機(jī)械制造基礎(chǔ)-第一章金屬材料基本知識(shí).ppt

1、機(jī)械制造基礎(chǔ),第一章,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1 金屬材料的力學(xué)性能 1.2 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1.1 金屬材料的力學(xué)性能,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,1.1.2 塑性,1.1.3 硬度,1.1.4 沖擊韌度,1.1.5 疲勞強(qiáng)度,第一章 金屬材料基本知識(shí),金屬材料的性能對(duì)零件的使用和加工有十分重要的作用,在機(jī)械制造領(lǐng)域選用材料時(shí),大多以力學(xué)性能為主要依據(jù),力學(xué)性能是指材料在各種載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的抵抗力,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(shí),第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,強(qiáng)度是金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力

2、。,根據(jù)載荷作用方式的不同，強(qiáng)度可分為：,抗拉強(qiáng)度(b),抗壓強(qiáng)度(bc),抗彎強(qiáng)度(bb),抗剪強(qiáng)度(),一般情況下，多以抗拉強(qiáng)度為判斷金屬?gòu)?qiáng)度大小的指標(biāo)。,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,圖1.1 低碳鋼的拉伸曲線圖,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)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(shí),1.1.1 強(qiáng)度,（1）ce彈性變形階段,試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比增加,此時(shí)若卸載,試樣能完全恢復(fù)原狀,Fe為能恢復(fù)原狀的最大拉力,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1

3、.1 強(qiáng)度,（2）es屈服階段,當(dāng)載荷超過(guò)Fe后,試樣除產(chǎn)生彈性變形外,開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形,當(dāng)載荷增加到Fs時(shí),圖形上出現(xiàn)平臺(tái),即載荷不增加,試樣繼續(xù)伸長(zhǎng),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(shí),1.1.1 強(qiáng)度,（3）sb均勻塑性變形階段,載荷超過(guò)Fs后,試樣開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變形,伸長(zhǎng)量隨載荷增加而增大,Fb為試樣拉伸試驗(yàn)的最大載荷,拉伸曲線,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,（4）bk縮頸階段,載荷達(dá)到最大值Fb后,試樣局部開(kāi)始急劇縮小,出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象,k點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,強(qiáng)度指標(biāo)

4、,金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來(lái)度量的。,常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。,(1)屈服點(diǎn)s,在拉伸過(guò)程中,載荷不增加,試樣還 繼續(xù)發(fā)生變形的最小應(yīng)力(MPa)。,s=Fs/A0,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.1 強(qiáng)度,強(qiáng)度指標(biāo),金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來(lái)度量的。,常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。,(2)抗拉強(qiáng)度b,金屬材料在拉斷前所 承受的最大應(yīng)力(MPa),b=Fb/A0,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.2 塑性,塑性是金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形(或永久變形)而不 斷裂的能力。,常用塑性指標(biāo)是,斷后伸長(zhǎng)率,拉伸試驗(yàn)試樣拉斷后,標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值,=(l1-l0)/l0100%,第一

5、章 金屬材料基本知識(shí),1.1.2 塑性,塑性是金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形(或永久變形)而不 斷裂的能力。,常用塑性指標(biāo)是,斷面收縮率,拉伸試樣拉斷后試樣截面積的收縮率為,=(A0-A1)/A0100%,第一章 金屬材料基本知識(shí),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(biāo)。,常用的硬度指標(biāo)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(shí)間后卸載,壓痕表面所承受的平均應(yīng)力值稱為布氏硬度值,以HB表示。圖1.2為布氏硬度試驗(yàn)原理圖。,第一章 金屬材料基

6、本知識(shí),1.1.3 硬度,布氏硬度,圖1.2 布氏硬度試驗(yàn)原理圖,HB=F/S壓=0.1022F/D(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(jì)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(shí),1.1.3 硬度,洛氏硬度,圖1.3 洛氏硬度試驗(yàn)原理圖,HR=K-bd/0.002,第一章 金屬材料基本知識(shí),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(shí),第一章 金屬材料基本

7、知識(shí),1.1.4 沖擊韌度,圖1.4 沖擊試驗(yàn)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(yàn)來(lái)測(cè)定。,沖擊吸收功(AK)除以試樣缺口處的 截面積S0,即可得到材料的沖擊韌度,K=AK/S0=G(H1-H2)/S0,沖擊韌度K值愈大,表明材料的 韌性愈好,受到?jīng)_擊時(shí)不易斷裂。,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.5 疲勞強(qiáng)度,雖然零件所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn),但在長(zhǎng)期使用中往往會(huì) 突然發(fā)生斷裂,這種破壞過(guò)程稱為疲勞斷裂。,工程上規(guī)定,材料經(jīng)無(wú)數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。,材料的疲勞強(qiáng)度與其合金化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷、

8、表面劃痕及零件截面突然改變等有關(guān)。,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.1.5 疲勞強(qiáng)度,圖1.5 疲勞曲線,第一章 金屬材料基本知識(shí),第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),1.2.4 鐵碳合金,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶體與非晶體,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),圖1.6 簡(jiǎn)單立方晶格與晶胞示意圖,晶格與晶胞,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),三種典型的金屬晶格類型,圖1.7 常見(jiàn)金屬晶格的晶胞,第一章 金屬材料基本知識(shí),

9、第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,金屬的結(jié)晶一般是指金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。,純金屬的晶體結(jié)構(gòu)是在結(jié)晶過(guò)程中逐步形成的。,研究結(jié)晶的規(guī)律對(duì)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(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,純金屬的冷卻曲線,圖1.8 純金屬的冷卻曲線,液態(tài)金屬隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng),它所含的熱量不斷散失,溫度也不斷下降,當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí),溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)并不變化出現(xiàn)了“平臺(tái)”,金屬繼續(xù)向環(huán)境散熱,溫度又重新開(kāi)始下降,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)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(jié)晶溫度,金屬實(shí)際結(jié)晶

10、溫度(Tn)總是低于理論結(jié)晶溫度(To)的現(xiàn)象,稱為“過(guò)冷現(xiàn)象”,理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過(guò)冷度，以T表示,T=To-Tn,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,純金屬的結(jié)晶過(guò)程,(1)晶核的形成,(2)晶核的長(zhǎng)大,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,純金屬的結(jié)晶過(guò)程,(1)晶核的形成,在過(guò)冷度存在的條件下,依靠產(chǎn)生微細(xì)小晶體形成晶核的過(guò)程,稱為自發(fā)形核,依附于雜質(zhì)或型壁而形成晶核的過(guò)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(jié)晶時(shí)是同時(shí)進(jìn)行的,但非自發(fā)形核常起優(yōu)先和主導(dǎo)作用,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,純金屬的結(jié)晶過(guò)程,(2

11、)晶核的長(zhǎng)大,晶核形成后,會(huì)吸附其周圍液態(tài)中的原子,不斷長(zhǎng)大,晶核長(zhǎng)大使液態(tài)金屬的相對(duì)量逐漸減少,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,(1)點(diǎn)缺陷,最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷有空位、置換原子和間隙原子等,如圖1.9所示,由于點(diǎn)缺陷的出現(xiàn),使周圍原子發(fā)生“撐開(kāi)”或“靠攏”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為晶格畸變,(1)點(diǎn)缺陷,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,圖1.9 點(diǎn)缺陷示意圖,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,(2)線缺陷,線缺陷主要指的是位錯(cuò),最常見(jiàn)的位錯(cuò)形態(tài)是刃型位錯(cuò),如圖1.10所示,(2) 線缺陷,圖1.10 刃型位錯(cuò)晶

12、體結(jié)構(gòu)示意圖,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,(3)面缺陷,通常指的是晶界和亞晶界,實(shí)際金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu),多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間晶格位向是不同的,所以晶界處是不同位向晶粒原子排列無(wú)規(guī)則的過(guò)渡層,圖1.11 晶界示意圖,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶體的缺陷,(3)面缺陷,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.2 純金屬的結(jié)晶,晶粒大小及其控制,實(shí)際金屬結(jié)晶后形成多晶體,晶粒的大小對(duì)力學(xué)性能影響很大。,一般情況下,晶粒愈細(xì)小,金屬的強(qiáng)度、硬度就愈高,塑性、韌性也愈好,即綜合

13、力學(xué)性能好。,第一章 金屬材料基本知識(shí),第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),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(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),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(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì),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(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),合金的基本概念,(2)組元,組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元,簡(jiǎn)稱元,組元可以是金屬元素或非金屬元素,也可以是穩(wěn)定化合物,由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金,三個(gè)組元組成

14、合金稱為三元合金,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),合金的基本概念,(3)合金系,由兩個(gè)或兩個(gè)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(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),合金的基本概念,(4)相,合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分稱為相,液態(tài)物質(zhì)稱為液相;固態(tài)物質(zhì)稱為固相,同樣是固相,有時(shí)物質(zhì)是單相的,而有時(shí)是多相的,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),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(dú)特微觀形貌特征的部分稱為組織,組織

15、是決定材料最終性能的關(guān)鍵,在研究合金時(shí)通常用金相方法對(duì)組織加以鑒別,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),合金的組織,圖1.12 固溶體的兩種類型,(1)固溶體,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu),合金的組織,(2)金屬化合物,(3)機(jī)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(jī)械混合物。通過(guò)調(diào)整固溶體中溶質(zhì)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(xué)性能在較大范圍內(nèi)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(shí),1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(1)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,(2)鐵碳合金的基本組織

16、,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(1)鐵素體,鐵素體是碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體,用符號(hào)F表示,鐵素體由于溶碳量小,力學(xué)性能與純鐵相似,即塑性和沖擊韌度較好,而強(qiáng)度、硬度較低,第一章 金屬材料基本知識(shí),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-Fe中所形成的間隙固溶體,用符號(hào)A表示,奧氏體的強(qiáng)度、硬度較低,但具有良好塑性,是絕大多數(shù)鋼高溫進(jìn)行壓力加工的理想組織,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.4 鐵碳合金,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(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物,用化學(xué)式Fe3C表示,滲碳體中的碳的

17、質(zhì)量分?jǐn)?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(shí),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(jī)械混合物,用符號(hào)P表示,珠光體中C為0.77%,力學(xué)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(shí),1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金基本組織,(5)萊氏體,萊氏體是C為4.3%的合金,緩慢冷卻到1148時(shí)從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織,用符號(hào)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(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.4 鐵碳合金,第一章 金屬材料基本知識(shí),1.2.4 鐵碳合金,鐵碳合金相圖,(1) Fe-Fe3C相圖中典型點(diǎn)的含義如表1.2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(shí),第一章 金屬材料基本知識(shí),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(shí),第一章 金屬材料基