工程材料及成形工藝 課件 第1章 金屬結(jié)構(gòu)及性能

工程材料及成形工藝第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能第2章金屬結(jié)晶及相圖第3章金屬熱處理及工藝第4章鋼鐵材料及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料第6章金屬鑄造成形第7章金屬鍛壓成形第8章金屬焊接成形第9章機(jī)械零件材料及工藝選擇第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能1.1.1單晶體的晶格結(jié)構(gòu)1.1.1.1理想晶體的基本概念（1）晶體及點(diǎn)陣金屬晶體是由無數(shù)個金屬原子或離子，在空間按一定幾何規(guī)則有序排列而成（見圖1-1a），如鋼、鐵、銅、鋁等材料，反之則為非晶體，如玻璃、瀝青、石蠟或松香等。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）晶格與晶胞抽象地用直線連接各陣點(diǎn)所形成的空間立體格子稱為晶格（見圖1-1b），晶格的最小幾何單元稱晶胞（見圖1-1c），連接各陣點(diǎn)所形成的平面稱為晶面，陣點(diǎn)組成的任一直線均能代表晶體空間的一個方向稱為晶向。1.1.1.2單晶體的晶格形式（1）體心立方體晶格體心立方晶格的每個晶胞均是一個正立方體（見圖1-2a），八個頂點(diǎn)上均有一個原子同時被相鄰八個晶胞所共有，且每個晶胞實(shí)際上只占有1/8個原子，而立方體中心還有一個原子卻為每個晶胞所獨(dú)有（見圖1-2b），即每個晶胞的原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞仍是一個正立方體，如圖1-3a所示，除與體心立方相同的八個頂點(diǎn)上均有一個原子外，在六個面的中心還各有一個原子，并被每相鄰兩個晶胞所共有（見圖1-3b），故每個晶胞的實(shí)際原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是個六棱柱體，如圖1-4a所示，在六棱柱體十二個角上各有一個原子并被相鄰六個晶胞所共有，但在上下底面中心各有一個原子而被相鄰兩個晶胞所共有，同時在晶胞中間還有三個原子卻被每個晶胞所獨(dú)有（見圖14b），因此每個晶胞的原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.1.3單晶體與多晶體（1）單晶體及其性能原子排列規(guī)律相同、晶格位向完全一致的理想晶體稱為單晶體，如圖1-5a所示，單晶體具有各向異性的特征，即在同一晶體各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，導(dǎo)致原子間距不同，原子間的作用力強(qiáng)弱也不同，因而在晶體的各個方向上具有不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）多晶體及其性能實(shí)際金屬晶體中均包含著許多單晶體，每個單晶體內(nèi)的晶格方位一致，但各單晶體間的彼此方位卻不同。1.1.2多晶體的晶體缺陷1.1.2.1點(diǎn)缺陷1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2.2線缺陷1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2.3面缺陷1.1.3合金組成及相結(jié)構(gòu)1.1.3.1相結(jié)構(gòu)的基本概念（1）體系與組元體系是指所研究對象的物質(zhì)總和，例如，研究鐵和碳的合金即為Fe-C合金系，研究鐵、碳、鉻合金即為Fe-C-Cr合金系。（2）相及其結(jié)構(gòu)合金的相是指合金體系中具有相同化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、液體或固體狀態(tài)、性質(zhì)并與周圍物質(zhì)以明顯界面分開組成的均勻部分。（3）相平衡與相變相平衡是指體系內(nèi)各組成相的性質(zhì)處于平衡且不隨時間而變化的狀態(tài)，但當(dāng)合金由一相轉(zhuǎn)變另一相時，化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能均將隨溫度發(fā)生突變，即液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)，固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还虘B(tài)，統(tǒng)稱為相變。（4）合金形成狀態(tài)與組織合金形成狀態(tài)是指合金在某種條件下以哪幾個相存在，其狀態(tài)比純金1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)屬復(fù)雜得多，例如，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%的碳素鋼在850°C以上以單相奧氏體存在，在727°C以下則以雙相鐵素體和珠光體混合在一起存在。1.1.3.2固溶體與固溶強(qiáng)化（1）固溶體及其分類當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時，組成元素之間像液態(tài)合金一樣相互溶解，形成一種與合金中某一組元晶格結(jié)構(gòu)相同的新相稱為固溶體。（2）置換固溶體置換固溶體是指溶質(zhì)原子取代部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體（見圖1-8a），一般在溶劑晶格中呈任意、無規(guī)則分布，有時在特定情況下也會占據(jù)溶劑晶格的一定位置。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）間隙固溶體間隙固溶體是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格間隙形成的固溶體（見圖1-9a），如鋼中的碳溶于??-Fe或??-Fe中即可形成間隙固溶體。（4）固溶強(qiáng)化隨固溶體中溶質(zhì)原子濃度的增加，晶格畸變度增大，使變形時位錯移動困難，從而使固溶體強(qiáng)度和硬度升高，物理性能也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。（5）固溶體性能特點(diǎn)實(shí)踐證明，適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的種類、配合和含量，可以在顯著提高金屬材料強(qiáng)度、硬度的同時，仍能保持或改善其良好的塑性和韌性，所以固溶強(qiáng)化是金屬材料改性處理的重要途徑之一。1.1.3.3金屬化合物與彌散強(qiáng)化（1）金屬化合物及種類當(dāng)溶質(zhì)含量超過溶劑的溶解度時，溶質(zhì)元素同溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì)，稱金屬化合物。金屬化合物按形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）間隙化合物及結(jié)構(gòu)間隙化合物是由過渡族金屬元素與原子半徑較小的C、N、H、B等非金屬元素形成的化合物。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬化合物的彌散強(qiáng)化金屬化合物是高合金工具鋼的重要組成相，如斜方晶格的滲碳體中鐵原子可部分被其他金屬原子所置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C等，這類化合物稱為合金滲碳體。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1強(qiáng)度與剛度1.2.1.1拉伸試驗(yàn)1.2金屬的力學(xué)性能（1）低碳鋼的拉伸曲線圖1-11b所示為低碳鋼試樣的拉力與試樣伸長量的對應(yīng)關(guān)系曲線。（2）低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試樣在拉伸過程中，材料受到拉力F作用時，其單位面積上的拉力稱為應(yīng)力（stress），用“??”來表示，即1.2金屬的力學(xué)性能1.2.1.2彈性與剛度（1）彈性極限及計(jì)算彈性極限（elasticlimit）是指試樣材料產(chǎn)生完全彈性變形（elas-tic

deformation）時所能承受的最大應(yīng)力值，以??e表示且單位為MPa。（2）彈性模量與剛度在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變（??e/??e）的比值稱為材料的彈性模量E，它相當(dāng)于產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變所需要的應(yīng)力值，單位為MPa，即1.2金屬的力學(xué)性能（3）剛度的影響因素彈性模量E的大小主要取決于金屬材料的本身性質(zhì)，它是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一，材料的合金化處理、熱處理、冷加工成形和局部焊接等均對彈性模量E的影響很小。1.2.1.3靜載強(qiáng)度及指標(biāo)（1）屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指試樣在靜止?fàn)顟B(tài)下被加載至單位面積上產(chǎn)生屈服點(diǎn)s時的拉力，或在拉伸曲線圖和??~??

曲線上出現(xiàn)屈服平臺現(xiàn)象時的應(yīng)力，以??s表示且單位為MPa，屈服點(diǎn)s的位置如圖1-11b和圖1-11c所示，其計(jì)算公式為：1.2金屬的力學(xué)性能（2）屈服強(qiáng)度金屬材料中只有低碳鋼和中碳鋼等少數(shù)金屬的拉伸或應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在屈服現(xiàn)象，而大多數(shù)金屬材料則無明顯屈服點(diǎn)，如調(diào)質(zhì)合金鋼、退火鋁合金等。（3）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣在靜止?fàn)顟B(tài)下被拉斷前加載至最大力時單位面積上所能承受的最大拉力，或拉伸曲線和應(yīng)力-應(yīng)變（??~??

）曲線上最高位置點(diǎn)b對應(yīng)的應(yīng)力，以??b表示且單位為MPa，如圖1-11b和圖1-11c所示，其計(jì)算公式力：1.2.1.4變載強(qiáng)度及指標(biāo)（1）疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（fatiguestrength）是指材料抵抗無數(shù)次重復(fù)交變外力作用而不破壞的能力，通常用疲勞曲線來描述，如圖1-13a所示，它是最常用的變載強(qiáng)度。1.2金屬的力學(xué)性能（2）高溫強(qiáng)度當(dāng)零件在較高溫度下工作時，應(yīng)通過高溫拉伸試驗(yàn)而測定其高溫強(qiáng)度。1.2.2塑性與韌性1.2.2.1塑性及其評定（1）塑性概念及其指標(biāo)塑性（plasticity）是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，許多零件或毛坯需通過塑性變形成形而要求材料有較高的塑性。1.2金屬的力學(xué)性能（2）塑性評定方法斷后伸長率??和斷面收縮率??的數(shù)值越大，表示金屬材料的塑性越好。1.2.2.2韌性及其評定1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3硬度與耐磨性1.2.3.1布氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法布氏硬度（Brinellhardness）試驗(yàn)通常是以一定的壓力F，將直徑為D的硬質(zhì)合金鋼球壓入被測材料表面，經(jīng)過規(guī)定的保持載荷時間后卸除載荷，即得到一直徑d的壓痕，如圖1-16a所示。1.2金屬的力學(xué)性能（2）標(biāo)注方法生產(chǎn)中常用布氏硬度法測定經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)的鋼件，以及鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等毛坯或半成品件的硬度。（3）硬度與強(qiáng)度的關(guān)系通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硬度值與抗拉強(qiáng)度??b之間有近似關(guān)系，見表1-5所列。1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3.2洛氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法洛氏硬度（Rockwellhardness）試驗(yàn)是用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球壓入被測金屬表面（見圖1-17a），然后根據(jù)壓痕的深度確定被測材料的硬度值。1.2金屬的力學(xué)性能（2）標(biāo)注方法洛氏硬度的標(biāo)注方法比布氏硬度簡單，但仍是硬度值在硬度代號的前面，如60HRC表示用C標(biāo)尺所測得的洛氏硬度值60，其單位為MPa，但習(xí)慣上仍不用標(biāo)出。1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3.3維氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法維氏硬度（Vickershardness）的測試方法和技術(shù)條件可參閱GB/T4340.1—1999。（2）標(biāo)注方法與布氏硬度的標(biāo)注方法一樣，習(xí)慣上也只寫出其硬度數(shù)值而不標(biāo)出單位。1.2.3.4耐磨性及其評定（1）耐磨性的分類耐磨性分相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。（2）耐磨性評定方法耐磨性主要受材料的成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模量的影響，通常以體積磨損量、質(zhì)量磨損量和長度磨損量作評定材料的三個基本參量。（3）各種材料的耐磨性通常塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料。1.2金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬的物理性能1.3.1.1密度與熔點(diǎn)1.3金屬的其他性能1.3金屬的其他性能1.3.1.2熱性能與光性能（1）熱性能熱性能包括熱容、導(dǎo)熱性和熱膨脹性等，熱容包括摩爾熱容和比熱容，摩爾熱容是指1mol（摩爾）的材料溫度升高1K所需的能量，而比熱容則是指單位質(zhì)量材料的溫度升高1K所需的能量，二者之間的關(guān)系為：比熱容c=摩爾熱容/摩爾質(zhì)量1.3金屬的其他性能（2）光性能光性能是指材料受到光波或能量粒子的輻射時所能呈現(xiàn)出的反應(yīng)特性。1.3.1.