《机械工程材料》.ppt

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1、工程材料,总 复 习,使用性能,工艺性能,纯金属,合金,工业用钢,有色金属及其合金,铸铁,结晶,塑性变形,热处理,一、性能, 使用性能1、力学性能 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量：E=/ 强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。,条件屈服强度 0.2残余塑变为0.2%时的应力。疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。, 冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k.材料的使用温度应在

2、冷脆转变温度以上。 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。2、化学性能 耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。 抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。, 工艺性能1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。,二、晶体结构, 纯金属的晶体结构1、理想金属 晶体：原子呈规则排列的固体。 晶格：表示原子排列规律的空间格架。 晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元., 三种

3、常见纯金属的晶体结构, 立方晶系的晶面指数和晶向指数晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（ ）晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 立方晶系常见的晶面和晶向 晶面族与晶向族指数不同但原子排列完全相同的 晶面或晶向。密排面和密排方向 同滑移面与滑移方向在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。,2、实际金属, 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. 晶界：晶粒之间的交界面。 晶体缺陷晶格不完整的部位 点缺陷 空位：晶格中的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子。, 线缺陷位错晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿

4、某一晶面发生局部滑移, 滑移面上滑移区与未滑移区的交接线. 面缺陷晶界和亚晶界 亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。 晶界的特点：原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。,金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好. 细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。, 合金的晶体结构合金：由两种或两

5、种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。 相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相. 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。, 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。铁素体：碳在-Fe中的固溶体。奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。,马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提

6、高。 金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相. 正常价化合物 如Mg2Si 电子化合物 如Cu3Sn 间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。,强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C 性能比较：强度：固溶体纯金属 硬度：化合物固溶体纯金属 塑性：化合物固溶体纯金属, 金属化合物形态对性能的影响 基体、晶界网状：强韧性低 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 颗粒状：弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度

7、、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 固溶体与化合物的区别：结构；性能；表达方式, 合金元素在钢中的作用,1、强化铁素体；2、形成化合物第二相强化3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区4、使S、E点左移5、影响A化6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高.7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。,8、提高回火稳定性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力） 9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象) 10、防止第二类回火脆性：W、Mo(回火脆性

8、 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。),三、组织, 纯金属的组织1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 结晶的条件过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 结晶的基本过程晶核形成与晶核长大形核自发形核与非自发形核长大均匀长大与树枝状长大, 结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变质处理；机械振动、搅拌2、纯金属中的固态转变同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。固态转变的特点：形核部位特殊；过冷倾向大;伴随着体积变化。,3、再结晶再结晶条件：冷塑性变形加热时的变化：回复再结晶晶粒长大再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组

9、的过程.再结晶不是相变过程。 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。纯金属的最低再结晶温度T再0.4T熔 影响再结晶晶粒度的因素：加热温度和时间；预先变形程度,4、塑性变形：金属塑性变形方式：滑移和孪生 滑移的特点：只能在切应力的作用下发生；沿密排面和密排方向发生；位移量是原子间距整数倍；伴随着转动滑移的机理：通过位错运动实现。,孪生特点：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。 冷热加工：以再结晶温度划分 冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、织构：变形量大时，大部分晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象。,加工硬化：

10、 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，提高。 热加工：形成纤维组织、带状组织纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致。, 合金的组织,1、相图 匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+杠杆定律：只适用于两相区。枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。 2、合金中的固态相变 固溶体转变：AF 共析转变：AP(F+Fe3C) 二次析出：AFe3C, 奥氏体化 过冷奥氏体转变 固溶处理+时效：固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和

11、的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,3、铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+ Fe3C,A+F,L+A,A+ ,L+ ,F,A,L,L+ Fe3C,F+ Fe3C,A+ Fe3C,A+ Fe3C+Le,Le,Le+ Fe3C,Le+ Fe3C,Le,P+ Fe3C+Le,P+ Fe3C,P+F,P,F+ Fe3C,莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(P+Fe3C),珠光体P(F+ Fe3C),复相组织组成物：,组织组成物标注,相区标注,线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,C%,温度,典型合金的结晶过

12、程（以共析钢为例）,时间,温度,杠杆定律的应用,四、钢的热处理, 热处理原理1、加热时的转变奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。奥氏体化后的晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。,2、冷却时的转变, 等温转变曲线及产物,650,600,550,350,P,S,T,B上,B下,M,M+A,AP,AS,AT,AB上,AB下,AM,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A, 用C曲线定性说明连续冷却转变产物,根据与C曲线交点位置判断转变产物,P,均匀A,细A,等温退火,P,P,退火,(炉冷

13、),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),M回,150-250,T回,350-500,S回,500-650,?,?,?,?,P,T+S回,S,T+B下+M+A,3、回火时的转变碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；-碳化物转变为Fe3C ；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 。W18Cr4V钢： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了四种基本强化方法。, 热处理工艺,热处理工艺（续）,五、工业用金属材料, 工业用钢,工业用钢（续）,工业用钢（续）, 铸铁,石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。, 有色金属及其合金,