北京机械工程师复习材料《工程材料》.pptx

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机械专业基础与实务,3.2工程材料基本要求：

掌握常用金属材料的性能及其选用。

熟悉常用金属材料的热处理原理、方法及其选用。

了解常用工程塑料、特种陶瓷、光纤和纳米材料种类及其应用。

了解常用金属材料的晶体结构、铁碳合金相图和试验方法。

3.4.5铸造3.4.6压力加工3.4.7焊接3.4.8表面处理基本要求：

熟悉铸造、压力加工、焊接和表面处理机械制造工艺的基本知识、常用方法、特点与应用。

工程材料,机械工程材料概念及分类机械工程材料：

用来制造各种机械零件的材料统称为机械工程材料。

机械工程材料分为两大类：

金属材料：

钢、铸铁、有色金属（如铜、铝）等。

非金属材料：

工程塑料、陶瓷、橡胶、光学纤维、纳米材料等。

金属材料,材料特性（力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能）晶体结构（晶体特性、金属的晶体结构、金属的结晶、金属在固态下的转变、合金的相结构）铁碳合金相图（典型的铁碳合金结晶过程分析、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响、铁碳合金相图的应用）试验方法材料选择（使用性能、工艺性能、经济性能）,材料特性,金属材料的主要性能使用性能：

指金属材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能、化学性能。

一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据，这是我们重点要掌握的内容。

工艺性能：

指材料在加工过程中反映出来的性能。

（金属材料使用某种工艺方法，如：

机械加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理工艺性能等进行加工的难易程度。

）,材料特性,力学性能的概念及主要指标金属材料的力学性能：

是指金属材料在常温下，抵抗外加载荷（或称外力）作用下表现出来的性能。

表示金属材料力学性能的主要指标有五个：

强度塑性硬度冲击韧性（或冲击韧度）抗疲劳性（或疲劳强度）,力学性能,强度的概念及分类强度：

是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。

表示材料强度的指标有两个：

屈服强度（s）表示材料产生屈服现象时的应力。

条件屈服强度（0.2）对拉伸过程中屈服现象不明显的材料（如铸铁）按GB228-87规定以伸长率为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，用0.2表示。

抗拉强度（b）表示材料被拉断前所承载的最大应力。

b是零部件设计和评定材料时的重要强度指标。

力学性能,塑性的概念及指标塑性：

是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

表示塑性的两个指标：

伸长率（）试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。

断面收缩率（）试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

注：

当材料的和值愈高时表示材料的塑性愈好。

一般达5%，达10%就可满足绝大多数零构件的要求。

力学性能,硬度的概念及主要测定指标硬度：

是指金属材料抵抗更硬的物体压入表面的能力。

根据测定硬度方法的不同，可用布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）等多种硬度指标表示材料的硬度。

布氏硬度（HBS）用淬火钢球做压头时，用HBS表示。

适用测量布氏硬度小于450材料。

布氏硬度（HBW）用硬质合金球作压头时，用HBW表示。

适用测量布氏硬度值在450-650的材料。

适用范围布氏硬度特别适用测定灰铸铁、钢件退火、正火和调质钢的硬度。

优点测量数据稳定，重复性强。

缺点压痕较大，不适用成品检验。

力学性能,硬度的概念及主要测定指标洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）以测量压痕深度来表示材料的硬度值。

常用的三种测试方法中HRC用得最多。

适用范围常用于检验钢淬火后的硬度。

优点操作简便迅速，压痕较小，可在工件上直接打硬度。

缺点压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。

如60HRC，数字为硬度值，表示洛氏硬度60。

维氏硬度（HV）测量原理基本以布氏硬度相同.适用范围测量较薄的材料、表面硬化层及金属镀层的硬度。

优点所用载荷小，压痕深度浅，测量精度高，范围大。

缺点操作复杂，效率低，不宜用做大批量检测。

由于压痕小致使所测硬度重复性差，分散度大。

力学性能,冲击韧性的概念及特点冲击韧性是指在冲击载荷作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力。

其值以“ak”来表示。

冲击韧性的特点：

金属材料的ak值越大，它的韧性就越好，在受到冲击时越不容易断裂。

材料的冲击韧性值可以用冲击实验方法测定。

力学性能,疲劳强度的概念及提高材料疲劳强度的方法疲劳强度：

是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用来表示材料抵抗疲劳断裂的能力。

工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数而不断裂，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。

用“-1”表示。

提高材料疲劳强度的方法：

在生产中常采用各种材料表面强化处理技术如：

喷丸、滚压、渗碳、渗氮和表面淬火等。

此外，减小零件表面粗糙度也可以显著地提高材料的疲劳极限。

材料的疲劳强度可以用疲劳实验机进行测定。

金属材料的物理、化学及工艺性能,物理性能金属材料主要的六种物理性能：

比重熔点热膨胀性导热性导电性磁性,金属材料的物理、化学及工艺性能,物理性能机器零件用途不同，对其物理性能的要求也不同。

例如：

飞机、导弹零件为减轻自重则选用比重小的，强度高的铝合金制造。

电器零件要求导电性。

制造变压器选用硅钢片，要求具有良好磁性。

物理性能对加工工艺也有影响，如导热性差的材料，在经热处理或锻压工艺加工的加热速度应缓慢些，防止产生裂纹。

在铸造中，对熔点不同的材料，所选择的浇注温度也有所不同。

熔点低的金属，铸造性能好，对铸造工艺有利。

金属材料的物理、化学及工艺性能,化学性能化学性能是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。

化学性能种类：

耐酸性耐碱性抗氧化性。

金属材料的物理、化学及工艺性能,工艺性能工艺性能是指材料加工成形的难易程度。

工艺性能种类：

铸造性能（可铸性）压力加工性能（可锻性）焊接性能（可焊性）机械加工性能（切削加工性）热处理工艺性能（热处理性）,晶体结构,物质的构成及分类物质的构成：

物质是由原子构成的。

物质的分类：

根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体与非晶体两大类。

晶体结构,晶体的特性晶体内部原子呈规则排列的物质称为晶体。

（如：

固态金属）特点：

（1）晶体具有一定的熔点

（2）规则的几何外形（3）各向异性（晶体在不同方向上测量其性能时，表现出或大或小的差异）非晶体凡是内部原子无规则排列的物质称为非晶体。

（如：

松香、玻璃等）,金属的晶体结构,晶体结构、晶格和晶胞的概念晶体结构：

是晶体内部原子排列方式及特征。

晶格：

为了便于研究和描述晶体内原子的排列规律，通常把原子当作刚性小球，并将其看作平衡位置上静止不动，用假想的直线将原子振动中心连接起来，形成一个空间格子。

晶胞：

晶体中原子排列具有周期性，可从晶格中选取一个表征晶格的最小几何单元。

晶格常数：

表示晶胞的尺寸和形状。

通常用棱边长a、b、c和棱边夹角、。

如：

立方晶格的a=b=c，=。

金属的晶体结构,常见金属的晶格类型常见的三种金属的晶格：

体心立方晶格：

具有这种晶格的金属有Fe、Cr、W、V等。

面心立方晶格：

具有这种晶格的金属有Fe、Cu、Ni、Pb等。

密排六方晶格：

具有这种晶格的金属有Mg、Zn等。

金属的晶体结构,金属的实际晶体结构实际金属材料中都是由很多晶粒组成的我们称它为多晶体。

（如纯铁的显微组织）从显微组织中可知是由：

晶粒每个晶粒相一个单晶体。

晶界晶粒之间的界面。

金属的晶体结构,晶体缺陷的概念和种类晶体缺陷：

在实际金属材料中，总不可避免地存在着一些，原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何形态特征，可分为三种：

点缺陷空位间隙原子置换原子线缺陷刃型位错螺旋位错位错是一种重要的缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形起着决定性的作用。

面缺陷有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。

金属的结晶,结晶的概念及基本规律结晶的概念：

由液态金属转变为固态晶体的过程。

结晶的基本规律：

过冷现象每一种金属都有一个平衡结晶温度，称为理论结晶温度用“TO”表示。

只有冷却到低于TO温度才能结晶，这种现象称为“过冷度”。

用“T”表示。

过冷度（T）理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。

影响过冷度的因素：

冷却速度冷却速度与过冷度之间的关系：

冷却速度越大，过冷度越大。

金属的结晶,结晶的过程和晶粒大小对金属力学性能的影响结晶的过程：

结晶是在一定过冷度下，从无到有，从小到大的过程。

即是形核和长大的过程。

晶粒大小对金属力学性能的影响：

晶粒愈细，其金属的强度愈高，塑性和韧性愈好。

细化晶粒的方法：

过冷度的影响（提高冷却速度）变质处理在金属液中加入某些杂质，进行非自发形核，以细化晶粒。

如在铸铁中加入硅钙合金的处理。

采用机械振动、超声波振动和电磁搅拌,金属在固态下的转变,金属在固态下转变的性质和种类金属在固态下转变的性质：

一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn等，在结晶之后的继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶体转变成另一种晶体。

金属在固态下的两种转变：

同素异晶转变金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化。

如纯铁的同素异晶转变。

磁性转变磁性转变不发生晶格类型转变，而是发生磁性和无磁性转变。

铁的磁性转变温度是768，低于此温度铁才具有磁性。

合金的相结构,合金的概念及合金相结构的分类合金将两种或两种以上的金属或金属与非金属融合在一起，获得的具有金属性质的物质，称为合金。

三种合金相结构：

固溶体合金各组元在固态时具有相互溶解能力而形成的均匀固体，这种固体合金称为固溶体。

如铜镍合金形成置换固溶体。

铁碳合金为间隙固溶体。

固溶强化：

各类元素的原子大小不同，因此，不论组成那种类型的固溶体，都会使合金的晶格发生歪扭，从而使合金变形阻力增大，硬度和强度升高，这种现象称为固溶强化。

金属化合物合金各组元按一定原子数量比化和而成的一种新物质（它具有特殊晶格）。

如碳钢中的碳化三铁（Fe3C），它是复杂晶体结构。

性能特点：

熔点高，硬度、脆性大。

机械混合物组成合金的各组元在固态下以混合形式组合在一起组成物。

性能特点：

具有比单一固溶体更高的硬度、强度、耐磨性和良好的切削加工性，但塑性和抗蚀性较差。

如锡、锑、铜组成的轴承合金。

铁碳合金相图,铁碳合金在固态下的基本组织铁素体（F）碳在-Fe中形成的间隙固溶体。

用符号“F”表示。

性能特点：

强度、硬度不高，但塑性、韧性好。

奥氏体（A）碳在-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“A”表示。

性能特点：

硬度低、塑性高、易于塑性成型。

渗碳体（Fe3C）是Fe和C的化合物，分子式为Fe3C,含C量为6.69%。

性能特点：

硬度高、脆性大、塑性和冲击韧性几乎等于零，在钢中起强化作用。

珠光体（P）是F+Fe3C组成的机械混合物称为珠光体，用“P”表示。

性能特点：

机械性能介于Fe3C和F两者之间，即强度较好，硬度适中并具有一定塑性。

莱氏体（Ld）是A+Fe3C组成的机械混合物称为莱氏体。

用“Ld”表示。

性能特点：

硬度高，塑性差。

铁碳合金相图,铁碳合金状态图概念是表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度所具有的组织或状态的图形。

Fe-Fe3C状态图中点、线的含义特性点特性线Fe-C合金的分类工业纯铁:

含碳量小于0.0218%的铁碳合金。

室温组织为F。

钢：

含碳量在0.0218%2.11%的铁碳合金。

根据含碳量和室温组织的不同可分为三种：

共析钢-含碳量为0.77%，室温组织为P。

亚共析钢-含碳量为0.02%0.77%，室温组织为F+P。

过共析钢-含碳量为0.77%2.11%，室温组织为P+Fe3C（二次渗碳体）。

生铁：

含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金。

根据含碳量和室温组织的不同可分为三种：

共晶生铁-含碳量为4.3%，室温组织为Ld。

亚共晶生铁-含碳量为2.11%4.3%，室温组织为P+Fe3C+Ld。

过共晶生铁-含碳量为4.3%6.69%，室温组织为Fe3c（一次渗碳体）+Ld。

铁碳合金相图,碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响碳对平衡组织的影响随着含碳量的增加，铁碳合金的组织发生如下变化：

工业纯铁（F）亚共析钢（F+P）共析钢（P）过共析钢（P+Fe3C）亚共晶生铁（P+Fe3C+Ld）共晶生铁（Ld）过共晶生铁（Fe3c+Ld），从以上组织变化可看出，随着含碳量的变化组织中不仅Fe3C的数量增加，而且Fe3C的存在形式也在变化。

如共析Fe3C（分布在铁素体内的层片状）Fe3C（沿奥氏体晶界分布的网状）共晶Fe3C（为莱氏体的基体）Fe3C（分布在莱氏体上的粗大片状）碳对力学性能的影响低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。

随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体量不断减少，而珠光体量不断增加，导致强度，硬度提高，而塑性、韧性下降，当钢的含碳增到0.9%时，其组织大多数为珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达最高。

当含C1.0%，由于网状二次渗碳体的出现，导致钢的强度下降。

为了保证工业用钢具有足够的强度、硬度和适宜的塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.3%1.4%。

铁碳合金相图,铁碳相图的应用为选材提供成分依据若零件要求塑性、韧性好，如建筑结构、容器等，应选用低碳钢（含碳量小于0.25%）若零件要求强度、塑性、韧性都好，如轴类等零件，应选用中碳钢（含碳为0.25%0.60%）若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（含碳量大于0.60%.）为制定热加工工艺提供了依据铸造：

根据相图可以确定不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图中液相线和固相线之间的距离估计铸造性能好坏，距离越小，铸造性能越好，因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。

锻造：

根据相图可以确定锻造温度。

钢处于奥氏体状态时，强度低、塑性高，便于塑性变形。

因此锻造或轧制温度必须选择在单相奥氏体区的适当温度范围内。

实际生产中各种碳钢的始锻和始轧温度为11501250，终轧和终锻温度为750850。

焊接：

可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。

热处理：

热处理的加热温度都以相图上的临界点A1、A3、Acm为依据.,