，即K=nU/V配位數大，，則致密度度亦大。式中：K------晶體的的致密度；；n------晶胞胞中所含原原子的數目目；U------每個個原子的體體積；V------晶胞胞的體積。。面心立方晶晶格密排六方晶晶格體心立方晶晶格13表1—1三三種典典型金屬晶晶體結構的的特征晶格類型晶胞中的原子數原子半徑配位數致密度體心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.7414（1）晶晶面------晶體中中通過原子子中心的平平面。晶面指數------用以表表示晶面的的數字符號號稱為晶面面指數（hkl）。。晶面指數的的確定：設定一空間間坐標系，，原點位于于待定晶面面之外。求出待定晶晶面在各坐坐標軸上的的截距為：：11∞∞、11。。取截距距的倒倒數：：110、、112。。將截距距的倒倒數化化為最最小整整數，，放在在圓括括號內內。1.1.4晶晶面面、晶晶向及及晶體體的各各向異異性15晶面族族------在在同一一種晶晶體結結構中中，原原子排排列情情況完完全相相同的的一組組晶面面，用用{HKL}表示示。如如：{100}晶面面族有有：（100））、（（010））和（（001））晶面面。{111}晶面面族有有：（111））、（（11）、、（11））和（（11））晶晶面。16晶向族族------原子排排列情情況相相同但但空間間位向向不同同的所所有晶晶向，，用<uvw>表示示。如：：<110>晶向向族包包括：：[110]、[101]、[011]、[]、[]、[]、[]、、[]、、[]、、[]、、[]、[]12個個晶向向；<111>晶向向族包包括：：[111]、[]、[]、[]、、[]、[]、、[]、、[]8個晶晶向。。（2））晶向向--------晶晶體中中原子子列所所表示示的方方向。。晶向指指數------表表示晶晶向的的數字字符號號稱為為晶向向指數數。[uvw]晶向指指數的的確定定：設定一一空間間坐標標系，，原點點在待待定晶晶向的的一結結點上上。寫出該該晶向向上另另一結結點的的空間間坐標標值：：即為為001、、10。將坐標標值按按比例例化為為最小小整數數：001、210。將化好好的整整數記記在方方括號號中。。17（3））金屬晶晶體的的各向向異性性------金屬晶體體沿不不同方方向性性能不不相同同的現現象。。晶體與與非晶晶體最最根本本的差差別之之一是是：晶晶體具具有明明顯各各向異異性，，而非非金屬屬具有有各向向同性性。金屬的的各向向異性性一般般表現現在純純金屬屬的單單晶體體中，，而對對于實實際晶晶體，，其各各向異異性就就顯示示不出出來了了。與晶面面和晶晶向上上原子子排列列的方方式和和密度度不同同，因因而它它們之之間的的結合合力大大小不不同有有關。。181.1.5實實際金金屬的的晶體體結構構基本概概念：：單晶體體－－金金屬內內部的的晶格格方位位完全全一致致。多晶體體－－多多晶粒粒組成成的實實際晶晶體結結構。。晶粒－－組組成多多晶體體的外外形不不規(guī)則則的小小晶體體。晶界－－晶晶粒與與晶粒粒間的的界面面。組織－－用用金相相的方方法，，在金金屬及及合金金內部部看到到的涉涉及晶晶體或或晶粒粒的大大小、、方向向、形形狀、、排列列狀況況等組組成關關系的的構造造情況況。顯微組組織－－顯顯微鏡鏡所觀觀察到到的組組織。。亞晶粒粒－－晶晶粒內內存在在的、、相互互間晶晶格位位向差差很小小的晶晶塊。。亞晶界界－－亞亞晶粒粒之間間的界界。19（1））點缺缺陷：：包括：：晶格格空位位、間間隙原原子和和異類類原子子。晶格空空位——在在晶體體晶格格中，某結結點上上沒有有原子子的結結點稱稱為空空位。。間隙原原子——位位于晶晶格間間隙之之中的的原子子叫做做間隙隙原子子。異類原原子——金金屬中存存在的的其他他元素素（即即雜質質），，這些些原子子稱為為異類類原子子。危害：：點缺陷陷的存存在會會使晶晶格發(fā)發(fā)生畸畸變，，金屬屬的性性能發(fā)發(fā)生變變化。。20（2））線缺缺陷：：主要是是位錯錯。位錯－－在在晶體體中某某處有有一列列或若若干列列原子子發(fā)生生的有有規(guī)律律的錯錯排現現象。。包括括：刃刃型位位錯、、螺型型位錯錯。刃型位位錯螺螺型位位錯21（3））面缺缺陷：：是指晶晶體中中二維維尺度度很大大而第第三維維尺度度很小小的缺缺陷，，它包包括晶晶體的的表面面、晶晶界、、亞晶晶界、、相界界等，，晶界——晶粒與與晶粒粒之間間的接接觸面面。亞晶界界——亞亞晶粒粒之間間的邊邊界。。作用：：晶界和和亞晶晶界均均可提提高金金屬的的強度度。晶晶界越越多，，晶粒粒越細細，金金屬的的塑性性變形形能力力越大大，塑塑性越越好。。晶界亞亞晶界界221.2.1合合金的的基本本概念念合金——一一種種金屬屬元素素同另另一種種或幾幾種金金屬（（或非非金屬屬）元元素，，通過過熔化化或其其他方方法結結合在在一起起所形形成的的具有有金屬屬特性性的物物質。。組元——組組成合合金最最基本本的獨獨立物物質。。二元合合金——由由兩個個組元元組成成的合合金稱稱為二二元合合金。。相——在在金屬屬或合合金中中，化化學成成分、、晶體體結構構相同同并與與其他他部分分有界界面分分開的的均勻勻組成成部分分。組織組成成物——合金金組織中中那些具具有確定定本質，，一定形形成機制制和特殊殊形態(tài)的的組成部部分。1.2合合金的的晶體結結構23（1）固固溶體——合金金組元通通過溶解解形成的的一種成成分和性性能均勻勻、且結結構與組組元之一一相同的的固相。。置換固溶溶體——在溶溶劑晶格格的某些些結點上上，其原原子被溶溶質原子子所替代代而形成成的固溶溶體。無限固溶溶體——溶質質與溶劑劑能以任任何比例例相互溶溶解的固固溶體。。有限固溶溶體——若溶溶質超過過某個溶溶解度有有其他相相形成，，即兩個個元素之之間的相相互溶解解度有一一定的限限度的固固溶體。。間隙固溶溶體——溶質質原子進進入溶劑劑晶格的的間隙之之中形成成的固溶溶體。固溶強化化——通過過形成固固溶體使使金屬的的強度和和硬度提提高的現現象。原因：溶質原子子的溶入入，造成成了不同同程度的的晶格畸畸變，阻阻礙了晶晶體的滑滑移，從從而使合合金固溶溶體的強強度和硬硬度得到到提高。。1.2.2固固態(tài)合合金的相相結構24（2）中中間相（（金屬化化合物））——合金金組元之之間相互互作用形形成的、、晶格類類型和特特性均不不同于任任一組元元的新相相。正常價化化合物———由元元素周期期表上相相距較遠遠而化學學性質相相差較大大的兩元元素形成成的、嚴嚴格遵守守化合價價規(guī)律的的化合物物。電子子化化合合物物————不不遵遵守守一一般般的的化化合合價價規(guī)規(guī)律律但但符符合合一一定定的的電電子子濃濃度度（（化化合合物物的的價價電電子子數數與與原原子子數數之之比比值值））的的化化合合物物。。間隙隙相相————原原子子半半徑徑比比值值γγX/γγM（M代代表表金金屬屬、、X代代表表非非金金屬屬））小小于于0.59時時形形成成的的簡簡單單形形式式的的晶晶格格，，如如VC、、TiN、、TiC、、NbC、、Fe4N等等。。間隙隙化化合合物物————當當γγX/γγM大大于于0.59時時形形成成的的具具有有復復雜雜晶晶格格結結構構的的化化合合物物，，如如鋼中中的的Fe3C、、Cr23C6、、Cr7C3、、FeB、、Fe2B等等。。。251.3.1高高分分子子材材料料的的結結構構（1））高高分分子子材材料料概概述述高分分子子聚聚合合物物（（簡簡稱稱高高聚聚物物））———以以高高分分子子化化合合物物為為主主要要組組分分的的有有機機材材料料，，其其相相對對分分子子質質量量在在5000以以上上。。分類類：：天然然：：天天然然橡橡膠膠、、蠶蠶絲絲、、羊羊毛毛、、纖纖維維素素、、油油脂脂、、蛋蛋白白質質淀淀粉粉等等；；人工工合合成成：：合合成成橡橡膠膠、、塑塑料料、、合合成成纖纖維維、、涂涂料料和和膠膠粘粘劑劑等等。。單體體———彼彼此此能能相相互互連連接接起起來來而而形形成成高高分分子子化化合合物物的的低低分分子子化化合合物物。。鏈節(jié)節(jié)———組組成成高高分分子子化化合合物物的的長長鏈鏈中中的的基基本本結結構構單單元元。。1.3非非金金屬屬材材料料的的結結構構26高分分子子化化合合物物化化學學結結構構的的特特點點：：高分分子子化化合合物物的的分分子子量量很很大大，，化化學學組組成成比比較較簡簡單單，，同同有有機機化化合合物物一一樣樣僅僅由由幾幾種種元元素素所所組組成成。。其結結構構像像一一條條長長鏈鏈，，這這個個長長鏈鏈是是由由許許多多結結構構相相同同的的重重復復單單元元（（即即鏈鏈節(jié)節(jié)））組組成成。。高分分子子鏈鏈的的所所有有原原子子之之間間的的結結合合鍵鍵都都是是共共價價鍵鍵。。高分分子子化化合合物物總總含含有有各各種種大大小小不不同同（（鍵鍵長長不不同同、、分分子子量量不不同同））的的分分子子。。高高分分子子化化合合物物的的分分子子量量是是一一個個平平均均值值。。27（2））大大分分子子鏈鏈的的結結構構均聚聚物物———只只含含有有一一種種單單體體鏈鏈節(jié)節(jié)，，若若干干個個鏈鏈節(jié)節(jié)由由共共價價鍵鍵按按一一定定方方式式重重復復連連接接起起來來，，像像一一根根又又細細又又長長的的鏈鏈子子一一樣樣。。圖1－－16均均聚聚物物結結構構示示意意圖圖（a））線線型型結結構構（（b））支支鏈鏈型型結結構構（（c））網網狀狀結結構構28共聚聚物物———由由兩兩種種以以上上不不同同的的單單體體鏈鏈節(jié)節(jié)聚聚合合而而成成的的高高分分子子聚聚合合物物。。圖1－－17共共聚聚物物結結構構示示意意圖圖（（●●表表示示M1，，○○表表示示M2））29可分分為為：：1.使用用性性能能-----指指金金屬屬材材料料在在使使用用過過程程中中反反映映出出來來的的特特性性。。包包括括：：a機機械械性性能能----金金屬屬材材料料必必須須具具備備的的抵抵抗抗外外力力而而不不破破壞壞或或變變形形的的性性能能，，即即金金屬屬材材料料在在外外力力作作用用下下所所反反映映出出來來的的力力學學性性能能。。b物物理理性性能能：：密密度度、、密密度度、、導導電電性性……...c化化學學性性能能：：抵抵抗抗化化學學浸浸蝕蝕的的能能力力。。2.工藝藝性性能能-----指指金金屬屬材材料料在在制制造造加加工工過過程程中中反反映映出出來來的的各各種種特特性性。。如如：：鑄鑄造造性性、、可可鑄鑄性性、、可可焊焊性性、、可可切切削削加加工工性性、、熱熱處處理理性性……...1.4金金屬屬材材料料的的性性能能301強度－－金屬屬材料在在外力作作用下抵抵抗變形形和斷裂裂的能力力。包括括：抗拉拉強度、、抗壓壓強度、、抗抗彎強強度、抗抗扭強度度圖1.2低低碳碳鋼拉伸伸曲線彈性變形形－－將將外力去去掉試樣樣將回復復到原來來的形狀狀和尺寸寸。塑性變形形－－將將外力去去掉，試試樣不能能恢復原原狀，而而被伸長長。1.4.1金金屬屬材料的的機械性性能σsεσσb312塑性－－金屬屬材料在在外力作作用下產產生永久久變形而而不斷裂裂的能力力。用延伸率率（）和斷面面收縮率率（）來表示示。3剛剛性－－金屬屬材料在在外力的的作用下下抵抗彈彈性變形形的能力力。常用材料料的彈性性模量來來（E））表示。。E愈大大，剛性性愈大。。4彈彈性－－是材材料開始始塑性變變形前的的最大彈彈性變形形量。5硬硬度－－金屬屬材料抵抵抗集中中負荷作作用的性性能，即即金屬材材料抵抗抗硬物壓壓入的能能力。硬硬度可反反映耐磨磨性。衡量指標標有：布氏硬度度HB球球壓頭、、測壓痕痕直徑洛氏硬度度HRC圓錐體壓壓頭、測測壓痕深深度維氏硬度度HV1.4.1金金屬屬材料的的機械性性能(續(xù)續(xù))325沖沖擊擊韌性------金金屬材料料抵抗沖沖擊負荷荷的能力力。一次擺錘錘沖擊小能量多多次沖擊擊6疲疲勞勞強度------金金屬材料料在重復復或交變變負荷的的作用力力下，循循環(huán)一定定周次后后，斷裂裂時所能能承受的的最大應應力。7斷斷裂裂韌性------金金屬材料料抵抗裂裂紋擴展展斷裂的的韌性性性能。1.4.1金屬材料料的機械械性能（（續(xù)）331.4.2金屬材料料的其它它性能物理性能能------包包括密度度、熔點點、熱膨膨脹性、、導熱性性、導電電性、磁磁性等。?；瘜W性能能------主主要是指指金屬抵抵抗活潑潑介質化化學侵蝕蝕的能力力。工藝性能能------是是反映金金屬材料料在各種種加工過過程中，，適應加加工工藝藝要求的的能力。。它是物物理性能能、化學學性能和和機械性性能的綜綜合表現現。工藝藝性能主主要有鑄鑄造性、、可鍛性性、可焊焊性、切切削加工工性和熱熱處理性性等。34第2章金金屬屬材料組組織和性性能的控控制2.1、純金屬屬的結晶晶金屬結晶晶的概念念一、結晶晶的概念念結晶－－液態(tài)態(tài)金屬轉轉變成固固態(tài)形成成晶體的的過程程。凝固固即結晶晶。近程有序序狀態(tài)－－液態(tài)態(tài)金屬內內部，原原子在短短距離的的小范圍圍內作近近似于固固態(tài)結構構的規(guī)則則排列。。不穩(wěn)定定。結晶過程程實質上是原子子由近程程有序狀狀態(tài)過渡渡為長程程有序狀狀態(tài)的過過程。35二結晶的條條件結晶只能能在低于于平衡溫溫度下才才能進行行，即必必須有一一定的過過冷度。。為什么呢呢？熱力學指指出：在自然界界中，一一切自發(fā)發(fā)轉變過過程，是是由一種種較高的的能量狀狀態(tài)趨向向于最低低能量的的穩(wěn)定狀狀態(tài)，就就象小球球由高處處滾向低低處，降降低自己己的勢能能一樣。。所以，，在恒溫狀狀態(tài)下結結晶，只只有那些些引起體體系自由由降低的的過程，，才能自自發(fā)進行行。36三冷冷卻卻曲曲線線及及過過冷冷度度冷卻卻曲曲線線------金金屬屬在在結結晶晶的的過過程程中中，，其其溫溫度度與與時時間間的的變變化化關關系系曲曲線線。。該該曲曲線線表表明明：：液液態(tài)態(tài)金金屬屬由由高高溫溫開開始始冷冷卻卻時時，，周周圍圍環(huán)環(huán)境境吸吸熱熱，，溫溫度度均均勻勻下下降降，，當當溫溫度度降降到到Tn后后開開始始結結晶晶，，并并放放出出結結晶晶潛潛熱熱，，補補償償了了向向周周圍圍散散失失的的熱熱量量。。過冷冷-----液液態(tài)態(tài)金金屬屬實實際際冷冷卻卻到到結結晶晶溫溫度度以以下下而而暫暫不不結結晶晶的的現現象象過冷冷度度T-----實際際結結晶晶溫溫度度Tn與與理理論論結結晶晶溫溫度度To之之差差。372.2金金屬屬的的結結晶晶過過程程１、、形核核：自發(fā)發(fā)晶晶核核----液態(tài)態(tài)金金屬屬在在接接近近結結晶晶溫溫度度時時，，原原子子已已在在短短距距離離范范圍圍內內近近似似固固態(tài)態(tài)結結構構的的規(guī)規(guī)則則排排列列，，存存在在著著大大量量尺尺寸寸不不同同的的近程程有有序序的原原子子集集團團。。這這些些原原子子集集團團是是不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的，，時時聚聚時時散散。。當當溫溫度度降降低低到到理理論論結結晶晶溫溫度度以以下下，，達達到到一一定定的的過冷冷度度以后后，，液液態(tài)態(tài)金金屬屬中中那那些些超超過過臨臨界界晶晶核核尺尺寸寸的的近程程有有序序原子子集集團團開開始始變變得得穩(wěn)穩(wěn)定定，，不不再再消消失失，，成成為為結結晶晶的的核核心心，，這這種種晶晶核核則則稱稱為為自發(fā)發(fā)晶晶核核。非自自發(fā)發(fā)晶晶核核----實際際的的金金屬屬并并不不純純凈凈，，存存在在一一些些雜雜質質，，它它常常可可以以促促進進晶晶核核在在其其表表面面形形成成，，這這種種晶晶核核稱稱為為非自自發(fā)發(fā)晶晶核核。38２、、長大大：晶核核形形成成后后，，隨隨著著時時間間的的推推移移，，新新的的晶晶核核不不斷斷產產生生，，同同時時其其他他一一些些原原子子也也按按一一定定的的規(guī)規(guī)律律排排列列在在晶晶核核四四周周，，使使晶晶核核不不斷斷長長大大。。當當過過冷冷度度較較大大，，特特別別是是有有雜雜質質存存在在的的情情況況下下，，晶晶核核往往往往是是以以樹樹狀狀的的形形式式長長大大，，開開始始形形成成晶晶軸軸，，再再在在其其上上形形成成枝枝芽芽，，最最后后發(fā)發(fā)展展成成樹枝狀狀結晶晶。在晶晶核不不斷長長大的的同時時，新新的晶晶核也也在不不斷地地生成成，直直至各各個晶晶?；セハ嘟咏佑|，，液體體全部部消失失，結結晶成成外形形不規(guī)規(guī)則的的多晶晶體晶晶粒，，結晶晶才告告完成成。39３、晶晶體的的長大大方式式平面長長方式式樹枝長長大方方式403.3晶晶粒粒大小小一、晶晶粒度度的概概念晶粒度度－－晶晶粒大大小。。金屬的的性能能在很很大程程度上上與晶晶粒的的大小小有關關。晶粒細細化是提高高金屬屬機械械性能能的最最重要要的途途徑之之一。。晶粒愈愈小，，則金金屬的的強度度、塑塑性和和韌性性愈好好。41二、影影響響晶粒粒大小小的因因素細晶強強化－－生產上上常通通過細化晶晶粒的方法法來改改善金金屬材材料的的機械械性能能，以以達到到強韌韌化的的目的的。變質處處理－－在在液體體金屬屬中加加入孕孕育劑劑或變變質劑劑，以以細化化晶粒粒和改改善組組織。。影響晶晶粒大大小的的因素素：１）過過冷冷度：增加加過冷冷度使使晶粒粒細化化２）未未熔雜雜質42二、影影響響晶粒粒大小小的因因素過冷度度的影影響難熔雜雜質（（孕育育處理理）非自發(fā)發(fā)形核核433.4、鑄錠錠的結結構鑄錠的的組織織一般般分為為三個個區(qū)域域：１）細細晶粒粒層－－