工程材料講稿

機(jī)械工程材料羅烽主講

本課程的考評方式

緒論材料用來干什么？

——制造產(chǎn)品

眼鏡片和眼鏡框所用的材料有什么差別？

——結(jié)構(gòu)材料：利用其力學(xué)性能的材料如：眼鏡框、各種機(jī)械零件等本課程討論的重點(diǎn)：結(jié)構(gòu)材料

——功能材料：利用其理化性能的材料如：眼鏡片、電子元器件等

有些材料既可以充當(dāng)功能材料也可以充當(dāng)結(jié)構(gòu)材料

材料怎樣制造成產(chǎn)品？

——常規(guī)制造技術(shù)

——極端制造技術(shù)巨大的汽車微小的模具

和材料密切相關(guān)的學(xué)科是什么？

——材料科學(xué)(種類、性能)──

——制造技術(shù)(工藝、設(shè)備)──

——檢測技術(shù)(方法、手段)──

制造使用哪些材料？工程材料常用材料金屬材料新材料非金屬材料鋼鐵材料(黑色金屬)非鐵材料(有色金屬)高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料

如何學(xué)好工程材料課程？本課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)本課程的學(xué)習(xí)方法與教學(xué)要求

本課程教材王忠編著《機(jī)械工程材料》清華大學(xué)出版社關(guān)于教材的幾點(diǎn)說明

推薦參考書目張繼世主編，《機(jī)械工程材料基礎(chǔ)》，高等教育出版社，2002年4月第1版，小16開243頁，TH14-43/Z32

——本書難度低于我們的教材趙程、楊建民主編，《機(jī)械工程材料》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年2月第2版，小16開252頁，TH14-43/Z43a(2)

——本書難度與我們教材相當(dāng)對某些我們教材上說的不太清楚明白的內(nèi)容，可查閱這些參考書。潘強(qiáng)、朱美華、童建華編著，《工程材料》，上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005年9月第2版，16開311頁，TB3-43/P18(2)王曉敏編著，《工程材料學(xué)》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002年8月第2版，16開292頁，TB3/W37b(2)以上2本書比我們使用的教材稍深，但都是非常好的教材。對程度較高希望學(xué)習(xí)更深入一些內(nèi)容的同學(xué)，可以參看，不懂的地方可以與老師討論。

第1章：金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶1.1晶體與非晶體晶體與非晶體的基本概念晶體、非晶體晶體非晶體

晶體的特點(diǎn)（與非晶體的區(qū)別）原子或分子在三維空間按照一定規(guī)則作周期性的重復(fù)排列某些晶體，如食鹽、天然金剛石等，具有規(guī)則的外形；具有固定的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)），溶解（凝固）過程中溫度始終保持不變；具有各向異性的特征。

金屬通常（在自然冷卻時）都是晶體，但采用特殊的冷卻方法（急冷）可獲得非晶體金屬；

晶體有關(guān)的一些基本概念晶格：晶胞：晶格常數(shù)：

晶面(“晶面指數(shù)”不要求)晶向(“晶向指數(shù)”不要求)

晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度

例：體心立方晶格晶胞原子數(shù)：2

配位數(shù)：8

致密度：68%(計(jì)算方法參見教材P6)

1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料典型的晶體結(jié)構(gòu)

在金屬元素中，90%以上的金屬都屬于下面3種晶體結(jié)構(gòu)

體心立方晶格晶胞原子數(shù)—2配位數(shù)—8致密度—68%常見金屬—Fe,Cr,W等

面心立方晶格晶胞原子數(shù)—4配位數(shù)—12致密度—74%常見金屬—Fe,Cu,Al等

密排六方晶格晶胞原子數(shù)—6配位數(shù)—12致密度—74%常見金屬—Mg,Zn,Be等

1.3金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶結(jié)晶的概念純金屬的冷卻

曲線過冷度：

ΔT=T0-Tn

結(jié)晶過程晶核的形成自發(fā)形核與非自發(fā)形核晶核形成與長大過程

晶核的長大晶核的長大過程晶核形成與長大過程

單晶體與多晶體晶粒與晶界晶粒晶界單晶體與多晶體單晶體多晶體單晶體如金剛石多晶體如金屬

金屬結(jié)晶的主要方式平面生長方式平衡條件下或過冷度較小時出現(xiàn)，在實(shí)際金屬的結(jié)晶中較少見平面生長方式

樹枝狀生長方式過冷度較大、尤其是存在非自發(fā)形核時出現(xiàn)，是金屬晶體結(jié)晶最常見的方式。形成樹枝狀晶體，簡稱枝晶樹枝狀生長方式

晶粒大小晶粒大小的衡量方式——晶粒度晶粒度：1mm2試樣截面面積上晶粒的數(shù)目，或晶粒的平均線長度（或直徑）晶粒度等級：共分8級，1級最粗，8級最細(xì)晶粒度計(jì)算式：m=2N+2m

其中：為每mm2中的晶粒數(shù)

N為晶粒度等級數(shù)晶粒度測量：100倍金相圖像與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度圖比較

晶粒大小對力學(xué)性能的影響一般而言，晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好

(原因以后說明)

影響晶粒大小的因素形核率長大速度控制晶粒大小的方法加大過冷度變質(zhì)處理震動與攪拌

1.4金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)和缺陷晶體缺陷概念：晶體中存在的、偏離其固有幾何特征的部分，稱為晶體缺陷分類：分為點(diǎn)缺陷、線缺陷與面缺陷

點(diǎn)缺陷概念：在空間三維的

尺度都小，尺寸范圍

不超過幾個原子直徑

的缺陷分類：空位與間隙原

子

線缺陷概念：在空間三維

中，某一維的尺度

很長，而另外二維

的尺度很小的一類

缺陷分類：刃型位錯與

螺型位錯

面缺陷概念：某二維的尺度很大而另一維尺度很小的一類缺陷包括：晶界與亞晶界，它們可以：提高金屬的強(qiáng)度晶界處原子不穩(wěn)定，易移動和腐蝕

晶體缺陷對材料性能的影響晶格畸變：晶格形狀出現(xiàn)偏離理想形狀的改變?nèi)毕莸挠绊懀嚎傮w而言，缺陷會提高材料的強(qiáng)度和硬度，降低材料的塑性與韌性缺陷的可變性：晶體缺陷在溫度變化和加工過程中，會發(fā)生增加、移動、合并或消失等各種變化

1.5金屬鑄錠和鑄件鑄錠與鑄件鑄錠：金屬液凝固后形的塊狀坯料，它需要再加工(如壓制、鍛打等)才能成為可使用零件或產(chǎn)品。鑄件：金屬液在具有一定形狀的模腔內(nèi)冷卻，形成的零件(如汽車發(fā)動機(jī)缸體)毛坯，它也需要進(jìn)行一些加工(如切削加工等)才能成為可使用的零件或產(chǎn)品。鑄件與鑄錠的區(qū)別：

鑄錠的三帶組織表層細(xì)晶區(qū)：等軸細(xì)

晶粒，表面很薄一層柱狀晶粒區(qū)：組織致

密，各向異性等軸晶粒區(qū)：有微孔

(縮松)，各向同性。

一般希望得到這樣的

組織，在澆注溫度低、

冷卻速度小等條件下，

有利于獲得這樣的組

織。

對鑄件的要求力爭獲得細(xì)晶粒減少鑄造缺陷設(shè)計(jì)適合鑄造的結(jié)構(gòu)第1章作業(yè)1.計(jì)算體心立方晶格和面心立方晶格的致密度，并畫圖表示晶格常數(shù)a與原子半徑r的關(guān)系。2-5：課本P18-19習(xí)題7、10、12、13題

第2章：金屬的塑性變形和再結(jié)晶2.1材料的力學(xué)性能

參考資料：趙程《機(jī)械工程材料》P4~P10材料的性能概念：材料在使用和加工過程中所表現(xiàn)出

來的各種性能

材料包括哪些性能

材料的力學(xué)性能和工藝性能是我們關(guān)注的重點(diǎn)材料的性能使用性能力學(xué)性能工藝性能鑄造、焊接、壓力加工性能化學(xué)性能物理性能切削加工性能熱處理性能

材料的力學(xué)性能力學(xué)性能又稱為機(jī)械性能1.材料的強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度強(qiáng)度的概念：材料在外力作用下抵

抗變形和斷裂的能力強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、

抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度疲

勞強(qiáng)度等等

塑性塑性的概念：材料在外力作用下呈

現(xiàn)出的不可恢復(fù)到原

狀的變形而不發(fā)生破

壞的能力衡量塑性的指標(biāo)：伸長率與斷面收

縮率

拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)（拉伸試驗(yàn)機(jī)）拉伸試驗(yàn)機(jī)

拉伸曲線應(yīng)力與應(yīng)變的概念應(yīng)力σ：單位面積

上所受的力，

單位：Pa應(yīng)變ε：單位長度

的變形量，

無單位由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可獲得材料以下各種性能指標(biāo)FΔL0F-ΔL

曲線σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

彈性極限與彈性模量彈性極限σe在材料的彈性極

限范圍內(nèi)（即當(dāng)

材料所受應(yīng)力小

于σe時），應(yīng)力

與應(yīng)變成正比彈性極限在拉伸曲線中的位置曲線上的A點(diǎn)σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

彈性模量E定義式：條件：σ<σe彈性模量在拉伸曲線上的反映A點(diǎn)以下直線的斜率彈性模量的決定因素材料的本性剛度材料在彈性變形區(qū)內(nèi)抵抗彈性變形的能力，用彈性模量E表示σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

改變金屬制品剛度的措施更換金屬材料改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式增加截面積彈性極限在材料使用中的意義機(jī)械零件所受的應(yīng)力不能大于彈性極限值，否則可能會發(fā)生塑性變形

屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）屈服現(xiàn)象載荷不增加而塑

性變形仍在增大

的現(xiàn)象屈服點(diǎn)在拉伸曲線中的位置曲線上的B點(diǎn)σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn))σsB點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力

值，用σs表示無明顯屈服現(xiàn)象

材料的屈服點(diǎn)位

置的確定：塑性

變形達(dá)0.2%處對

應(yīng)的應(yīng)力值，用σ0.2表示σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

屈服強(qiáng)度在材料使用中的應(yīng)用屈服強(qiáng)度是評價材料承載能力的重要指標(biāo)材料所受的應(yīng)力不應(yīng)超過屈服點(diǎn)（否則材料將產(chǎn)生塑性變形）屈服階段的結(jié)束曲線中的C點(diǎn)C點(diǎn)以后，材

料需要繼續(xù)增

大應(yīng)力才能產(chǎn)

生新的塑性變形σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）縮頸現(xiàn)象材料拉斷前斷裂

部位附近直徑變

小抗拉強(qiáng)度σb試樣所能承受的最大拉應(yīng)力抗拉強(qiáng)度在拉伸曲線上的位置曲線上的D點(diǎn)σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

抗拉強(qiáng)度在材料使用中的意義抗拉強(qiáng)度是評價材料安全性的重要指標(biāo)材料所受的應(yīng)力絕不可超過抗拉強(qiáng)度（否則材料有斷裂的危險）比強(qiáng)度概念：強(qiáng)度與密度之比意義：衡量不同材料抗拉能力。如玻

璃鋼的比強(qiáng)度可能高于鋼材

伸長率(延伸率)、斷面收縮率評價材料塑性的指標(biāo)伸長率(延伸率)δ其中：L0為試樣的原始長度

L1為試樣拉斷后的總長度δ是評價材料塑性最常用的指標(biāo)σε0ACDEσeσsσbσ-ε

曲線Ｂ

斷面收縮率Ψ其中：S0是試樣原始截面積S1是試樣拉斷后斷口的截面積

塑性在材料使用中的意義良好的塑性是材料進(jìn)行壓力加工的必要條件伸長率和斷面收縮率數(shù)值越大，材料的塑性越好

材料“塑性好”與“容易變形”的區(qū)別“塑性好”是指材料伸長率和斷面收縮率數(shù)值大，其壓力加工性能好“容易變形”是指令材料產(chǎn)生初始塑性變形所需要的應(yīng)力，即屈服強(qiáng)度的大小“容易變形”的材料不一定“塑性好”，反之亦然第一章作業(yè)評講1.計(jì)算體心立方晶格和面心立方晶格的致密度，并畫圖表示晶格常數(shù)a與原子半徑r的關(guān)系。提示：以體心立方晶格為例（面心立方晶格參照此例自己畫圖，求解）原子排列最緊密的方向是對角面的對角線上，該方向長度為

a即致密度本題計(jì)算見P6，但需弄明白計(jì)算過程，會畫圖找到r與a的關(guān)系是關(guān)鍵2.(P18習(xí)題7）(1)過冷度和冷卻速度有何關(guān)系？(2)它對金屬結(jié)晶過程有何影響？(3)對鑄件晶粒大小有何影響？提示：（1）冷卻速度越快，過冷度越大（冷卻速度由液態(tài)金屬溫度與環(huán)境溫度之間的溫差決定）；（2）過冷度越大，金屬結(jié)晶過程越快；（3）金屬結(jié)晶過程越快，自發(fā)晶核越多，鑄件晶粒越細(xì)小。但如果過冷度過大，超過一定限值，則原子移動緩慢，結(jié)晶困難，反而會使晶粒粗大。如果過冷度很大，原子來不及移動就凝固了，此時成為非晶態(tài)金屬或合金。實(shí)際加工中，過冷度過大，也容易產(chǎn)生變形甚至開裂，因此也不能無限增大過冷度。3.(P18習(xí)題10）如果其它條件相同，試比較在下列條件下，鑄件晶粒的大?。?1)金屬模澆注與砂模澆注；(2)高溫澆注與低溫澆注；(3)鑄成薄件與鑄成厚件；(4)澆注采用振動與不采用振動。提示：下列情況鑄件晶粒?。海?）金屬模澆注（散熱快，冷卻速度快）；（2）高溫澆注（過冷度大，冷卻速度快）；（3）薄件（散熱快，冷卻速度快）；（4）采用振動（枝晶斷裂，晶粒數(shù)目變多）。4.(P19習(xí)題12）金屬熔化時，首先是在晶界處熔化還是在晶粒內(nèi)部熔化？說明其原因。提示：首先在晶界處熔化。晶界處內(nèi)能大，熱穩(wěn)定性差，外部加熱時，較少的能量就能使原子脫離；而晶粒內(nèi)部原子排列整齊，處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要較高的能量才能打破晶格，使原子脫離。另外，根據(jù)結(jié)晶的先后順序，在熔化時是其逆向過程，也可看出，最后凝固的晶界會先熔化。5.(P19習(xí)題13）為什么晶界比晶內(nèi)腐蝕快？說明其原因。提示：晶界處原子排列紊亂，穩(wěn)定性差，容易同其它外來原子結(jié)合，因此容易被腐蝕。

2.材料的硬度硬度的概念材料抵抗其它硬物壓入其表面的能力硬度可分為洛式硬度、布式硬度、維式硬度等最常用的硬度指標(biāo)是：洛氏硬度和布氏硬度

硬度試驗(yàn)（硬度計(jì)）洛氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)

硬度的應(yīng)用硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，是材料抵抗局部塑性變形的能力；硬度與材料的強(qiáng)度及塑性等重要性能指標(biāo)之間存在著內(nèi)在聯(lián)系，有一定的的對應(yīng)關(guān)系；硬度便于測試，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，常通過測量硬度值來檢驗(yàn)一般零件的機(jī)械性能；硬度是材料最常用的指標(biāo)之一。

洛式硬度代號：HR不同的壓頭稱為不同的標(biāo)尺常用的標(biāo)尺有A、B、C，分別用代號HRA、HRB、HRC表示壓頭1200金剛石圓錐體：適用于A、C標(biāo)尺Φ1.588mm淬火鋼球：適用于B標(biāo)尺

測量對象壓痕深度(可直接

從硬度計(jì)上讀出)公式h0：初載荷下的壓痕深度，單位mmh1：主載荷下的壓痕深度，單位mmh1-h0：主載荷使壓頭壓入材料形成的壓痕深度

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測量簡便迅速，壓痕小缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，重復(fù)性較差(尤其對成分不均勻的材料）

應(yīng)用洛式硬度方便快捷，是目前工廠中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法各種標(biāo)尺的硬度試驗(yàn)規(guī)范及適用的材料

布式硬度代號：HB使用不同材質(zhì)的壓頭分別用HBS、HBW表示壓頭淬火鋼球：適用于硬度值小于450的材料，用代號HBS表示硬質(zhì)合金球：適用于硬度值大于450小于650的材料，用代號HBW表示

測量對象：壓痕球冠的表面積公式

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果準(zhǔn)確，測量精度高缺點(diǎn)：壓痕面積大（對零件有損傷）應(yīng)用布式硬度通常用于鑄鐵、有色金屬及其合金、結(jié)構(gòu)鋼、非金屬材料等的測量實(shí)際測量時可根據(jù)壓痕直徑直接查表得到硬度值，不需要用公式計(jì)算

3.材料的沖擊韌度韌性與脆性韌性：材料在塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，吸收的能量越多，韌性越好脆性：與韌性相反的概念

沖擊試驗(yàn)（沖擊試驗(yàn)機(jī)）沖擊試驗(yàn)機(jī)

沖擊韌度（沖擊吸收功）概念：材料抵抗沖擊破壞的能力公式：決定沖擊韌度值的因素內(nèi)部因素：材料本身特性，如，成

份、顯微組織、冶金質(zhì)

量等

外部因素：如，試樣尺寸、缺口形

狀、試樣粗糙度、試驗(yàn)環(huán)

境等

材料的其它性能簡介物理性能包括：密度與熔點(diǎn)、電學(xué)性能、熱學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能等化學(xué)性能包括：耐腐蝕性能、抗氧化性能、化學(xué)穩(wěn)定性等工藝性能包括：鑄造性能、焊接性能、壓力加工性能、切削加工性能、熱處理性能等

2.2金屬的變形現(xiàn)象彈性形變應(yīng)力小于e時

變形為彈性變形

=E

(E為彈性模量)彈性極限e屈服強(qiáng)度see’

soo1o2卸載后可以恢復(fù)的彈性形變卸載后不能恢復(fù)的塑性形變

塑性形變應(yīng)力超過

s后變

形為塑性變形加工硬化現(xiàn)象：

在未達(dá)到材料

的抗拉強(qiáng)度之前

卸載(例如在曲

線上的e’點(diǎn)撤掉

應(yīng)力)，材料仍余

留有少量不可恢復(fù)的塑性變形，材料的彈性極限及屈服強(qiáng)度在塑性變形之后上升，這種現(xiàn)象稱為加工硬化(也稱作二次硬化)。彈性極限e屈服強(qiáng)度see’

soo1o2卸載后可以恢復(fù)的彈性形變卸載后不能恢復(fù)的塑性形變

金屬單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形包括滑移變形和孿晶變形滑移變形滑移現(xiàn)象、滑移帶與滑移線滑移面、滑移方向與滑移系

最容易產(chǎn)生滑移的晶面和晶向

——原子排列最緊密的晶面和晶向紅線代表的晶面(或晶向)上，原子排列最緊密，而這2個晶面(或晶向)間距最大，因此最易滑移晶格簡化后的平面點(diǎn)陣(左圖)它既可以看成是一個晶面上的原子排布

也可以將每一行原子看作是一個晶面的側(cè)面晶格的空間點(diǎn)陣

晶面受力的分解外力F可分解為垂直于滑移面的正拉力Fn與在滑移面內(nèi)的切向拉力切向拉力又可分解為沿滑移方向的切向拉力Fτ與垂直于滑移方向的切向拉力Fτ’與這些力對應(yīng)的應(yīng)力分別為：σn、στ和στFF滑移方向滑移面F’

ψFnF

F

’Fo立體示意圖平面示意圖

正應(yīng)力的作用：產(chǎn)生彈性變形或斷裂切應(yīng)力的作用：滑移方向上的切應(yīng)力導(dǎo)致滑移變形滑移是位錯移動的結(jié)果

滑移伴隨著晶體的旋轉(zhuǎn)垂直滑移方向的切應(yīng)力στ’導(dǎo)致晶粒旋轉(zhuǎn)滑移是晶體變形的主要形式面心立方晶格和體心立方晶格容易以滑移形式變形，面心立方晶格最容易滑移立體示意圖晶體某一層的受力旋轉(zhuǎn)情況滑移方向滑移面F’σnoσ’σnoσ’平面示意圖

孿晶變形孿晶變形的形式孿晶變形需要更大的能量，一般不容易發(fā)生體心立方和密排六方晶格在一定條件下可發(fā)生孿晶變形

多晶體的塑性變形實(shí)際金屬的構(gòu)成實(shí)際金屬是多晶體，由許多細(xì)小的單晶體晶粒構(gòu)成每一個單晶體晶粒在受到外力作用的情況下，其變形滑移過程如前面分析

多晶體金屬的變形過程處于軟位向(切向分力大，易滑移的位向)的晶粒先滑移，在滑移過程中伴隨晶面的旋轉(zhuǎn)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛参幌颍Ｖ够?，同時由于滑移導(dǎo)致位錯向晶界處聚集聚集在晶界處位錯的增多使得應(yīng)力也變大，從而推動尚未滑移的其它晶粒開始產(chǎn)生滑移于是滑移變形就這樣在多晶體的晶粒中分批先后產(chǎn)生a、b晶粒處于軟位向

c晶粒處于硬位向

多晶體金屬晶粒大小對力學(xué)性能的影響晶粒大小對強(qiáng)度硬度的影響：

位向的影響：不同晶粒存在位向差異，當(dāng)一些晶?；谱冃螘r，其它晶粒只發(fā)生彈性變形，這將阻礙滑移變形晶粒的進(jìn)一步滑移，晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒數(shù)越多，金屬塑性變形阻力就越大，即強(qiáng)度硬度越高；

晶界的影響：晶界是位錯的聚集處，原子排列紊亂，滑移難于在此處進(jìn)行，因此晶界越多，金屬塑性變形抗力越大，強(qiáng)度硬度越高；該圖說明晶界

處不易變形

晶粒大小對塑性韌性的影響：

晶粒越細(xì)小，變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生，變形越均勻，塑性越好；同時也不易造成局部應(yīng)力集中，引起裂紋而發(fā)生斷裂，韌性也越好結(jié)論：

晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度硬度越高，塑性韌性越好。

即——晶粒細(xì)，力學(xué)性能好。

2.3冷塑性變形對金屬組織和

性能的影響1.形成纖維組織晶粒被拉長，形成流線，材料具有了各向異性的特征對性能的影響：有利有弊

2.產(chǎn)生加工硬化晶粒破碎和缺陷增加所導(dǎo)致材料強(qiáng)度硬度增加而塑性韌性降低。加工硬化也稱作形變強(qiáng)化或冷作硬化對性能的影響：有利有弊二次變形時彈性極限及屈服強(qiáng)度增加彈性極限e屈服強(qiáng)度see’

soo1o2卸載后可以恢復(fù)的彈性形變卸載后不能恢復(fù)的塑性形變

3.出現(xiàn)織構(gòu)現(xiàn)象各晶粒取向按某種方向趨于一致，呈某種形態(tài)的規(guī)則分布，材料具有了各向異性的特征對性能的影響：不利，難于用退火消除

4.留下殘余應(yīng)力一些金屬原子處于不穩(wěn)定（非能量最低）位置，而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的出現(xiàn)殘余應(yīng)力的分類：

第一類(宏觀內(nèi)應(yīng)力)：由于材料各部分變形不均勻引起

第二類(微觀內(nèi)應(yīng)力)：由于各晶粒變形不均勻引起

第三類(晶格畸變)：主要的內(nèi)應(yīng)力，由晶格畸變引起對性能的影響：導(dǎo)致金屬變形和開裂，可由退火消除

2.4變形金屬在加熱時組織

和性能的變化回復(fù)當(dāng)冷變形金屬加熱溫度不太高時，內(nèi)部原子可作短距離移動，金屬某些性能發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為回復(fù)

再結(jié)晶金屬加熱到一定溫度會出現(xiàn)晶粒重新形成的現(xiàn)象，其過程類似于液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的結(jié)晶過程，這一過程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶后的晶格類型并不發(fā)生變化（注意它與同素異晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別）再結(jié)晶過程示意圖

再結(jié)晶過程不是一個恒溫過程，而是在一定溫度區(qū)間內(nèi)完成的（與液態(tài)結(jié)晶和同素異晶轉(zhuǎn)變不同）各種金屬再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)大致有下列關(guān)系：T再≈0.4T熔再結(jié)晶溫度也不是一成不變的，它與金屬的純度、成分、先前的變形量、加熱速度和保溫時間等因素有關(guān)一些金屬的熔點(diǎn)與再結(jié)晶溫度對比金屬FeAlCuMgNiT熔（0C）153866010336501455T再（0C）450150200150600

晶粒長大再結(jié)晶后若繼續(xù)加熱或保溫，一些晶界會消失，導(dǎo)致晶粒長大

再結(jié)晶后晶粒大小與預(yù)變形程度有關(guān)實(shí)例——參見課本P34圖2-21和2-22

金屬加熱過程中組織及性能的變化第一階段：回復(fù)

低于再結(jié)晶溫度，

原子緩慢擴(kuò)散，

內(nèi)應(yīng)力降低，晶

粒形狀不變，保

留了原有機(jī)械壓

力變形后的機(jī)械

性能；

第二階段：再結(jié)晶

晶粒形狀發(fā)生變

化，所有先前機(jī)

械壓力變形后所

產(chǎn)生的機(jī)械性能

變化均消失，機(jī)

械性能回復(fù)到機(jī)

械壓力變形前的

機(jī)械性能，但機(jī)

械壓力所產(chǎn)生的

變形并不改變；

第三階段：晶粒長大

再結(jié)晶完成后若

繼續(xù)保溫，晶粒

會變大，晶粒長

大后機(jī)械性能變

差。

2.5金屬的熱塑性加工熱變形加工與冷變形加工的區(qū)別在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的壓力加工稱為熱變形加工在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的壓力加工稱為冷變形加工

熱變形加工與冷變形加工的優(yōu)缺點(diǎn)比較冷加工工件尺寸精確、表面光潔，同時材料也可以被強(qiáng)化（加工硬化）冷加工變形抗力大，難于成形大截面工件或要求變形量較大的工件，難于成形某些硬度高而塑性低的金屬材料（如鋅、鉻、鎂）及脆性較大的金屬冷加工會導(dǎo)致加工硬化、殘余應(yīng)力等，可能會影響工件的后續(xù)加工和使用熱加工時材料容易變形，加工能耗較低熱加工可以消除或改善鑄態(tài)金屬的缺陷，如氣孔、裂紋等，提高材料的致密度熱加工容易導(dǎo)致金屬表面氧化熱加工由于模具反復(fù)經(jīng)歷溫度變化，會使模具壽命降低熱加工可能會出現(xiàn)粗大晶粒，導(dǎo)致機(jī)械性能下降

第3章：二元合金和相圖3.1合金及相關(guān)概念合金：（見教材P38）組元：合金的組成元素合金系：相同組元按不同比例所構(gòu)成一系列不同的合金。如Fe與C按不同比例構(gòu)成了各種鋼、鐵材料相（合金相）：（見教材P43）

組織通過顯微鏡觀察到的固態(tài)材料內(nèi)部的微觀形貌，又稱為顯微組織金相顯微鏡示例：兩種不同組織的顯微照片

材料的構(gòu)成層次組織與性能的關(guān)系組織決定了材料的性能，可以通過改變材料的組織結(jié)構(gòu)來改變材料性能元素（原子）分子相組織材料材料構(gòu)成的層次

合金的相結(jié)構(gòu)基本的合金相及其分類合金的相結(jié)構(gòu)固溶體金屬化合物置換固溶體間隙固溶體

固溶體——

合金中的基本相固溶體：溶質(zhì)、溶劑：間隙固溶體：置換固溶體：

溶解度：溶質(zhì)溶入溶劑的量有限固溶體：溶解度有限的固溶體無限固溶體：溶解度無限的固溶體固溶強(qiáng)化：

固溶體的性質(zhì)溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑比小于0.59時才能形成間隙固溶體，溶質(zhì)通常都是一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如H、C、O、N等間隙固溶體永遠(yuǎn)都是有限固溶體溶質(zhì)元素與溶劑元素在元素周期表中的位置靠近、晶格類型相同、原子半徑差越小的元素，溶解度越大，越容易形成無限互溶的置換固溶體，如Mn、Cr、Si、Ni、Mo等都能與Fe形成置換固溶體晶格畸變導(dǎo)致的固溶強(qiáng)化，是金屬材料強(qiáng)化的重要途徑之一對力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，幾乎都是以固溶體作為最基本的組成相

金屬化合物——

合金中的強(qiáng)化相原子結(jié)合形式：化合具有一定的金屬性質(zhì)，如導(dǎo)電性熔點(diǎn)高、硬而脆、塑性韌性差最常見的金屬化合物：Fe3C

合金的組成單相或多相復(fù)合大多數(shù)工業(yè)合金均為固溶體加少量化合物構(gòu)成的混合物改變組成相的比例，改變其中固溶體中溶質(zhì)溶劑的比例，改變化合物的形態(tài)、大小及分布等，都可以改變合金的性能

3.2二元合金相圖合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與純金屬結(jié)晶類似：形核、長大

二元合金相圖的建立

相圖的基本概念相圖，又稱為平衡相圖或合金狀態(tài)圖相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)域用圖形的方式表明合金系中各種不同合金的狀態(tài)、組織、溫度和成分之間的關(guān)系

相圖的作用分析合金系中不同成分的合金在升溫或降溫時的相、組織等的變化情況可對不同溫度下各相、組織等作定量計(jì)算，定量分析合金的組成物（一般了解）可根據(jù)相圖對合金材料在使用溫度下的相及組織情況進(jìn)行分析判斷，從而預(yù)測合金的性能是制定合金熔煉、鑄造、鍛造、熱處理等工藝的重要依據(jù)第2章作業(yè)1.P37習(xí)題112.P37習(xí)題163.(1)冷、熱塑性變形的界限是什么？為什么？(2)冷塑性變形對金屬組織會產(chǎn)生哪些影響？

3.3二元勻晶相圖二元勻晶相圖勻晶相圖中的特征點(diǎn)、線、區(qū)包括：純金屬的熔點(diǎn)、液相線與固相線、液相區(qū)、固相區(qū)與液固兩相區(qū)等

什么合金會形成勻晶相圖兩組元在液、固兩種狀態(tài)都能無限互溶的合金。如：Cu-Ni,W-Mo等

運(yùn)用相圖分析成分由相圖可分析兩相共存時每個相的成分百分比、以及每個相的相對質(zhì)量比(杠桿定律)偏析的概念：合金中各組元在空間分布不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。

3.4二元共晶相圖二元共晶相圖

相圖分析點(diǎn)：純金屬熔點(diǎn)、共晶點(diǎn)、……線：液相線、固相線、共晶線、最大溶解度線區(qū)：單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)

共晶轉(zhuǎn)變（共晶反應(yīng)）共晶轉(zhuǎn)變過程共晶轉(zhuǎn)變式共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物：共晶組織（共晶體）

什么合金會形成共晶相圖兩組元在液態(tài)時無限互溶、在固態(tài)時有限互溶的合金。如：Pb-Sn,Fe-Fe3C等

3.5二元共析相圖二元共析相圖相圖分析：點(diǎn)：純金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)、共析點(diǎn)、……線：開始轉(zhuǎn)變線、轉(zhuǎn)變結(jié)束線、共析線、最大溶解度線區(qū)：單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)

共析轉(zhuǎn)變（共析反應(yīng)）共析轉(zhuǎn)變過程共析轉(zhuǎn)變式共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物：

共析組織（共析相）共析組織的特點(diǎn)比共晶組織更加

彌散細(xì)小存在較大內(nèi)應(yīng)力

什么合金會形成共析相圖固態(tài)二元合金中，兩組元在高溫時無

限互溶、低溫時有限互溶的合金，形

成二元共析相圖

3.6合金性能與相圖的關(guān)系工藝性能及影響因素影響鑄造性能的因素：流動性、縮孔、偏析等它們均與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)，分析見后面影響壓力加工性能的因素：塑性、韌性單相固溶體較好，兩相混合物較差影響切削加工性能的因素：強(qiáng)度、硬度兩相混合物較好，單相固溶體較差

共晶相圖勻晶相圖相圖與性能的關(guān)系與晶格畸變有關(guān)，畸變越大則強(qiáng)度越高與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)，范圍越小流動性越好與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)，范圍越小分散縮孔少而集中縮孔多單相區(qū)與晶格畸變有關(guān)，雙相區(qū)與各相占比例有關(guān)同左邊對勻晶相圖的分析單相區(qū)雙相區(qū)共晶組織細(xì)密強(qiáng)度硬度較高

第4章：鐵碳合金4.1純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵同素異晶轉(zhuǎn)變式

同素異晶轉(zhuǎn)變概念：固態(tài)金屬在溫度變化時由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變它是一種固態(tài)下的晶格重新構(gòu)建，類似于液態(tài)結(jié)晶過程，但比液態(tài)結(jié)晶需要更大的過冷度（即更大的動力）同素異晶轉(zhuǎn)變后，金屬的性能會發(fā)生較大改變，同時可能會出現(xiàn)一些缺陷，如應(yīng)力、變形等金屬是否具有同素異晶轉(zhuǎn)變特性與金屬本身特性有關(guān)常見的具有同素異晶轉(zhuǎn)變特性的金屬有鐵、鈦、錳、鉻等

4.2鐵碳合金的基本組成鐵碳合金的組元鐵塑性、韌性好，但強(qiáng)度低，很少直接用作機(jī)械零件同素異晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度，晶格結(jié)構(gòu)碳在鐵碳合金中存在的三種形式：間隙固溶體溶質(zhì)、與鐵的化合物、自由態(tài)石墨

鐵碳合金的基本相、組織及其性能鐵素體F又稱純鐵體、鐵素體，代號F（或）C溶入-Fe形成的間隙固溶體是鐵碳合金的一種基本相，也是一種單相組織溶C能力：常溫下含C0.0008%，7270C時最大，為0.0218%性能與純鐵相似力學(xué)性能：σb=180~200MPaδ=30%~50%HBS=50~80αk=160~200J/cm2

奧氏體A代號A（或）C溶入-Fe形成的間隙固溶體7270C以上的高溫下存在是鐵碳合金的一種基本相，也是一種單相組織溶C能力：7270C時0.77%，11480C時最大，為2.11%強(qiáng)度硬度低，塑性韌性好，是鋼進(jìn)行壓力加工需要的組織力學(xué)性能：σb=400MPaδ=40%~50%HBS=170~220

滲碳體Fe3C金屬化合物，分子式Fe3C，也用作代號一種穩(wěn)定的、具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物是鐵碳合金的一種基本相，也是一種單相組織，同時也常將它看作鐵碳合金的一個組元含C恒定，始終為6.69%，熔點(diǎn)12270C，沒有同素異晶轉(zhuǎn)變硬度高，強(qiáng)度低，塑性韌性極差

，非常脆

是鋼鐵材料中的硬化相，對鋼的性能有很大的影響滲碳體中的部分鐵原子也可以被鐵碳合金中的其它金屬原子（Mn、Cr等）取代，形成所謂合金滲碳體，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等在一定條件下（如大于9000C長

時間加熱后來緩慢冷卻），可

分解而形成石墨狀的自由碳

Fe3C3Fe+C(石墨)

這種反應(yīng)在鑄鐵中有重要意義

珠光體P代號P，因?yàn)樵陲@微鏡下觀察有珍珠光澤而得名含C0.77%的A冷卻至7270C時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變得到的產(chǎn)物室溫下P的顯微組織（層片狀）白色片：F（占88.7%）黑色片：Fe3C（占11.3）

由F和Fe3C組成的一種二相組織（機(jī)械混合物）性能介于F和Fe3C之間力學(xué)性能：σb=750MPaδ=20%~30%

HBS≈180αk=24~32J/cm2室溫下P的顯微組織（層片狀）白色片：F（占88.7%）黑色片：Fe3C（占11.3）

萊氏體Ld

與低溫萊氏體Ld’7270C以上稱萊氏體，代號Ld

7270C以下稱低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體，代號Ld’含C4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻至11480C時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶生成由A和Fe3C組成的一種機(jī)械混合物（共晶產(chǎn)物）(Ld)，在7270C時由于A的

轉(zhuǎn)變而形成由P、

Fe3CII和Fe3C組

成的機(jī)械混合物

(Ld’)室溫下Ld’顯微組織白色：Fe3C（共晶Fe3C和Fe3CII）黑色：P（由A轉(zhuǎn)變而成）

Ld是一種由A和Fe3C組成的二相組織（機(jī)械混合物）

Ld’是一種由F和Fe3C組成的二相組織（機(jī)械混合物）含大量硬而脆的Fe3C，硬度高，塑性極差室溫下Ld’顯微組織白色：Fe3C（共晶Fe3C和Fe3CII）黑色：P（由A轉(zhuǎn)變而成）

4.3鐵碳合金相圖（簡化的鐵碳合金相圖）基本形狀A(yù)15380CDFCESGKPQFeFe3C9120C11480C12270C7270C200C6.69Wc（%）溫度（0C）對比—課本上的鐵碳合金相圖為什么簡化？如何簡化？

相圖的構(gòu)成共晶相圖+共析相圖A15380CDFCESGKPQFeFe3C9120C11480C12270C7270C200C6.69上半部分為共晶相圖共晶相圖

相圖的構(gòu)成（續(xù)）共晶相圖+共析相圖A15380CDFCESGKPQFeFe3C9120C11480C12270C7270C200C6.69左側(cè)部分為共析相圖共析相圖

特征點(diǎn)特征點(diǎn)溫度（0C）含碳量（%）說明A15380純鐵熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體成分G9120α-Fe與γ-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69滲碳體成分P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q室溫0.0008室溫時碳在α-Fe中的溶解度ADFCESGKPQ0.772.114.300.02180.000815380CFeFe3C9120C11480C12270C7270C200C6.69

特征線特征線溫度(0C)含碳量(%)說明備注ACD1538~11480~6.69液相線AECF1538~11480~6.69固相線ECF11482.11~6.69共晶線L4.3(A2.1+Fe3C)PSK(A1)7270.0218~6.69共析線A0.77(F0.0218+Fe3C)ES(Acm)727~11480.77~2.11C在A中的固溶線析出產(chǎn)物：Fe3CIIPQ727~室溫0.0218~0.0008C在F中的固溶線析出產(chǎn)物：Fe3CIIIGS(A3)912~7270~0.77A析出F的開始線11480C7270CADFCESGKPQ0.772.114.300.02180.000815380CFeFe3C9120C11480C12270C7270C200C6.69

典型合金的結(jié)晶過程分析Wc=0.77%合金（共析鋼）在3點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成P，轉(zhuǎn)變式：A0.77(F0.0218+Fe3C共析)7270C

共析鋼的室溫組織：P(P=F+Fe3C共析)II12315380CFe3C11480C12270C7270CADFCESGKPQFe9120C200C6.690.774.302.110.0218

白色片:F

黑色片:Fe3C

白:F黑:P0.0218%<Wc<0.77%合金（亞共析鋼）亞共析鋼的室溫組織：F+P(其中：P=F+Fe3C共析)IIII12347270C11480C12270C15380CFe3CADFCESGKPQFe9120C200C6.690.774.302.110.0218

大白紋：Fe3CII層片區(qū)域：P0.77%<Wc<2.11%合金（過共析鋼）過共析鋼的室溫組織：P+Fe3CII(其中：P=F+Fe3C共析)7270C11480C12270C15380CFe3CADFCESGKPQFe9120C200C6.690.774.302.110.0218IIIIII1234

Wc=4.30%合金（共晶白口鑄鐵）共晶白口鑄鐵的室溫組織：Ld’(Ld’=P+Fe3C共晶+Fe3CII）白：

Fe3C+Fe3CII黑：P在1點(diǎn)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變生成Ld，轉(zhuǎn)變式：L4.30(A2.11+Fe3C共晶)11480C7270C11480C12270C15380CFe3CADFCESGKPQFe9120C200C6.690.774.302.110.0218IVIV12

2.11%<Wc<4.30%合金（亞共晶白口鑄鐵）亞共晶白口鑄鐵的室溫組織：P+Fe3CII+Ld’(其中：Ld’=P+Fe3C共晶+Fe3CII）

白：Ld’黑：PFe3CII：細(xì)小，看不見7270C11480C12270C15380CFe3CADFCESGKPQFe9120C200C6.690.774.302.110.0218VV123

4.30%<Wc<6.69%合金（過共晶白口鑄鐵）過共晶白口鑄鐵的室溫組織：Fe3CI+Ld’(其中：Ld’=P+Fe3