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工程材料

工程材料

第一章材料的性能

第一节材料的力学性能

材料受外力作用时，所表现的抵抗变形和破坏能力称为力学性能。

外力作用的不同，材料表现的性能不同。

一弹性刚度 强度塑性 

（一）拉伸曲线

        弹性变形：

外力去除后，材料恢复原状OA是直线y=kx  AA是曲线

        塑性变形：

材料发生的永久性变形。

ABCD

        断裂：

   断前缩径 D点

        韧性断裂：

断前有明显变形。

        脆性断裂：

断前无明显变形。

（二）应力——应变曲线

    应力：

    σ  = P/A

    应变：

    ε  = ΔL/Lo

         完全不受试样尺寸影响。

（三）弹性极限：

最大弹性变形时的应力。

     弹性模量：

材料在弹性状态下的应力与应变的比值。

E=σ/ε-

               单位弹性变形所需的应力。

     刚度：

金属材料抵抗弹性变形的能力。

AE

           对组织不敏感，主要取决于金属材料本性。

（四）强度；静载下，抵抗变形和断裂的性能。

        1 屈服点强度：

材料产生明显塑性变形时的最低应力值。

σs=Ps/A

                      试样产生0。

2%残余伸长时的应力值。

        2强度极限：

材料在破坏前所承受的最大的应力值。

    σb=Pb/A

 （五）塑性：

静载时，产生塑变而不破坏的能力。

        1伸长率：

δ=（L—Lo）/Lo×100

2断面收缩率：

ψ=（A—Ao）/Ao×100%  

通常不直接用于工程计算，但保证工件的安全工作。

  二硬度

衡量金属材料软硬程度的指标。

（-一）布氏硬度

   直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下，保留一定的时间，去除载荷后，工件上压痕直径为d。

单位面积上所受的力。

   HBS（HBW）=P/A=2P/πD（D—√D2—d2）

　　HBS 淬火钢球        ＜450   如：

430HBS

   HSW 硬质合金球      ＞450   如：

600HBW

 特点：

1压痕大，数值精确。

       2压痕大，不宜测量成品和薄件。

（二）洛氏硬度

     1200金刚锥或一定直径的钢球，在初载荷和主载荷的作用下，压入式样表面，保留一定时间后，去除载荷，测量残余压痕深度，计算硬度值。

     HR=（K—H）/0.002

     特点：

1操作迅速简便。

           2压痕小，可在工件表面或薄件上进行。

           3数值不精确。

（三）维氏硬度（HV）

     1360正四棱锥金刚石压头，在载荷P的作用下，压入式样表面，保留一定时间后，去除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值。

     HV=P/A=P/（d2/2sin680）=1.8544P/d2

     特点：

1载荷小，压入前，适表面淬硬层。

           2可测量极软至机硬。

3测量麻烦，效率低。

  三冲击韧性

冲击载荷：

具有一定速度的载荷。

冲击韧性：

冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。

冲击试验

试样：

U V夏比试样。

实验：

ak=W/A=mg（H—h）

ak低：

脆性材料，无明显塑变。

断口平整，有金属光泽。

呈晶状。

ak高：

韧性材料，有明显塑变。

断口纤维状，无金属光泽。

说明：

1.消耗在断前的塑变，而不是断开。

2.ak是弹性变形功，塑性变形共和撕裂变形功三部分出成。

故ak不真正代表材料的韧性。

应用

揭示材料的变脆倾向。

1评定材料低温变脆倾向。

2反映原材料的冶金质量和热加工产品质量。

ak对金属材料内部结构缺陷等具有较大的敏感性。

四疲劳

疲劳现象

工件在交变载荷的作用下，在低于屈服强度的情况下发生的断裂。

原因：

应力高度集中部位或材料强度较低部位，在交变力的作用下，产生裂纹，裂纹扩展，有效面积缩小，至断裂。

即：

产生------扩展-----瞬时断裂。

断口：

疲劳源----贝纹线------纤维区（韧性材料）

                       结晶状区（脆性材料）

疲劳曲线和疲劳极限

疲劳曲线：

交变应力与疲劳寿命的关系曲线。

疲劳极限：

应力低于一定值时，试样经受无限周期循环而不破坏。

试样不发断裂的最大循环应力。

σ-1

提高疲劳极限的途径

1：

结构设计尽量避免尖角、缺口和截面突变。

2：

降低零件表面粗糙度，提高加工质量。

3：

采用各种表面强化处理。

其他疲劳

1：

冲击疲劳：

多次冲击载荷引起损伤积累裂纹扩展。

2：

热疲劳：

循环热应力引起的疲劳。

          原因：

   温度变化时，材料不能自由膨胀和收缩。

          提高途径：

降低膨胀系数，提高高温强度和导热性，减少应力集中。

3接触疲劳：

接触压应力反复作用，表面剥落。

           麻点剥落：

0.1----0.2MM以下。

           浅层剥落：

0.2-----0.4MM

           深层剥落：

大面积表层压碎。

 提高途径：

降低非金属夹杂。

           改善表层质量。

           适当心与表硬度深度。

           良好润滑。

4腐蚀疲劳：

腐蚀环境下发生的疲劳。

危害更大。

 提高途径：

添加缓蚀剂。

           电化学保护。

           各种表面处理。

五断裂韧性

 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。

裂纹扩展的基本形式

1：

张开型。

2：

滑开型。

3：

撕开型。

应力场强度因子K1

裂纹尖端附近应立场强弱程度的力学参量。

K1=YσC√a

       （三）断裂韧度K1c及其应用

裂纹扩展时的临界状态所对应的应力场强度因子K1c.

K1：

力学参量，与载荷及试样尺寸有关。

和材料无关。

K1c：

力学性能指标，与材料成分、组织结构有关，与载荷及试样尺寸无关。

说明：

1：

若知K1c，a后，可求σC，为载荷设计提供依据。

     2：

若知K1c，σ后，可求a，，为裂纹探伤提供依据。

     3：

若知σ、a后，可求K1c，，为正确选材提供依据。

第二节材料的物理性能和化学性能

一物理性能

 1密度

 2熔点

 3热膨胀性

 4导电性

 5导热性

 6磁性

二化学性能

  1耐腐蚀性材料抵抗各种介质腐蚀破会的能力。

  2抗氧化性材料抵抗高温氧化的能力。

第三节材料的工艺性能

一铸造性能

二可锻性能

三焊接性能

四且削加工性能材料容易被切削加工成型并得到精确的形状和高的表面光洁度。

第二章材料的结构

金属键

金属离子通过正离子和自由电子之间引力而相互结合，这种结合键称为金属键。

金属在固态下具有下列特性

1良好的导电、导热性 电：

自由电子在外加电场或电势差下，定向、加速流动。

                     热：

自由电子流动性强，金属离子震动。

2正的电子温度系数   加热时，离子震动加剧，空位增多，原子排列规则受干扰，电子运动受阻，电阻增大。

3良好的反射力、不透明性及金属光泽自由电子吸收并辐射出大部分投射到表面的光。

4良好的塑性变形能力金属键无方向性，原子间无选择性，在外力作用而原子位置相对移动时，键不破坏。

晶体结构的基本概念

 一晶体与非晶体

晶体：

 组成物质的原子（分子）规则排列。

非晶体：

组成物质的原子（分子）无规则排列。

晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。

 二晶体结构：

晶体中原子在空间呈规则排列。

排列方式。

 三晶格：

   假想的三维空间格架。

 四晶胞：

   晶格中代表原子排列规律的最小单元。

 五晶格常数：

晶胞各边的尺寸。

 六常用晶格：

体心立方、面心立方、密排六方

 七立方晶系的晶面和晶向的表示方法

   晶面：

   通过晶体中原子中心的平面。

  1晶面指数

   步骤1）晶面外一点为原心设坐标，晶格的三条边为坐标轴。

晶格常数为轴上度量单位，求截距。

求截距的倒数，并化整数。

结果放在（  ）内。

  2晶向指数

步骤1）晶向上一点为原心设坐标，晶格的三条边为坐标轴。

晶格常数为轴上度量单位，求截距。

化整数。

结果放在方括号里。

  立方晶系中，指数相同的晶面和晶向互相垂直。

金属的结构

金属的晶体结构

一纯金属的晶体结构

  晶格尺寸：

 晶胞的大小，用晶格常数表示。

  晶胞原子数：

一个晶胞内所包含的原子数目 

体心立方      1+8×1/8=2

               面心立方      6×1/6+8×1/8=4

               密排六方      3+2×1/2+12×1/6=6

  原子半径：

 晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半。

体心立方   体对角线 √3/4a

               面心立方    面对角线 √2/4a

               密排六方    底面对角线 1/2a

               据此可见，同种金属原子处于不同类型晶格时，原子半径是不一样的。

  配位数;     晶格中原子排列的致密程度。

               晶格中与任意原子处于相等距离并相距最近的原子数目。

               配位数越大，原子排列致密度越高。

 体心立方     8  

                    面心立方    12

                密排六方    12

  致密度：

     晶胞中原子本身占有的体积百分数。

                致密度=（晶胞中原子所占有体积/晶胞体积）×100%

体心立方    0.68     

面心立方    0.74

密排六方    0.74

配位数大的，致密度大。

  二实际金属的晶体结构

晶体缺陷：

晶格不完整的部分。

点缺陷：

空间三维尺寸很小的缺陷。

         空位：

    无原子的节点。

         间隙原子：

位于间隙中的原子。

         空位、间隙原子均产生晶格畸变。

线缺陷：

         位错：

刃位错：

晶体一部分，沿一定晶面相对晶体的未动部分，逐步的发生了原子间的错动。

               螺位错：

局部原子错排，具有螺旋形特征。

         位错密度：

单位体积中位错线的总长。

                    ρ=∑L/V

         位错移动是强化金属的主要途径。

3）面缺陷：

一维尺寸很小，二维、三维尺寸很大的缺陷。

       a 晶界：

    晶粒和晶粒之间的接触面。

              单晶体：

  一块晶体内部的晶格方位完全一致。

              晶粒：

    彼此方位不同，外形不规则的小晶体。

                    晶界是晶粒的过渡部位，位向差一般为200---400。

             b 亚晶界：

  亚晶粒之间的交界面。

  亚晶粒：

  晶粒内部是由许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块组成。

10---20。

 三合金的晶体结构

合金：

 两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。

组元：

 组成合金的独立的、最基本的单元。

相：

   成分相同，结构相同，并有界面与其他部分分开的均匀部分。

组织：

 数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。

合金的基本相

（1） 固溶体：

成分和性能均匀的，

（2） 且结构与组员之一相同（3） 的固相。

溶剂：

与固溶体晶体结构相同的组元。

晶粒和晶粒之间的接触面。

溶解度：

溶质的含量。

一定温度和压力下，溶质在溶剂中的极限含量。

1分类：

1）置换式固溶体：

溶质原子占据了溶剂晶格某节点位置。

                        原子半径、晶各类型、电化学性能相同。

           间隙式固溶体：

溶质原子进入了溶剂晶格间隙位子。

                                原子半径差大。

        2）有限固溶：

超过溶解度有其他相形成。

           无限固溶：

溶质可以任意比例溶入。

        3）有序固溶：

溶质原子有规律分布。

           无序固溶：

溶质原子无规律分布。

 2性能：

强度、硬度增加，塑性、韧性下降。

固溶强化。

（二）金属化合物

     金属化合物：

晶格类型和特性完全不同于任意组元的新相。

特点：

熔点高，硬度大，脆性大。

可用分子式表示。

分类：

1）正常价化合物：

遵守化合价规律。

周期表中相距较远元素。

     2）电子化合物：

符合一定电子浓度。

过渡族元素。

          3）间隙化合物：

过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素形成。

                    间隙相：

  非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。

                    复杂结构的间隙化合物：

非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成的具有复杂晶格结构的间隙化合物。

第三章材料的凝固

材料从液态到固态的转变过程。

结晶：

金属原子从一种序到另一种序的转变。

一次结晶：

液态倒固态。

二次结晶：

固态到另一种固态。

第一节纯金属的结晶

一结晶的条件

 过冷：

   液态金属实际冷却到结晶温度下而暂不结晶的现象。

   过冷度：

 理论结晶温度与实际结晶温度之差。

与金属的本质、冷却速度有关。

冷却速度越大，过冷度越大。

              ΔT=T0—Tn

             表示金属液态和固态之间有自由能差ΔF

  充要条件：

足够的自由能和过冷度。

 冷却曲线

  纯金属有结晶平台，因为结晶放热补偿散热。

二纯金属的结晶过程

结晶的基本过程

形核：

极小的晶体，结晶的中心。

长大：

晶核向各个方向不断长大。

每个晶体先形核，再长大。

整个金属，生核与长大同时进行。

晶核生成方式

自发生核：

液体内部自发长成的结晶核心。

短程有序集团  T＞T0 不稳定。

　　　　T＜T0 ΔT存在，稳定，不再消失。

ΔT越大，晶核量越

非自发行核：

依附于杂质而生成的晶核。

遵循“结构相似，尺寸相当”原则。

晶核的长大

实质：

原子由液体表面向固体表面的转移。

均匀长大：

 过冷度较小时，自由晶体表面总是能量最低的密排面。

树枝状长大：

过冷度较大时，晶喝棱角处的散热条件好，生长块，先形成枝干，而枝干间最后被填充。

  三同素异构转变

同素异构转变：

物质在固态下，晶格类型会随温度变化而发生变化。

             纯铁的同素异构转变：

δ—Fe--------γ—Fe---------α—Fe

                                 体心立方------面心立方------体心立方

             由此可见，钢铁可以热处理改变组织、性能。

特点：

二次结晶，重结晶

形核发生在特定部位。

过冷倾向大，结晶组织细。

伴随体积变化，易产生内应力。

第二节合金的结晶

相图：

表试合金系中各金属在极其缓慢的冷却条件下，结晶过程的简明图解。

     是研究温度、成分、相之间变化关系的工具图。

一二元相图的建立

实验：

热分析法

二二元相图的基本类型和分析

（一）匀晶相图

 两组元在液态和固态下均无限互溶的相图。

1相图分析

液相线：

加热时合金熔化的终了点或冷却时结晶的开始温度点的连线。

固相线：

加热时合金熔化的开始点或冷却时结晶的终了温度点的连线。

单相区：

液相区液相线以上区。

       固相区固相线以下区。

       双相区：

液相线和固相线之间区。

2合金的结晶过程

匀晶反应：

从液相中结晶出单一固相的转变。

说明：

液固相线不仅是相区分线，也是结晶时两相的成分变化线。

即，液相成分沿着液相线变化；固性成分沿着固相线变化。

     匀晶转变是变温转变，结晶时，液固两相的成分是随温度而变化。

杠杆定律

合金在某一温度下处于两相区时，可以知道两平衡相的成分及相对重量百分比。

成分：

   由相图确定。

相对重量：

设合金成分为x，

合金总重量为1。

液态的成分为x1，相对重量为Q1

固态的成分为x2，相对重量为Q2

则：

Q1+Q2=1

   Q1x1+Q2x2=x

解得：

Q1=xx2/x1x2×100%

     Q2=x1x/x1x2×100%

Q1/Q2=xx2/x1x

说明：

杠杆定律只适用与两相区。

枝晶偏析：

一个枝晶范围内或一个晶粒范围内。

成分不均匀的现象。

枝晶偏析的大小a与冷速有关。

冷速越大，偏析越严重。

              b与给定成分的液、固相线间距有关。

间距越大，

偏析越严重。

枝晶偏析影响合金的性能。

消除枝晶偏析：

扩散退火。

（二）共晶相图

           两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶。

并发生共晶反应时形成的相图。

相图分析：

液相线：

固相线：

单相区：

  L、α、β三个。

两相区：

  L+α、L+β、α+β

共晶反应：

在一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变。

共晶体：

 共晶反应的产物。

共晶温度：

发生共晶反应的温度。

共晶点：

 代表共晶温度和共晶成分的点。

共晶合金；具有共晶成分的合金。

亚共晶合金；成分位于共晶点以左的合金。

过共晶合金：

成分位于共晶点以右的合金。

共晶反应时，三相共存。

L、α、β

固溶线：

   两组元互相溶解时的溶解度曲线。

典型合金的结晶过程

共晶反应：

  L===α+β

亚共晶反应：

过共晶反应：

（三）包晶相图

          两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时形成的相图。

1相图分析

单相区：

 L、α、β

两相区：

 L+α、L+β、α+β

包晶点：

包晶线：

包晶反应；在一定温度下，一定成分的液相包着一定成分的固相，发生反应后，生成另一一定成分的固相。

2典型合金的结晶过程

包晶反应：

L+α===β

包晶反应时，如冷却较快，将产生较大的偏析。

（四）共析反应

共析反应：

一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相。

         α===β1+β2

共析点：

共析线；

共析体：

共析反应的产物。

三二元相图的分析步骤

（一）分清相图中包含的那些基本相图。

 1相区的确定：

单项区：

相邻两相区相数差为1。

               两相区；两个单项区夹一个两相区，该两相区的相由两个相邻

单相区的相组成。

               三相区：

水平线是三相区。

三个相由与该三相区点接触的三个单项区的相组成。

 2分析典型合金结晶过程

四相图与合金性能之间的关系

  合金的性能取决于合金的成分和组织。

合金的成分与组织的关系体现在相图中。

 1相图与合金力学性能、物力性能的关系

 机械混合物：

性能与合金成分呈直线关系。

 固溶体：

   固溶强化。

无限固溶合金，溶质含量在50%附近强度和硬度最高。

 稳定化合物：

性能成分曲线在化合物成分处出现拐点。

  导电率的变化正好和力学性能相反。

 2相图与铸造性能的关系

  共晶合金的铸造性能最好。

  固溶体合金的铸造性能较差。

铁碳合金相图

 铁碳合金是碳钢和铸铁的统称。

铁碳相图是研究铁碳合金最基本的工具。

铁和碳可形成一系列稳定化合物，但当碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无使用价值。

铁碳合金相图实际上是Fe—Fe3C相图。

一铁碳合金的组元和相

纯铁及铁基固溶体

  纯铁有三种同素异构体。

α—Fe、γ—Fe、δ—Fe

  铁素体：

碳在α—Fe中形成的固溶体。

晶格类型：

体心立方晶格

溶解度：

 溶碳最高为7270的0.0218%。

组织：

   为多边形的亮块。

性能：

   强度、硬度低，塑性、韧性高。

  高温铁素体：

碳在δ—Fe中形成的固溶体。

晶格类型：

体心立方。

溶解度：

 14950时的0.09%。

奥氏体：

碳在γ—Fe中形成的固溶体。

晶格类型：

面心立方晶格

溶解度：

 溶碳最高为11480时的2.11%。

组织：

   为多边形的亮块。

晶界较直。

性能：

   强度低，塑性好

（二）渗碳体：

铁与碳的间隙化合物。

       含碳量：

6.69%。

组织：

 片状、网状、球状。

       性能：

 硬度高，塑性和韧性几乎为零。

尺寸、形状、分部对其影响较大。

               是强化相。

               Fe-====3Fe+C

二铁碳合金相图的分析

  Fe—Fe3C相图由三个基本相图组成，包晶、共晶和共析。

各点代表的意义

符号     温度0C         含碳量/%         意义

 A      1538           0            纯铁熔点

 B      1495           0.53          包晶反应时的液相反应点

 C      1148           4.3           共晶点

 D      1227           6.69         渗碳体的熔点

 E      1148           2.11          碳在γ—Fe中的最大溶解度

 F      1148           6.69          渗碳体

 G      912            0            同素异构转变点

 H      1495           0.09         碳在δ—Fe中的最大溶解度

 J       1495         0.17           包晶点

 K      727          6.69           渗碳体

 N      1394         0              同素异构转变点

 P      727          0.0218