第一章_金屬材料的基本知識

1、機械制造基礎,第一章,第一章 金屬材料基本知識,1.1 金屬材料的力學性能1.2 金屬與合金的晶體結構與結晶,1.1 金屬材料的力學性能,第一章 金屬材料基本知識,,1.1.1 強度,1.1.2 塑性,1.1.3 硬度,1.1.4 沖擊韌度,1.1.5 疲勞強度,第一章 金屬材料基本知識,金屬材料的性能對零件的使用和加工有十分重要的作用,在機械制造領域選用材料時,大多以力學性能為主要依據(jù),力學性能是指材料在各種載荷作用下表現(xiàn)出來的抵抗

2、力,金屬材料性能的主要種類如表1.1所示,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,強度是金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。,根據(jù)載荷作用方式的不同，強度可分為：,抗拉強度(σb),抗壓強度(σbc),抗彎強度(σbb),抗剪強度(στ),一般情況下，多以抗拉強度為判斷金屬強度大小的指標。,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,圖1.1 低碳鋼的拉伸曲線圖,拉伸曲線,第一章 金屬材

3、料基本知識,1.1.1 強度,（1）ce──彈性變形階段,（2）es──屈服階段,（3）sb──均勻塑性變形階段,（4）bk──縮頸階段,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,（1）ce──彈性變形階段,試樣的伸長量與載荷成正比增加,此時若卸載,試樣能完全恢復原狀,Fe為能恢復原狀的最大拉力,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,（2）es──屈服階段,當載荷超過Fe后,試樣除產生彈性變形外,開始出現(xiàn)塑性

4、變形,當載荷增加到Fs時,圖形上出現(xiàn)平臺,即載荷不增加,試樣繼續(xù)伸長,材料喪失了抵抗變形的能力,這種現(xiàn)象叫屈服,Fs稱為屈服載荷,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,（3）sb──均勻塑性變形階段,載荷超過Fs后,試樣開始產生明顯塑性變形,伸長量隨載荷增加而增大,Fb為試樣拉伸試驗的最大載荷,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,（4）bk──縮頸階段,載荷達到最大值Fb后,試樣局部開始急劇縮小,出現(xiàn)“

5、縮頸”現(xiàn)象,k點時試樣發(fā)生斷裂,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,強度指標,金屬材料的強度是用應力來度量的。,常用的強度指標有屈服點和抗拉強度。,(1)屈服點σs,在拉伸過程中,載荷不增加,試樣還繼續(xù)發(fā)生變形的最小應力(MPa)。,σs=Fs/A0,第一章 金屬材料基本知識,1.1.1 強度,強度指標,金屬材料的強度是用應力來度量的。,常用的強度指標有屈服點和抗拉強度。,(2)抗拉強度σb,金屬材料在拉斷前所承受的最大應力

6、(MPa),σb=Fb/A0,第一章 金屬材料基本知識,1.1.2 塑性,塑性是金屬材料在載荷作用下產生塑性變形(或永久變形)而不 斷裂的能力。,常用塑性指標是,斷后伸長率δ,拉伸試驗試樣拉斷后,標距長度的相對伸長值,δ=[(l1-l0)/l0]×100%,第一章 金屬材料基本知識,1.1.2 塑性,塑性是金屬材料在載荷作用下產生塑性變形(或永久變形)而不 斷裂的能力。,常用塑性指標是,斷面收縮率ψ,拉伸試樣拉斷后試樣截面

7、積的收縮率ψ為,ψ=[(A0-A1)/A0]×100%,第一章 金屬材料基本知識,1.1.3 硬度,硬度是指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力,即金屬材料抵抗 局部塑性變形或破壞的能力。,硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。,常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。,將一定直徑的壓頭,在一定的載荷下垂直壓入試樣表面,保持規(guī)定的時間后卸載,壓痕表面所承受的平均應力值稱為布氏硬度值,以HB表示。圖1.2為布氏硬度試驗原理圖。

8、,第一章 金屬材料基本知識,1.1.3 硬度,布氏硬度,圖1.2 布氏硬度試驗原理圖,HB=F/S壓=0.102×2F/πD(D-D2-d2),用規(guī)定的載荷,將頂角為120°的圓錐形金剛石壓頭或直徑為1.588mm的淬火鋼球壓入金屬表面,取其壓痕深度計算硬度的大小,這種硬度稱為洛氏硬度HR。,第一章 金屬材料基本知識,1.1.3 硬度,洛氏硬度,圖1.3 洛氏硬度試驗原理圖,HR=K-bd/0.002,第一章 金屬材

9、料基本知識,1.1.3 硬度,維氏硬度,用49-981N的載荷,將頂角為136°的金剛石四方角錐體壓頭壓入金屬表面,以其壓痕面積除載荷所得的商稱為維氏硬度HV。,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.1.4 沖擊韌度,,圖1.4 沖擊試驗示意圖1 ——擺錘 2——試樣,沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力,通常用一次擺錘沖擊試驗來測定。,沖擊吸收功(AK)除以試樣缺口處的 截面積

10、S0,即可得到材料的沖擊韌度,αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0,沖擊韌度αK值愈大,表明材料的 韌性愈好,受到沖擊時不易斷裂。,第一章 金屬材料基本知識,1.1.5 疲勞強度,雖然零件所受應力遠低于材料的屈服點,但在長期使用中往往會 突然發(fā)生斷裂,這種破壞過程稱為疲勞斷裂。,工程上規(guī)定,材料經無數(shù)次重復交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應力稱為疲勞強度。,材料的疲勞強度與其合金化學成分、內部組織及缺陷、表面劃痕及零件

11、截面突然改變等有關。,第一章 金屬材料基本知識,1.1.5 疲勞強度,圖1.5 疲勞曲線,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.2 金屬與合金的晶體結構與結晶,1.2.1 金屬的晶體結構,1.2.2 純金屬的結晶,1.2.3 合金的晶體結構,1.2.4 鐵碳合金,第一章 金屬材料基本知識,1.2.1 金屬的晶體結構,晶體與非晶體,第一章 金屬材料基本知識,1.2.1 金屬的晶體結構,圖1.6 簡單立方晶格與晶胞示意圖,

12、晶格與晶胞,第一章 金屬材料基本知識,1.2.1 金屬的晶體結構,三種典型的金屬晶格類型,圖1.7 常見金屬晶格的晶胞,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,金屬的結晶一般是指金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。,純金屬的晶體結構是在結晶過程中逐步形成的。,研究結晶的規(guī)律對于探索改善金屬材料性能的途徑有重要的意義。,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,純金屬的冷卻曲線,圖1.8 純金屬的冷

13、卻曲線,液態(tài)金屬隨著冷卻時間的延長,它所含的熱量不斷散失,溫度也不斷下降,當冷卻到某一溫度時,溫度隨時間延長并不變化出現(xiàn)了“平臺”,金屬繼續(xù)向環(huán)境散熱,溫度又重新開始下降,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,純金屬的冷卻曲線,圖1.8 純金屬的冷卻曲線,圖中To為理論結晶溫度,金屬實際結晶溫度(Tn)總是低于理論結晶溫度(To)的現(xiàn)象,稱為“過冷現(xiàn)象”,理論結晶溫度和實際結晶溫度之差稱為過冷度，以ΔT表示,ΔT=To-T

14、n,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,純金屬的結晶過程,(1)晶核的形成,(2)晶核的長大,,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,純金屬的結晶過程,(1)晶核的形成,在過冷度存在的條件下,依靠產生微細小晶體形成晶核的過程,稱為自發(fā)形核,依附于雜質或型壁而形成晶核的過程,稱為非自發(fā)形核,自發(fā)形核和非自發(fā)形核在金屬結晶時是同時進行的,但非自發(fā)形核常起優(yōu)先和主導作用,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金

15、屬的結晶,純金屬的結晶過程,(2)晶核的長大,晶核形成后,會吸附其周圍液態(tài)中的原子,不斷長大,晶核長大使液態(tài)金屬的相對量逐漸減少,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,(1)點缺陷,最常見的點缺陷有空位、置換原子和間隙原子等,如圖1.9所示,由于點缺陷的出現(xiàn),使周圍原子發(fā)生“撐開”或“靠攏”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為晶格畸變,(1)點缺陷,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,圖1.9 點缺陷

16、示意圖,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,(2)線缺陷,線缺陷主要指的是位錯,最常見的位錯形態(tài)是刃型位錯,如圖1.10所示,(2) 線缺陷,圖1.10 刃型位錯晶體結構示意圖,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,(3)面缺陷,通常指的是晶界和亞晶界,實際金屬材料都是多晶體結構,多晶體中兩個相鄰晶粒之間晶格位向是

17、不同的,所以晶界處是不同位向晶粒原子排列無規(guī)則的過渡層,圖1.11 晶界示意圖,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶體的缺陷,(3)面缺陷,第一章 金屬材料基本知識,1.2.2 純金屬的結晶,晶粒大小及其控制,實際金屬結晶后形成多晶體,晶粒的大小對力學性能影響很大。,一般情況下,晶粒愈細小,金屬的強度、硬度就愈高,塑性、韌性也愈好,即綜合力學性能好。,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金

18、的晶體結構,合金的基本概念,(1)合金,(2)組元,(3)合金系,(4)相,(2)組織,,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的基本概念,(1)合金,一種金屬元素與其他金屬或非金屬元素,經熔煉、燒結或其他方法結合成具有金屬特性的物質,稱為合金,例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的基本概念,(2)組元,組成合金的最基本的獨立物質稱為組元,簡稱元,組元可以是金屬元素

19、或非金屬元素,也可以是穩(wěn)定化合物,由兩個組元組成的合金稱為二元合金,三個組元組成合金稱為三元合金,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的基本概念,(3)合金系,由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金,稱為合金系,例如,銅和鎳組成的一系列不同成分的合金,稱為銅—鎳合金系,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的基本概念,(4)相,合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結構和性質的均勻組成部

20、分稱為相,液態(tài)物質稱為液相;固態(tài)物質稱為固相,同樣是固相,有時物質是單相的,而有時是多相的,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的基本概念,(5)組織,用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨特微觀形貌特征的部分稱為組織,組織是決定材料最終性能的關鍵,在研究合金時通常用金相方法對組織加以鑒別,第一章 金屬材料基本知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的組織,圖1.12 固溶體的兩種類型,(1)固溶體,第一章 金屬材料基本

21、知識,1.2.3 合金的晶體結構,合金的組織,(2)金屬化合物,(3)機械混合物,工程上使用的大多數(shù)合金的組織都是固溶體和少量金屬化合物組成的機械混合物。通過調整固溶體中溶質含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況,可以使合金的力學性能在較大范圍內變化,從而滿足工程上的多種需求。,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(1)純鐵的同素異構轉變,(2)鐵碳合金的基本組織,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4

22、 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(1)鐵素體,鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體,用符號F表示,鐵素體由于溶碳量小,力學性能與純鐵相似,即塑性和沖擊韌度較好,而強度、硬度較低,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(2)奧氏體,奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體,用符號A表示,奧氏體的強度、硬度較低,但具有良好塑性,是絕大多數(shù)鋼高溫進行壓力加工的理想組織,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵

23、碳合金,鐵碳合金基本組織,(3)滲碳體,滲碳體是鐵和碳組成的具有復雜斜方結構的間隙化合物,用化學式Fe3C表示,滲碳體中的碳的質量分數(shù)為6.69%,硬度很高(800HBW),塑性和韌性幾乎為零,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(4)珠光體,珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物,用符號P表示,珠光體中ωC為0.77%,力學性能介于鐵素體和滲碳體之間,即綜合性能良好,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4

24、鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(5)萊氏體,萊氏體是ωC為4.3%的合金,緩慢冷卻到1148℃時從液相中同時結晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織,用符號Ld表示,萊氏體中由于大量滲碳體存在,其性能與滲碳體相似,即硬度高、塑性差,圖1.13 簡化的Fe-Fe3C相圖,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金相圖,(1) Fe-Fe3C相圖中典型點的含義如表1.2所示,1.2.4 鐵碳

25、合金,鐵碳合金相圖,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金相圖,(2) Fe-Fe3C相圖中特性線的意義如表1.3所示,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金相圖,第一章 金屬材料基本知識,第一章 金屬材料基本知識,1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金相圖,(3) Fe-Fe3C相圖相區(qū)分析,依據(jù)特性點和線的分析,簡化Fe-Fe3C相圖主要有4個單相區(qū):L、A、F、Fe3C;5個雙相區(qū):L+A、A+F、L+