工程材料的性質

工程材料的性質第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第一章

工程材料的性質§1材料的種類與主要性能§2金屬及合金的結構與結晶

§3鐵碳合金第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第一章

工程材料的性質§1－1材料的種類

材料是工業(yè)和科學技術的物質基礎，是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要條件，是衡量一個國家經濟實力與技術水平的重要標志，它與信息、能源并列為現(xiàn)代化技術的三大支柱，而能源和信息的發(fā)展又依托于材料材料。因此世界各國都把對材料的研究開發(fā)放在突出的地位?！?材料的種類與主要性能第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一工程材料金屬材料高分子材料無機非金屬材料復合材料功能材料鋼鐵合金有色合金纖維：天然纖維、合成纖維橡膠：通用橡膠、特殊橡膠塑料：通用塑料、工程塑料、特種塑料水泥玻璃耐火材料陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷樹脂基金屬基陶瓷基：力學功能材料、物理功能材料、化學功能材料、生物功能材料、智能功能材料等鋼：碳鋼、合金鋼、特殊性能鋼鑄鐵：白口鑄鐵、灰口鑄鐵等銅及其合金鋁及其合金其它：軸承合金、鈦合金、鎂合金等第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

2.工藝性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力學性能（2）物理性能（3）化學性能——加工成形的性能§1－2材料的主要性能第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一力學性能——材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。（一）外力作用下材料的變形與失效作用在機件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內力——應力F’F靜載荷動載荷σ=F’

/S一、材料的力學性能第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（1）彈性變形：

材料受外力作用時產生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。1.兩種基本變形第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（2）塑性變形:

材料在外力作用下產生永久的不可恢復的變形，稱為塑性變形。第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2．變形的三個階段彈性變形3.常見的幾種失效形式（1）斷裂（2）塑性變形（3）過量彈性變形塑性變形斷裂第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（4）磨損（5）腐蝕第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一拉伸實驗kbb—極限載荷點（二）材料的力學性能Fee—彈性極限點sS—屈服點K—斷裂點拉伸曲線FFL應力—應變曲線縮頸o第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一1．強度：當材料單位面積上所受的應力σe<σ<σs時，只產生微量的塑性變形。當σ>σs時，材料將產生明顯的塑性變形。條件屈服強度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）屈服強度（σS）指材料在外力作用下，產生屈服現(xiàn)象時的應力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一kbFes100%0.2%b

σb=Fb/S0（MPa）（2）抗拉強度（σb）抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應力。

它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應力?？估瓘姸取谴嘈圆牧线x材的依據(jù)。屈服強度—

是塑性材料選材和評定的依據(jù)。第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.塑性常用δ和ψ作為衡量塑性的指標。伸長率：材料在外力作用下，產生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3．剛度（E）

在彈性階段：4．硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。(1)布氏硬度（HB）：

材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。E—材料抵抗彈性變形的能力越大。所以：第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一布氏硬度適用HB<450(2)洛氏硬度（HRC）洛氏硬度一般用于HB>4501：10第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一5．沖擊韌性

AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/m2）

低碳鋼：σb≈3.6HB高碳鋼：σb≈3.4HB調質合金鋼：σb≈3.25HB材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。

在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復沖擊而破壞的。第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一6．疲勞強度材料在無數(shù)次重復或交變載荷作用下不引起破壞的最大應力。—循環(huán)基數(shù)鋼：

受交變載荷作用的零件，在其所受應力遠遠低于該材料的屈服強度時，會發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。據(jù)統(tǒng)計，約80%的機件失效為疲勞破壞。有色金屬：第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一6．斷裂韌性(K1C)材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴張能力的性能指標。

由于金屬材料內部不可避免的存在著各種宏觀缺陷，這些缺陷在材料中的作用相當于裂紋。當材料受外力作用時，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應力集中，應力不斷增大，裂紋自動擴張，直到最終斷裂。在外力作用下，裂紋擴展的難易程度用斷裂韌性表示。斷裂韌性是材料本身的一種力學性能指標，主要取決于材料本身的成分、組織和結構。第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一力學性能bs強度塑性剛度硬度韌性疲勞強度斷裂韌性（三）力學性能與失效形式的關系失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（三）材料的工藝性能：加工性能二、材料的物理、化學及工藝性能（一）材料的物理性能：比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。（二）材料的化學性能：耐酸性、耐堿性、抗氧化性。第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一§2—1金屬的晶體結構

§2

金屬及合金的結構與結晶原子作無序排列；沒有固定的熔點；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶格—原子排列形成的空間格子晶胞—組成晶格最基本的單元晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點；各向異性。一、金屬的理想晶體結構第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Cr、Mo、W、V、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr金屬的典型晶體結構體心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二、金屬的實際晶體結構1．點缺陷—空位和間隙原子空位：是指未被原子占據(jù)的晶格節(jié)點。間隙原子：是指位于原子間隙中的原子。第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2．線缺陷—位錯位錯：是指在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。3．面缺陷—晶界晶界：是指在位向不同、相鄰晶粒之間的過渡層。第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一一、金屬的結晶過程1．金屬結晶的過冷現(xiàn)象溫度℃時間T0TnΔT§2—2金屬的結晶冷卻曲線過冷度2．金屬的結晶過程結晶形核長大過冷度=理論結晶溫度-實際結晶溫度P15第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一自發(fā)形核非自發(fā)形核晶粒晶界

金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。一般金屬的晶粒越細小，其力學性能越好。第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3．細化晶粒的方法1）變質處理2）增大過冷度3）機械的振動和攪拌4）熱處理5）壓力加工再結晶第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一同素異晶轉變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結構從一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。L1538℃1394℃912℃

一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質—稱為同素異晶性。Fe、Sn、Ti、Mn溫度℃時間1538℃1394℃912℃體心面心體心Fe§2—3金屬的同素異晶轉變第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一§2—4合金的結構合金—以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質。合金是由兩種以上的元素組成的。

固態(tài)合金的結構是由組元在結晶時彼此之間所起的作用所決定的。合金的結構

機械混合物固溶體金屬化合物第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一一、固溶體溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。據(jù)溶質原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同固溶體固溶體的性能特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度較低。F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80置換固溶體間隙固溶體溶質原子溶劑原子溶質原子溶劑原子第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二、金屬化合物

合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質。金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關系。如：Fe3C、WC、TiC等金屬化合物的性能特點：脆性大、硬度高；強度低；塑性、韌性差；高的熔點。Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一三、機械混合物

合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質。

機械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。性能特點：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學性能。P：σb=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一鐵素體—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。727℃0.02%C

§3鐵碳合金一、鐵素體（F）力學性能：σb=250MPaδ=45~50%HB=80二、奧氏體（A）奧氏體—

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。

1148℃2.11%C、727℃0.77%℃力學性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200§3—1鐵碳合金的基本組織第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一四、珠光體（P）力學性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200五、萊氏體（Le）力學性能：σb=30MPaδ=0HB=700

珠光體—是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。

727℃0.77%℃萊氏體—是奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。1148℃4.3%C三、滲碳體（Fe3C）滲碳體—是金屬化合物。

6.67%C

力學性能：σb=30MPaδ=0HB=800第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一狀態(tài)圖——表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關系的圖表?！?—2

鐵碳合金相圖一、什么是相圖

二、相圖的作用是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。

第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF三、鐵碳合金狀態(tài)圖溫度℃912℃CFe3C6.69FA—純鐵的熔點。D—Fe3C的熔點。

1.狀態(tài)圖上點的意義E—C在γ-Fe中的最大溶解度點。1148℃2.11%C鋼和鐵的分界點。Le第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一C—共晶點，1148℃4.3%C

共晶點—發(fā)生共晶反應的點。

共晶反應—在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結晶出一定成分的兩個固相的反應。

共晶反應的產物——共晶體——機械混合物

L（4.3%C）A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）1148℃Le

G—純鐵的同素異晶轉變點。

912℃

P—C在α-Fe中的最大溶解度點。727℃0.02%C第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

S—共析點。727℃0.77%℃

共析點—發(fā)生共析反應的點。

共析反應—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時結晶出一定成分的另外兩個固相的反應。

共析反應的產物—共析體—機械混合物

A（0.77%C）F（0.02%C）+Fe3C（6.69%C）727℃P第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.狀態(tài)圖上線的意義AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Le727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FAECF線—固相線

ACD線—液相線AE—A析出終了線ECF—共晶線

1148℃AC—析出ACD—析出Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3C第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一ES線—C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡ（1）

單相區(qū)：L、F、A、Fe3C（2）

兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、A+F、F+Fe3C（3）

三相區(qū)：L+A+Fe3C、A+F+Fe3CGS線—溶解度曲線A—FGP線—F析出終了線。PSK線—共析線727℃PQ線—碳在α-Fe中的溶解度曲線。第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥11111122222333344F+PP+Fe3C3Le’P+Fe3C+Le’2Fe3C+Le’Fe3C+Le第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le①②③④⑤⑥第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．鋼2．生鐵

共析鋼:亞共析鋼:過共析鋼:

共晶生鐵:亞共晶生鐵:過共晶生鐵:四、鐵碳合金的結晶過程及組織轉變第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)純鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

五．含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一0.9~1.0HBC%HB

1．選擇材料2．確定各種工藝參數(shù)六．狀態(tài)圖的作用第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一§3—3鋼的分類和應用1．按化學成分分類一、鋼的分類（1）低合金鋼Me<5%（2）中合金鋼Me=5-10%（3）高合金鋼Me>10%1）碳素鋼2）合金鋼（1）低碳鋼C<0.25%（2）中碳鋼C=0.25-0.6%（3）高碳鋼C>0.6%第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2.按質量分類

P、S<0.030%1）普通鋼2）優(yōu)質鋼3）高級優(yōu)質鋼：S：使合金產生熱裂、熱脆缺陷P：使合金產生冷裂、冷脆缺陷P<0.045%S<0.055%P<0.035%S<0.035%第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（1）平爐鋼（2）轉爐鋼（3）電爐鋼3．按用途分彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等。1）結構鋼2）工具鋼

3）特殊性能鋼:（1）工程結構鋼（2）機械制造用鋼（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼4．按冶煉方法第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二、鋼的編號及應用

碳素結構鋼的鋼號用屈服強度表示。這類鋼主要用于制造一般的機械零件和工程構件。

1．結構鋼Q195（0.06-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%C）、Q235（A（0.14-0.22%C）、B（0.12-0.20%C））、Q255（0.18-0.28%C）、Q275（0.28-0.38%C）

Q195屈σs1）（普通）碳素結構鋼見43頁表4-1第55頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2）優(yōu)質碳素結構鋼08、10、15—沖壓件、焊接件。15、20、25—滲碳淬火。30、35、40、45、50、55—調質處理。制造齒輪、連桿、凸輪和軸類零件。60、65、70—淬火+中溫回火，制造彈簧。

這類鋼的有害雜質P、S含量較低，鋼的質量較好，主要用于制造各種較重要的機械零件。鋼號用兩位數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。45—表示含碳量是萬分之45（0.45%）見43頁表4-2第56頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一低合金高強度結構鋼是在低碳鋼的基礎上加入少量合金元素制得，其合金因素總量不超過5%，以Mn為主要合金因素。這類鋼一般在熱軋或正火狀態(tài)下使用，不需再進行熱處理。廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。

牌號有Q295、Q345、Q4603）合金結構鋼合金結構鋼種類繁多，其鋼號的表示方法為：兩為數(shù)字+元素符號+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl①低合金高強度結構鋼第57頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

滾動軸承鋼是制造滾動軸承的內、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號有GCr9、GCr15等，含碳在0.95%-1.1%，合金元素主要是鉻。

含0.90-1.25%Cr、1.4-1.65%Cr。用于制造各種機械零件