一工程材料的基本知识.docx

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一工程材料的基本知识

一、工程材料的基本知识

第一章、工程材料的基本知识·【主要内容】1．金属材料的力学性能

（1）强度（屈服强度、抗拉强度、塑性）

（2）硬度（3）冲击韧性（4）疲劳强度和蠕变强度2．铁碳合金相圈

（1）铁碳合金的基本组织

（2）含碳量对铁碳含金组织与性能的影响（3）合金相图的应用【考核内容】1.金属材料的力学性能2.铁碳合金相图【考核要求】1.了解材料的力学性能和各状态的组织结构。

2.掌握金属的强度、硬度、韧性，并能够判断出金属的机械性能的优劣。

3．掌握铁碳合金相图。

材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

黑色金属金属材料·工程材料非金·属材料有色金属陶瓷材料·高分子材料金属复合材料复合材料·非金属复合材料·

1.1金属材料材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。

材料的主要性能是指:

（1）力学性能强度、塑性、硬度1.使用性能

（2）物理性能密度、熔点、导电性（3）化学性能耐酸碱性、抗氧化性。

2.工艺性能——加工成形的性能

第一节材料的力学性能一、外力作用下材料的变形力学性能——材料在外力作用下所表现出的特性。

作用在机件上的外力——载荷FFF’静载荷动载荷FF=F’F'F?

?

?

SSσ=F’/S（MPa）外力——内力——应力

1.两种基本变形

（1）弹性变形：

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。

FFF

（2）塑性变形:

材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。

FFF

第一节材料的力学性能FFb拉伸实验bFl0d0dkFF0?

?

FsSsekFeLo缩颈拉伸曲线K—断裂点b—极限载荷点?

llke—弹性极限点S—屈服点l0?

?

?

l应力—应变曲线

第一节材料的力学性能1．强度：

材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

（1）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。

σS=Fs/S0（MPa）当σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。

当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。

条件屈服强度:

σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。

第一节材料的力学性能

（2）抗拉强度（σb）Fs0.2F?

?

S0抗拉强度是材料在拉断前F0.2bs承受最大载荷时的应力。

σb=Fb/S0（MPa）它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。

bek0.2%?

ll0?

?

?

l抗拉强度—是脆性材料选材的依据。

第一节材料的力学性能2.塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。

lk?

l0?

100%伸长率：

?

?

l0常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。

PF0Pl0Ls?

s0k断面收缩率:

?

?

?

100%s0良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。

F1l1

第一节材料的力学性能4．硬度是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

（1）布氏硬度（HB）：

F压入载荷（N）HB?

压痕的表面积（mm）DDd

第一节材料的力学性能FFF1200布氏硬度适用HB<450

（2）洛氏硬度（HRC）h洛氏硬度一般用于HB>450HRC:

HB=1：

10

第一节材料的力学性能硬度σb与强度HB的关系低碳钢：

σb≈3.6HB高碳钢：

σb≈3.4HB调质合金钢：

σb≈3.25HB5．冲击韧性（Ak）材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。

AK=G（H1–H2）（J）ak=AK/S（J/m2）H1H2在冲击载荷下工作的零件，往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。

第一节材料的力学性能6．疲劳强度（σ-1）材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。

据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。

?

?

?

1n0—循环基数钢：

n0?

1078有色金属：

n0?

10n0n

第一节材料的力学性能7、几种常用金属材料的力学性能牌号力σb/MPa400610570310σs/学性HBS能HRCαk/J/Cm2δ%应用MPa235261615229Q235-A45钢ZG310570工程结构55（淬火）3轴、杆铸钢件ZAlSi2HT250QT700-2143250700420450活塞气缸体曲轴2270

三、力学性能与失效形式的关系力学性能?

b强度?

s塑性刚度断裂塑性变形过量弹变磨损失效形式硬度韧性疲劳强度

第二节铁碳合金状态图一、什么是状态图状态图——表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。

温度℃1538℃1538℃体心1394℃1394℃二、状态图的作用912℃面心912℃体心是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。

时间（成分）

第二节铁碳合金状态图三、铁碳合金状态图温度℃1.状态图上点的意义A—纯铁的熔点。

D—Fe3C的熔点。

1538℃AE1147℃727℃LCDFE—C在γ-Fe中的最大溶解度点。

1147℃2.06%C钢和铁的分界点。

A912℃LeGQSFPP4.3Fe3CK6.670.020.772.06C%

第二节铁碳合金状态图C—共晶点，1147℃4.3%C共晶点—发生共晶反应的点。

共晶反应—在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。

共晶反应的产物——共晶体——机械混合物1147℃L（4.3%C）A（2.06%C）+Fe3C（6.67%C）LeG—纯铁的同素异晶转变点。

912℃P—C在α-Fe中的最大溶解度点。

727℃0.02%C

第二节铁碳合金状态图S—共析点。

727℃0.77%℃共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出不同成分的另外两个固相的反应。

共析反应的产物—共析体—机械混合物727℃A（0.77%C）F（0.002%C）+Fe3C（6.67%C）P

第二节铁碳合金状态图2.状态图上线的意义ACD线—液相线AC—析出ACD—析出Fe3CAECF线—固相线AE—A析出终了线912℃温度℃1538℃AE1147℃LL+ACDAGFPQF+ASL+Fe3CFA+LeLe+FeC3Fe3CⅡLeA+Fe3727℃KC4.36.67PECF—共晶线1147℃0.020.772.06C%

第二节铁碳合金状态图ES线—C在γ-Fe中的溶解度曲线。

析出二次Fe3CⅡGS线—溶解度曲线A—FGP线—F析出终了线。

PQ线—碳在α-Fe中的溶解度曲线。

PSK线—共析线727℃

（1）单相区：

L、F、A、Fe3C

（2）两相区：

L+A、L+Fe3C、A+F、F+Fe3C（3）三相区：

L+A+Fe3C、A+F+Fe3C

第二节铁碳合金状态图四铁碳合金状态图分析1亚共析钢的结晶过程1点以上1～22～33～44~55点5点以下LL＋δA+LAA+FA→PP+F室温组织：

F+P亚共析钢的结晶过程

第二节铁碳合金状态图2共析钢（T8钢）1点以上L1～2L＋A2～3A3点A→P3点以下P室温组织:

P共析钢的结晶过程

第二节铁碳合金状态图3过共析钢（T10）1点以上1~22~33~44点4点以下LL+AAA+Fe3CIIA→PP+Fe3CIIAAAAAFAFA室温组织：

P+Fe3C（网状）过共析钢的结晶过程

第二节铁碳合金状态图4亚共晶铸铁

第二节铁碳合金状态图1点以上1~22点2~33点LA+L共晶反应A+Fe3CII+Le共析反应3点以下P+Fe3CII+Le’注明：

Fe3CII—二次渗碳体Le—高温莱氏体Le’—低温莱氏体室温组织P+Fe3CII+Le’

第二节铁碳合金状态图温度℃A1538℃122②①③1⑤1L+A2L⑥1111147℃④CDA912℃33F+AL+Fe3CⅠ2EFe3CⅡ2FLe2GFPQ0.02S3727℃344Fe3C+Le3Fe3CKP0.77P+Fe3C+Le’F+PP+Fe3C2.06Le’Fe3C+Le’6.674.3C%2Fe22Le’3341124CP+F1L+233①④③123C+Le’②LL+LeACFFeAAAA+L+P⑥L⑤LL+FeC+LeFe3LL+A3A+Le3A+LeCP+Fe3C+Le’3+Fe3P+Fe3C

第二节铁碳合金状态图五、铁碳合金的结晶过程及组织转变1．钢共析钢:

L111L+AL+AL+ALe2222AA333PA+F4亚共析钢:

L过共析钢:

L2．生铁共晶生铁:

L亚共晶生铁:

L过共晶生铁:

LP+F4ALe’A+Fe3CP+Fe3C111L+A2A+Le2A+Le+Fe3C33P+Fe3C+Le’L+Fe3CFe3C+LeFe3C+Le’

第二节铁碳合金状态图?

b?

?

HBHB?

b?

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0.9~1.0C%六．状态图的作用1．选择材料2．确定各种工艺参数