第1章工程材料基础PPT讲稿.ppt

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1、第1章工程材料基础第1页，共111页，编辑于2022年，星期一 材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。类。目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。性能和工艺性能。金属材料的特性金属材料的特性有有：强强度度较较高、塑性高、塑性较较好、好、导电导电性高、

2、性高、导导热热性好、有金属光性好、有金属光泽泽等。等。第2页，共111页，编辑于2022年，星期一 高高分分子子和和陶陶瓷瓷材材料料的的某某些些力力学学性性能能不不如如金金属属，但但具具有有金金属属材材料料不不具具备备的的某某些些特特性性，如如耐耐腐腐蚀蚀、电电绝绝缘缘、隔隔音音、减减震震、耐耐高高温温、质质轻轻、来来源源丰丰富富、价价廉廉、成成形形加加工工容容易易等等优优点点，近近年年发展较快。发展较快。材材料料性性能能的的决决定定因因素素：化化学学成成分分、内内部部组组织织和和状状态态。其其中中“化化学学成成分分”是是改改变变性性能能的的基基础础，“处处理理”是是改改变变性性能能的的手段手

3、段，“组织组织”是是性能变化的性能变化的根据。根据。第3页，共111页，编辑于2022年，星期一 第第1节节 金属材料的结构金属材料的结构1 1）晶晶体体。其其内内部部原原子子在在空空间间作作有有规规则则的的排排列列，如如食食盐盐、金金刚刚石等；纯金属及合金均属于晶体。石等；纯金属及合金均属于晶体。2 2）非非晶晶体体。其其内内部部原原子子杂杂乱乱无无章章地地不不规规则则的的堆堆积积，如如玻玻璃璃、沥沥青青等。等。1.1.1 1.1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构 3 3）晶体结构）晶体结构。指晶体中原子排列的方式，指晶体中原子排列的方式，如图如图1-1a1-1a所示。所示。4 4）晶晶格格

4、。把把晶晶体体内内的的每每一一个个原原子子看看成成一一个个小小球球，把把这这些些小小球球用用线线条条连连接接起起来来，形形成成一一个个空空间间格格架架，这这种种空空间间格格架架叫叫晶晶格格，如如图图1-1b1-1b 所示。所示。5 5）晶胞。）晶胞。晶格的最小几何组成单元，晶格的最小几何组成单元，如图如图1-1c1-1c所示。所示。第4页，共111页，编辑于2022年，星期一6 6）晶格常数）晶格常数。晶胞中各棱边的长度，单位为晶胞中各棱边的长度，单位为 7）金属中常见的晶体结构）金属中常见的晶体结构 体体心心立立方方晶晶格格：晶晶胞胞是是一一个个正正六六方方体体，立立方方体体的的八八个个角角

5、上上和和立立方方体体的的中中心心各各有有一一个个原原子子，如如图图1-2a1-2a。其其原原子个数为：子个数为：，如铬、钠等。，如铬、钠等。图图1-2a 体心立方晶格体心立方晶格第5页，共111页，编辑于2022年，星期一 面心立方晶格：面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-2b1-2b。其原子个数为：其原子个数为：，如铝，铜等。，如铝，铜等。密密排排六六方方晶晶格格：晶晶胞胞是是一一个个正正六六方方柱柱体体，在在六六方方柱柱体体的的十十二二个个角角上上和和上上、

6、下下底底面面的的中中心心各各有有一一个个原原子子，在在上上、下下底底面面之之间间还还均均匀匀分分布布着着三三个个原原子子如如图图1-2c1-2c。其其原原子子个个数数为：为：，如镁、锌等。，如镁、锌等。图图1-2b 面心立方晶格面心立方晶格图图1-2c 密排六方晶格密排六方晶格第6页，共111页，编辑于2022年，星期一 1.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 1.1.固溶体固溶体 合合金金在在固固态态下下溶溶质质原原子子溶溶入入溶溶剂剂，仍仍保保持持溶溶剂剂晶晶格格。根根据据固固溶溶体体晶晶格格中中溶溶剂剂与与溶溶质质原原子子的的相相互互位位置置的的不不同同，可可分分为为置置换换固固溶溶体

7、体（如如黄黄铜铜）和和间间隙隙固固溶溶体体(如如铁铁素素体体和和奥奥氏氏体体)，如如图图1-31-3和和图图1-41-4所示。所示。合合金金是是指指由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素或或金金属属元元素素和和非非金金属属元元素素，通通过过熔熔化化或或其其它它方方法法结结合合而而成成的的具具有有金金属属特特性性的的物质。物质。组组元元是是组组成成合合金金的的最最基基本本的的、独独立立的的单单元元。组组元元可可以以是是金金属属、非非金属或化合物（如渗碳体）。金属或化合物（如渗碳体）。合合金金的的晶晶体体结结构构大大致致可可归归纳纳为为3 3类类，即即固固溶溶体体、金金属属化化合合物

8、和机械混合物。物和机械混合物。第7页，共111页，编辑于2022年，星期一 固固溶溶强强化化：当当溶溶质质原原子子溶溶解解在在溶溶剂剂晶晶体体中中时时，溶溶剂剂的的晶晶格格将将发发生生畸畸变变，晶晶格格常常数数发发生生变变化化，如如图图1-51-5所所示示。原原子子尺尺寸寸相相差差大大，化化学学性性质质不不同同，都都使使畸畸变变增增大大，结结果果合合金金的的强强度度、硬硬度度和和电电阻阻增增高高，塑塑性性，韧韧性性下下降降。溶溶入入的的溶溶质质原原子子越越多多，引引起起的的晶晶格格畸畸变变也也越越大大。这这种种由由于于溶溶质质原原子子的的溶溶入入，使使基基体体金金属属（溶溶剂剂）的的强强度度、

9、硬度升高的现象就叫固溶强化。硬度升高的现象就叫固溶强化。第8页，共111页，编辑于2022年，星期一 2.2.金属化合物金属化合物 组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。脆性。3.3.机械混合物机械混合物 由由两两种种或或两两种种以以上上的的组组元元、固固溶溶体体或或金金属属化化合合物物按按一一定定重量比例组成的均匀物质称为机械混合

10、物。重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。混混合合物物中中各各组组成成部部分分仍仍按按自自己己原原来来的的晶晶格格形形式式结结合合成成晶晶体体，如如铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体形形成成珠珠光光体体。混混合合物物的的性性能能取取决决于于组组成成混混合合物物的的各各部部分分的性能，及其数量、大小、分布和形态。的性能，及其数量、大小、分布和形态。第9页，共111页，编辑于2022年，星期一1.1.3 金属的结晶金属的结晶1）结结晶晶。指指金金属属的的原原子子由由近近程程有有序序状状态态（液液态态）转转变变成成长长程有序状态（晶态）的过程程有序状态（晶态）的过程。2 2）纯纯金金属属结结晶晶的的冷冷却

11、却曲曲线线。金金属属液液非非常常缓缓慢慢的的冷冷却却时时，记记录录温温度度随随时时间间而而变变化化的的曲曲线线，如如图图1-61-6所所示示。出出现现水水平平线线段段的的原原因因是是结结晶晶时时放放出出大大量量的的结结晶晶潜潜热热，补补偿偿了了金金属属向向周周围围散散失失的的热热量。量。3 3）过过冷冷。在在实实际际结结晶晶过过程程中中，金金属属液液只只有有冷冷却却到到理理论论结结晶晶温温度度（熔熔点点）以以下下的的某某个个温温度度时时才才结结晶晶的的现现象象。理理论论结结晶晶温温度度 和和实实际际结结晶晶温温度度 之之间间的的温温度度差差 叫叫过过冷冷度度，它它与与冷冷却却速速度度有有关关，

12、冷冷却却越越快快，过过冷冷度度越越大大，反反之。之。图图1-6 冷却曲线冷却曲线第10页，共111页，编辑于2022年，星期一4 4）结晶过程。）结晶过程。晶体形核和成长过程。如图晶体形核和成长过程。如图1-71-7所示，在液体所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即子团，成为结晶的核心，即晶核晶核 （形核过程）。然后原子按（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生

13、并长大。当程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为之间形成界面，称为晶界晶界。图图1-7 结晶过程示意图结晶过程示意图第11页，共111页，编辑于2022年，星期一5 5）单单晶晶体体。结结晶晶后后，每每个个晶晶核核长长成成为为一一个个晶晶体体，称称为为单单晶体。晶体。6 6）多多晶晶体体。由由许许多多外外形形不不规规则则、大大小小不不等等、排排列列位位向

14、向不不同同的的小小颗颗粒粒晶晶体体组组成成。在在多多晶晶体体中中，这这些些小小颗颗粒粒晶晶体体叫叫晶晶粒粒；晶晶粒粒与与晶晶粒粒之之间间的的界界面面叫叫晶晶界界。晶晶粒粒的的大大小小影影响响材材料料的的力力学学、物物理理、化化学学性性能能，一一般般情情况况下下，晶晶粒粒越越细细，强强度度和和硬硬度度越越高高，塑塑性性和和韧韧性性越越好好。因因为为晶晶粒粒越越细细小小，晶晶界界就就多多，晶晶界界处处的的晶晶体体排排列列极极不不规规则则，界界面面犬犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。7 7）细细晶晶强强化化。用用细细化化晶晶粒粒的的方方法法

15、来来提提高高金金属属材材料料的的力力学学性性能能。金金属属凝凝固固后后的的晶晶粒粒大大小小与与凝凝固固过过程程中中形形核核的的多多少少和和晶晶核核长长大大速速度度有有关关，晶晶核核越越多多，长长大大速速度度越越慢慢，晶晶粒粒越越细细。而而过过冷冷度度越越大大，产产生生的的晶晶核核越越多多，晶晶核核多多，每每个个晶晶核核长长大大受受到到制制约，形成的晶粒就越细小。约，形成的晶粒就越细小。第12页，共111页，编辑于2022年，星期一 为为了了合合理理地地使使用用和和加加工工金金属属材材料料，必必须须了了解解其其使使用用性性能和工艺性能。能和工艺性能。第第2 2节节 工程材料的性能工程材料的性能

16、使使用用性性能能：指指各各个个零零件件或或构构件件在在正正常常工工作作时时金金属属材材料料应应具具备备的的性性能能，它它决决定定了了金金属属材材料料的的应应用用范范围围、使使用用的的可可靠靠性性和和寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。工工艺艺性性能能：指指金金属属材材料料在在冷冷、热热加加工工过过程程中中应应具具备备的的性性能能，它它决决定定了了金金属属材材料料的的加加工工方方法法。包包括括铸铸造造性性能能、锻锻造造性性能能、焊焊接性能、切削加工性能和热处理性能。接性能、切削加工性能和热处理性能。1.2.1 金属材料的性能金属材料的性能第13页，共1

17、11页，编辑于2022年，星期一 金金属属材材料料的的刚刚度度、强强度度、弹弹性性、塑塑性性是是通通过过拉拉伸伸实实验验来来测测定定的的，标标准准试试样样如如图图1-81-8所所示示，把把试试样样安安装装在在拉拉伸伸试试验验机机上上，并并对对试试样样施施加加一一个个缓缓慢慢增增加加的的轴轴向向拉拉力力，试试样样产产生生变变形形，直直至断裂。至断裂。力力学学性性能能（机机械械性性能能）：指指金金属属材材料料具具有有的的抵抵抗抗一一定定外外力力作作用用而而不不被被破破坏坏的的性性能能。金金属属材材料料的的力力学学性性能能主主要要有有：刚刚度度、强强度度、弹弹性性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲

18、劳强度等。塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。1.2.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能图图1-8 圆形拉伸试样圆形拉伸试样第14页，共111页，编辑于2022年，星期一 拉伸曲线：拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-91-9所示，负荷为所示，负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。纵坐标，绝对伸长量为横坐标。图图1-9 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线1.1.强度强度 拉拉伸伸曲曲线线oeoe段段是是直直线线，金金属属材材料料处处在在弹弹性性变变形形阶阶段段，应应力力与与应应变变成成正正比比例例关关系系，服服从从虎虎克克定定律律，其其比比值值称称弹弹

19、性性模模量量，是是衡衡量量材材料料抵抵抗抗弹弹性性变变形形能能力力的指标。的指标。1 1）弹弹性性极极限限。金金属属材材料料产产生生完完全全弹弹性性变变形形时时所所能能承承受受的的最最大大应应力力值值，单位单位MPaMPa。即。即试样发生完全弹性变形的最大载荷（试样发生完全弹性变形的最大载荷（N）；）；试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中第15页，共111页，编辑于2022年，星期一2 2）抗抗拉拉强强度度。当当负负荷荷继继续续增增加加超超过过s s点点后后，变变形形量量随随着着负负荷荷的的增增加加而而急急剧剧增增加加，当当负负荷荷超超过过b b点点，变变形形集集中中

20、在在试试样样的的某某一一部部位位上上，试试样样在在该该部部位位出出现现缩缩颈颈现现象象，拉拉伸伸变变形形集集中中在在缩缩颈颈处处。继继续续施施加加负负荷荷，试试样样在在k k点点断断裂裂。材材料料断断裂裂前前所所承承受受的的最最大大应应力力，即即为为抗抗拉拉强强度度（强强度度极极限限），它它也也是是试试样能够保持均匀塑性变形的最大应力样能够保持均匀塑性变形的最大应力 。试样被拉断前所承受的最大载荷（试样被拉断前所承受的最大载荷（N）；）；试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中第16页，共111页，编辑于2022年，星期一3 3）屈屈服服点点 。开开始始产产生生屈屈服服现

21、现象象时时的的应应力力称称为为屈屈服服点点，其其含含义义指指在在外外力力作作用用下下开开始始产产生生明明显显塑塑性性变变形形的的最最小小应应力力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。也即材料抵抗微量塑性变形的能力。条条件件屈屈服服极极限限：有有些些塑塑性性较较低低的的材材料料没没有有明明显显的的屈屈服服点点，难难于于确确定定产产生生塑塑性性变变形形的的最最小小应应力力。故故规规定定当当试试样样产产生生0.2%0.2%的的塑塑性性变变形形时时所所对对应应的的应应力力作作为为材材料料开开始始产产生生明明显显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限 。零零件件设设计计

22、时时对对塑塑性性材材料料采采用用屈屈服服强强度度；脆脆性性材材料料采采用用抗抗拉拉强强度。度。试样发生屈服时的载荷（试样发生屈服时的载荷（N）；）；试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中第17页，共111页，编辑于2022年，星期一2.2.塑性塑性 塑塑性性指指金金属属材材料料在在静静载载荷荷作作用用时时，在在断断裂裂前前产产生生塑塑性性变变形形的的能能力力，反反映映材材料料塑塑性性的的力力学学性性能能指指标标有有延延伸伸率率 和和断面收缩率断面收缩率 。1 1）延伸率。）延伸率。指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即 2 2）断断

23、面面收收缩缩率率。指指试试样样拉拉断断后后缩缩颈颈处处横横截截面面积积的的最最大大相相对对收缩值。收缩值。试样断裂后的标距长度；试样断裂后的标距长度；试样的原始标距长度；试样的原始标距长度；式中式中试样断裂出的最小横截面积；试样断裂出的最小横截面积；试样的原始横截面积；试样的原始横截面积；式中式中第18页，共111页，编辑于2022年，星期一3.3.硬度硬度 硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏

24、硬度。和维氏硬度。1 1）布布氏氏硬硬度度HBS(HBW)HBS(HBW)。布布氏氏硬硬度度是是在在布布氏氏硬硬度度计计上上进进行行测测量量的的，用用一一定定直直径径的的钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球为为压压头头，以以相相应应的的实实验验力力压压入入试试样样表表面面，保保持持规规定定的的时时间间后后，卸卸除除实实验验力力，在在试试样样表表面面形形成成压压痕痕，以以压压痕痕球球形形表表面面所所承承受受的的平平均均负负荷荷作作为为布布氏氏硬硬度度值值，如如图图1-101-10示。示。图图1-10 布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图实验力（实验力（kgf）；）；球体直径（球体直径（mm）；）；压

25、痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。式中式中第19页，共111页，编辑于2022年，星期一 在在做做布布氏氏试试验验时时，只只需需测测量量出出d值值即即可可从从有有关关表表格格上上查查出出相相应应的的布布氏氏硬硬度度值值。压压头头为为钢钢球球时时，为为HBSHBS，适适用用于于布布氏氏硬硬度度450450以以下下的的材材料料；压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，为为HBWHBW，适适用用于于布布氏氏硬硬度度650650以以下下的的材材料料。优优点点：测测量量结结果果准准确确，缺缺点点：压压痕痕大大，不不适适合合成成品品检验检验。2 2）洛氏硬度）洛氏硬度。洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为

26、测量硬度值洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据的依据,如图如图1-111-11所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，是一个相对值，人人们规们规定每定每0.002mm0.002mm压压痕深度痕深度为为一个洛氏硬度一个洛氏硬度单单位。洛氏硬度用位。洛氏硬度用HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC来表示来表示。HRCHRC采用采用顶顶角角为为120120的的金金刚刚石石圆圆锥锥体体为压头，施加为压头，施加150kgf150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为材料的测定，常用

27、硬度值为20-67HRC20-67HRC；HRAHRA采用外加载荷为采用外加载荷为60kgf60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA70-85HRA；HRBHRB采用直径采用直径1.588mm1.588mm的钢球，的钢球，100kgf100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为硬度值为25-100HRB25-100HRB。优优点：点：测测量迅速量迅速简简便，便，压压痕小，可在成品痕小，可在成品零件上零件上检测检测 。第20页，共111页，编辑于2022年，星期一3 3）维维氏氏硬硬度度HVHV

28、。测测试试的的基基本本原原理理与与布布氏氏硬硬度度相相同同，但但压压头头采采用用锥锥面面夹夹角角136136的的金金刚刚石石正正四四棱棱锥锥体体，维维氏氏硬硬度度试试验验所所用用载载荷荷小小，压压痕痕深深度度浅浅，适适用用于于测测量量零零件件薄薄的的表表面面硬硬化化层层的的硬硬度度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低。4.疲劳强度疲劳强度1 1）交交变变应应力力（周周期期性性应应力力）。应应力力的的大大小小、方方向向周周期期性性变变化化。有对称周期性应力有对称周期性应力和非对称周期性应力。和非对称周期性应力。2）疲疲劳劳。构构

29、件件在在低低于于屈屈服服强强度度的的交交变变应应力力作作用用下下，经经过过较较长长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象。第21页，共111页，编辑于2022年，星期一3）疲疲劳劳曲曲线线。反反映映承承受受的的交交变变应应力力与与断断裂裂前前的的应应力力周周期期次次数数间间的关系曲线，如图的关系曲线，如图1-12所示。所示。图图1-12 疲劳曲线疲劳曲线4 4）疲疲劳劳极极限限。由由图图1-121-12可可见见，应应力力愈愈高高，循循环环次次数数愈愈少少，反反之之亦亦然然。当当应应力力低低到到一一定定值值时时，循循环环次次数数无无穷穷大

30、大，表表示示材材料料可可经经无无限限次次应应力力循循环环而而不不失失效效；此此应应力力即即为为疲疲劳劳强强度度（疲疲劳劳极极限限）。对对称称弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限用用 表表示示；无无限限次次当当然然不不是是数数学学上上的的无无穷穷大大，只只是是一一个个很很大大的的数数而而已已，对对于于钢钢铁铁材材料料为为10107 7，有有色色金金属属材材料料为为10108 8。第22页，共111页，编辑于2022年，星期一5.冲击韧度冲击韧度 指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。来测定金属材料的冲击值。如图如图1-131-

31、13，1-141-14所示。冲击韧度值所示。冲击韧度值可用下式计算。可用下式计算。冲击韧度（冲击韧度（J/cm2）；冲击吸收功（冲击吸收功（J）；）；摆锤重量（摆锤重量（N）；）；摆锤抬升高度（摆锤抬升高度（m）；）；摆锤冲击后的高度（摆锤冲击后的高度（m）；试样缺口底部处横截面积（试样缺口底部处横截面积（cm2）。）。式中式中第23页，共111页，编辑于2022年，星期一 物物理理性性能能指指不不发发生生化化学学反反应应就就能能表表现现出出来来的的性性能能，如如密密度度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1.2.1.2 金属材料的物理和化学性能金

32、属材料的物理和化学性能 化化学学性性能能是是材材料料在在化化学学介介质质的的作作用用下下所所表表现现出出来来的的性性能能。如如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。1.2.1.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 金金属属材材料料的的工工艺艺性性能能指指金金属属材材料料适适应应加加工工工工艺艺要要求求的的能能力力。按按工工艺艺方方法法的的不不同同，可可分分为为铸铸造造性性能能、锻锻造造性性能能、焊焊接接性性能能、切削加工性能和热处理性能切削加工性能和热处理性能。第24页，共111页，编辑于2022年，星期一1 1）铸铸造造性性能能。指指

33、利利用用金金属属的的可可熔熔性性将将其其熔熔化化后后，注注入入铸铸型型制制成成铸铸件件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。2 2）锻锻造造性性能能。指指金金属属材材料料在在锻锻造造过过程程中中承承受受压压力力加加工工而而具具有有的的塑塑性变形能力。性变形能力。3 3）焊接性。）焊接性。指材料被焊接的难易性质。指材料被焊接的难易性质。4 4）切切削削加加工工性性。表表示示对对材材料料进进行行切切削削的的难难易易程程度度，可可用用切切削削抗抗力力的的大大小小、加加工工表表面面质质量量、排排屑屑的的难难易易程程度度和和切切削削刀刀具具的的寿寿命来衡量。

34、命来衡量。5 5）热热处处理理工工艺艺性性。指指标标有有淬淬硬硬性性、淬淬透透性性、淬淬火火变变形形与与淬淬裂裂、表表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。第25页，共111页，编辑于2022年，星期一 非非金金属属材材料料的的基基本本性性能能包包括括物物理理性性能能、力力学学性性能能、与与水水有关和与热有关的性能及耐久性。有关和与热有关的性能及耐久性。1.2.2 非金属材料的性能非金属材料的性能1.2.2.1非金属材料的力学性能非金属材料的力学性能 非非金金属属的的力力学学性性能能包包括括强强度度、刚刚度度、韧韧性性、蠕蠕变变性性、减减摩摩性

35、性等等，一一般般高高分分子子材材料料的的塑塑性性、刚刚度度、韧韧性性较较钢钢低低；但但具具减减摩摩性性。陶陶瓷瓷在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧度、抗拉强度比金属低。在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧度、抗拉强度比金属低。第26页，共111页，编辑于2022年，星期一 1 1）强强度度。金金属属材材料料一一般般用用拉拉伸伸试试验验测测定定，而而脆脆性性材材料料如如陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力应变用拉伸试验。应变用拉伸试验。强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：2 2）变变形形。除除弹弹性性变变形

36、形、塑塑性性变变形形、弹弹性性模模量量外外，还还有有徐徐变变（蠕蠕变变）、松松弛弛。徐徐变变指指材材料料在在恒恒定定载载荷荷的的作作用用下下，随随时时间间的的延延长长而而变变形形不不断断增增长长的的现现象象。松松弛弛指指总总的的变变形形不不变变，但但塑塑性性变变形形增增大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降低的现象。大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降低的现象。第27页，共111页，编辑于2022年，星期一1.2.2.2 非金属材料的物理性能非金属材料的物理性能1 1）松松散散密密度度。材材料料在在自自然然状状态态下下包包括括孔孔隙隙或或空空隙隙在在内内的的单单位位体体积的质量积的质量。即。即2）密

37、度密度。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。式中式中 松散密度（松散密度（kg/m3）；材料的质量（材料的质量（kg）；）；材料在自然状态下的体积（材料在自然状态下的体积（m3）。第28页，共111页，编辑于2022年，星期一3 3）孔孔隙隙。用用孔孔隙隙率率作作为为衡衡量量指指标标，即即材材料料内内部部空空隙隙体体积积占占材材料料总体积的百分比。总体积的百分比。4 4）材材料料的的胀胀缩缩：指指由由于于大大气气中中温温度度、湿湿度度变变化化或或其其他他介介质质的的作作用用而而导导致的材料的膨胀或收缩。致的材料的膨胀或收缩。1.2.2.3 与水有关的性能与水

38、有关的性能 水水对对材材料料性性能能有有很很大大影影响响，特特别别对对强强度度，抗抗腐腐蚀蚀性性、耐久性。主要有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。耐久性。主要有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。第29页，共111页，编辑于2022年，星期一1）亲亲水水性性。材材料料在在空空气气中中与与水水接接触触，如如果果材材料料分分子子与与水水分分子子之之间间的的附附着着力力大大于于水水分分子子之之间间的的内内聚聚力力，水水就就能能湿湿润润材材料料的的表表面面，三三相相（材材料料、水水、空空气气）交交点点处处，沿沿水水滴滴表表面面的的切切线线与与材材料料表表面面的的夹夹角角 叫叫湿湿润润角角，如如果果 为为亲亲

39、水水性材料；反之为憎水性材料。性材料；反之为憎水性材料。2）吸吸水水性性。指指材材料料吸吸收收水水分分的的能能力力。材材料料吸吸水水达达到到饱饱和和状状态时的含水率叫吸水率。他与孔隙率和孔隙特征有关。态时的含水率叫吸水率。他与孔隙率和孔隙特征有关。3 3）耐耐水水性性。指指材材料料长长期期在在水水的的作作用用下下，其其强强度度不不显显著著降降低低的的性性能。能。4 4）抗渗性。）抗渗性。指材料抵抗压力水渗透的性能。指材料抵抗压力水渗透的性能。第30页，共111页，编辑于2022年，星期一1 1）导热性。）导热性。与金属材料的导热系数相同。与金属材料的导热系数相同。1.2.2.4 与热有关的性能

40、与热有关的性能 2 2）热热容容。指指材材料料在在加加热热时时能能吸吸收收热热量量，冷冷却却时时能能放放出出热热量量的的性性质质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容c(J/kgK)。3 3）耐热性。）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。4 4）耐耐燃燃性性。指指材材料料对对火火焰焰和和高高温温的的抵抵抗抗性性能能；可可分分为为不不燃燃材材料料、难燃材料，易燃材料。难燃材料，易燃材料。5 5）耐耐火火性性。指指材材料料长长期期抵抵抗抗高高热热而而不不熔熔化化的的性性能能，耐耐熔熔性性，耐耐火火材

41、材料料还还应应不不变变形形，能能承承载载；分分为为耐耐火火材材料料、难难熔熔材材料料、易熔材料。易熔材料。第31页，共111页，编辑于2022年，星期一思考题思考题1.解解释释下下列列名名词词术术语语：晶晶体体、晶晶格格、过过冷冷、固固溶溶体体、化化合合物物、机械混合物。机械混合物。3.何谓硬度，硬度实验方法主要有哪几种？并简单介绍其中一种。何谓硬度，硬度实验方法主要有哪几种？并简单介绍其中一种。4.材料的工艺性能包括哪几种？材料的工艺性能包括哪几种？5.非金属材料与水和热有关的性能主要有？非金属材料与水和热有关的性能主要有？2.试述纯金属的结晶过程。试述纯金属的结晶过程。第32页，共111页

42、，编辑于2022年，星期一第第3节节 铁碳合金铁碳合金（体心立方晶格）（体心立方晶格）（面心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）（体心立方晶格）1.3.1 铁碳合金的基本组织和性能铁碳合金的基本组织和性能1.铁的同素异晶转变铁的同素异晶转变 金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构

43、转变如下所示。重结晶。铁的同素异构转变如下所示。第33页，共111页，编辑于2022年，星期一2.2.铁素体（铁素体（F F）碳碳溶溶于于 中中的的固固溶溶体体，它它保保持持体体心心立立方方晶晶格格结结构构。其其显显微微组组织织如如图图1-151-15，溶溶解解度度（0.008%0.008%0.02%0.02%），故故性性质质接接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。3.3.奥氏体（奥氏体（A A）碳碳溶溶于于 中中的的固固溶溶体体，保保持持面面心心立立方方晶晶格格结结构构。其其显显微微组组织织如如图图1-161-16，溶溶解解度度（0.77%0.77%2.1

44、1%2.11%），其其强强度度和和硬硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。度略高于铁素体，塑性、韧性较好。4.4.渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）铁铁和和碳碳组组成成的的金金属属化化合合物物，复复杂杂斜斜方方晶晶体体结结构构。含含碳碳量量为为6.69%6.69%，其其硬硬度度很很高高，塑塑性性、韧韧性性几几乎乎为为零零，脆脆性性极极大大，在在一一定定条条件件下下分分解解为为铁和石墨。铁和石墨。第34页，共111页，编辑于2022年，星期一6.6.莱氏体莱氏体LdLd 莱莱氏氏体体在在7277270 0C C以以上上，由由奥奥氏氏体体与与渗渗碳碳体体组组成成的的机机械械混混合合物物，称称为为高

45、高温温莱莱氏氏体体LdLd；在在7277270 0C C以以下下，该该组组织织转转变变为为由由珠珠光光体体与与渗渗碳碳体体组组成成的的机机械械混混合合物物，称称为为低低温温莱莱氏氏体体LdLd。其其显显微微组组织织如如图图1-181-18，其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。5.5.珠光体珠光体P P 珠珠光光体体是是铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的机机械械混混合合物物。其其显显微微组组织织如如图图1-1-1717，珠珠光光体体强强度度较较高高，塑塑性性、韧韧性性和和硬硬度度介介于于渗渗碳碳体体和和铁铁素素体体之之间。间。第35页，共111页

46、，编辑于2022年，星期一1.3.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金相图：铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图1-191-

47、19所示。所示。钢：钢：含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金；的铁碳合金；铸铁：铸铁：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。第36页，共111页，编辑于2022年，星期一图图1-19 铁碳合金相图铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI第37页，共111页，编辑于2022年，星期一 相图上的特性线和点如下：相图上的特性线和点如下：2）AECFAECF线线（固固相相线线）。当当合合金金冷冷却却到到此此线线时时，金金属属液液全全部部结结晶为固相，在此线

48、以下区域为固相。晶为固相，在此线以下区域为固相。1）ACDACD线线（液液相相线线）。当当金金属属液液冷冷却却到到此此线线时时开开始始结结晶晶，在在此此线线以上区域为液相。以上区域为液相。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。3）A A点点。纯铁的熔点（。纯铁的熔点（153815380 0C C）。）。4 4）D D点点。渗碳体的熔点（。渗碳体的熔点（122712270 0C C）。）。5 5）C C点点。共共晶晶点点，温温度度114811480 0C C，成成分分4.3%C4.3%C。共共晶晶：指指合合金金在在一一定定的的条条件件(温

49、温度度、成成分分)下下，由由液液体体合合金金中中同同时时结结晶晶出出两两种种不不同同的的晶体，而形成一种特殊的共晶体晶体，而形成一种特殊的共晶体组织组织的的转变转变。即即 第38页，共111页，编辑于2022年，星期一6 6）ECFECF线线（共共晶晶线线）。含含碳碳量量在在2.11%2.11%6.69%6.69%的的铁铁碳碳合合金金，冷冷却却到到此此线线时时（11481148度度），将将发发生生共共晶晶反反应应，同同时时结结晶晶出出奥奥氏氏体体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。和渗碳体的共晶混合物莱氏体。7 7）ESES线线。是是碳碳在在 中中的的溶溶解解度度曲曲线线，E E点点表表示示在在114

50、811480 0C C时时碳碳在在 中中的的最最大大溶溶解解度度为为2.11%2.11%。随随着着温温度度降降低低，溶溶解解度度下下降降，即即含含碳碳量量大大于于0.77%0.77%的的奥奥氏氏体体冷冷却却过过程程中中都都将将从从奥奥氏氏体体中中析析出出渗渗碳碳体体（次次生生渗渗碳碳体体），常常称称为为A Acmcm线线8 8）GSGS线线。是是冷冷却却过过程程不不同同含含碳碳量量的的奥奥氏氏体体中中析析出出铁铁素素体体的的转转变线，常称为变线，常称为A A3 3线。线。第39页，共111页，编辑于2022年，星期一1010）PSKPSK线线（共共析析线线）。含含碳碳量量在在0.02%0.02