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余小燕郑毅主编机械制造基础第一章第一章金属材料基本知识•1.1金属材料的力学性能•1.2金属与合金的晶体结构与结晶•1.1金属材料的力学性能第一章金属材料基本知识1.1.1强度1.1.2塑性1.1.3硬度1.1.4冲击韧度1.1.5疲劳强度第一章金属材料基本知识金属材料的性能对零件的使用和加工有十分重要的作用在机械制造领域选用材料时,大多以力学性能为主要依据力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗力金属材料性能的主要种类如表1.1所示第一章金属材料基本知识第一章金属材料基本知识1.1.1强度强度是金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。根据载荷作用方式的不同，强度可分为：抗拉强度(σb)抗压强度(σbc)抗弯强度(σbb)抗剪强度(στ)一般情况下，多以抗拉强度为判断金属强度大小的指标。1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度图1.1低碳钢的拉伸曲线图1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度（1）ce──弹性变形阶段（2）es──屈服阶段（3）sb──均匀塑性变形阶段（4）bk──缩颈阶段1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度（1）ce──弹性变形阶段试样的伸长量与载荷成正比增加此时若卸载,试样能完全恢复原状Fe为能恢复原状的最大拉力1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度（2）es──屈服阶段当载荷超过Fe后,试样除产生弹性变形外,开始出现塑性变形当载荷增加到Fs时,图形上出现平台,即载荷不增加,试样继续伸长,材料丧失了抵抗变形的能力,这种现象叫屈服Fs称为屈服载荷1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度（3）sb──均匀塑性变形阶段载荷超过Fs后,试样开始产生明显塑性变形,伸长量随载荷增加而增大Fb为试样拉伸试验的最大载荷1.拉伸曲线第一章金属材料基本知识1.1.1强度（4）bk──缩颈阶段载荷达到最大值Fb后,试样局部开始急剧缩小,出现“缩颈”现象k点时试样发生断裂第一章金属材料基本知识1.1.1强度2.强度指标金属材料的强度是用应力来度量的。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。(1)屈服点σs在拉伸过程中,载荷不增加,试样还继续发生变形的最小应力(MPa)。σs=Fs/A0第一章金属材料基本知识1.1.1强度2.强度指标金属材料的强度是用应力来度量的。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。(2)抗拉强度σb金属材料在拉断前所承受的最大应力(MPa)σb=Fb/A0第一章金属材料基本知识1.1.2塑性塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形(或永久变形)而不断裂的能力。常用塑性指标是断后伸长率δ拉伸试验试样拉断后,标距长度的相对伸长值δ=[(l1-l0)/l0]×100%第一章金属材料基本知识1.1.2塑性塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形(或永久变形)而不断裂的能力。常用塑性指标是断面收缩率ψ拉伸试样拉断后试样截面积的收缩率ψ为ψ=[(A0-A1)/A0]×100%第一章金属材料基本知识1.1.3硬度硬度是指金属材料抵抗外物压入其表面的能力,即金属材料抵抗局部塑性变形或破坏的能力。硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。•将一定直径的压头,在一定的载荷下垂直压入试样表面,保持规定的时间后卸载,压痕表面所承受的平均应力值称为布氏硬度值,以HB表示。图1.2为布氏硬度试验原理图。第一章金属材料基本知识1.1.3硬度1.布氏硬度图1.2布氏硬度试验原理图HB=F/S压=0.102×2F/πD(D-D2-d2)•用规定的载荷,将顶角为120°的圆锥形金刚石压头或直径为1.588mm的淬火钢球压入金属表面,取其压痕深度计算硬度的大小,这种硬度称为洛氏硬度HR。第一章金属材料基本知识1.1.3硬度2.洛氏硬度图1.3洛氏硬度试验原理图HR=K-bd/0.002第一章金属材料基本知识1.1.3硬度3.维氏硬度•用49-981N的载荷,将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属表面,以其压痕面积除载荷所得的商称为维氏硬度HV。三种硬度应用范围比较布氏硬度计主要用来测量灰铸铁、有色金属以及经退火、正火和调质处理的钢材等材料HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢等;HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等;HRC主要用于测量一般淬火钢件维氏硬度适用于测定厚度为0.3～0.5mm的薄层材料,或厚度为0.03～0.05mm的表面硬化层的硬度第一章金属材料基本知识第一章金属材料基本知识1.1.4冲击韧度图1.4冲击试验示意图1——摆锤2——试样冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力,通常用一次摆锤冲击试验来测定。冲击吸收功(AK)除以试样缺口处的截面积S0,即可得到材料的冲击韧度αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0冲击韧度αK值愈大,表明材料的韧性愈好,受到冲击时不易断裂。第一章金属材料基本知识1.1.5疲劳强度虽然零件所受应力远低于材料的屈服点,但在长期使用中往往会突然发生断裂,这种破坏过程称为疲劳断裂。工程上规定,材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。材料的疲劳强度与其合金化学成分、内部组织及缺陷、表面划痕及零件截面突然改变等有关。第一章金属材料基本知识1.1.5疲劳强度图1.5疲劳曲线曲线表明材料受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数(N)越少,反之,则N越大。当应力低于一定值时,试样经无限周次循环也不破坏,此应力值称为材料的疲劳强度,用σr表示提高零件疲劳强度的方法改善结构设计避免应力集中提高加工工艺减少内部组织缺陷降低零件表面粗糙度表面强化方法表面淬火表面液压喷丸处理第一章金属材料基本知识第一章金属材料基本知识•1.2金属与合金的晶体结构与结晶1.2.1金属的晶体结构1.2.2纯金属的结晶1.2.3合金的晶体结构1.2.4铁碳合金第一章金属材料基本知识1.2.1金属的晶体结构1.晶体与非晶体第一章金属材料基本知识1.2.1金属的晶体结构图1.6简单立方晶格与晶胞示意图2.晶格与晶胞第一章金属材料基本知识1.2.1金属的晶体结构3.三种典型的金属晶格类型图1.7常见金属晶格的晶胞三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格铬、钨、钼、钒等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、α钛等第一章金属材料基本知识第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶金属的结晶一般是指金属由液态转变为固态的过程。纯金属的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的。研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径有重要的意义。第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶1.纯金属的冷却曲线图1.8纯金属的冷却曲线液态金属随着冷却时间的延长,它所含的热量不断散失,温度也不断下降当冷却到某一温度时,温度随时间延长并不变化出现了“平台”金属继续向环境散热,温度又重新开始下降第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶1.纯金属的冷却曲线图1.8纯金属的冷却曲线图中To为理论结晶温度金属实际结晶温度(Tn)总是低于理论结晶温度(To)的现象,称为“过冷现象”理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度，以ΔT表示ΔT=To-Tn第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶2.纯金属的结晶过程(1)晶核的形成(2)晶核的长大第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶2.纯金属的结晶过程(1)晶核的形成在过冷度存在的条件下,依靠产生微细小晶体形成晶核的过程,称为自发形核依附于杂质或型壁而形成晶核的过程,称为非自发形核自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的,但非自发形核常起优先和主导作用第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶2.纯金属的结晶过程(2)晶核的长大晶核形成后,会吸附其周围液态中的原子,不断长大晶核长大使液态金属的相对量逐渐减少第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷(1)点缺陷最常见的点缺陷有空位、置换原子和间隙原子等,如图1.9所示由于点缺陷的出现,使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象,这种现象称为晶格畸变(1)点缺陷第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷图1.9点缺陷示意图第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷(2)线缺陷线缺陷主要指的是位错最常见的位错形态是刃型位错,如图1.10所示(2)线缺陷图1.10刃型位错晶体结构示意图第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷(3)面缺陷通常指的是晶界和亚晶界实际金属材料都是多晶体结构,多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的,所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层图1.11晶界示意图第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶3.晶体的缺陷(3)面缺陷第一章金属材料基本知识1.2.2纯金属的结晶4.晶粒大小及其控制实际金属结晶后形成多晶体,晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下,晶粒愈细小,金属的强度、硬度就愈高,塑性、韧性也愈好,即综合力学性能好。第一章金属材料基本知识细化晶粒、改善性能的方法增加过冷度变质处理其他机械振动超声波振动电磁振动第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(1)合金(2)组元(3)合金系(4)相(2)组织第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(1)合金一种金属元素与其他金属或非金属元素,经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质,称为合金例如碳钢就是铁和碳组成的合金第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(2)组元组成合金的最基本的独立物质称为组元,简称元组元可以是金属元素或非金属元素,也可以是稳定化合物由两个组元组成的合金称为二元合金,三个组元组成合金称为三元合金第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(3)合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金,称为合金系例如,铜和镍组成的一系列不同成分的合金,称为铜—镍合金系第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(4)相合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为相液态物质称为液相;固态物质称为固相同样是固相,有时物质是单相的,而有时是多相的第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构1.合金的基本概念(5)组织用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织组织是决定材料最终性能的关键在研究合金时通常用金相方法对组织加以鉴别第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构2.合金的组织图1.12固溶体的两种类型(1)固溶体第一章金属材料基本知识1.2.3合金的晶体结构2.合金的组织(2)金属化合物(3)机械混合物工程上使用的大多数合金的组织都是固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态和分布状况,可以使合金的力学性能在较大范围内变化,从而满足工程上的多种需求。第一章金属材料基本知识1.2.4铁碳合金1.铁碳合金基本组织(1)纯铁的同素异构转变(2)铁碳合金的基本组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体第一章金属材料基本知识1.2.4铁碳合金1.铁碳合金基本组织(1)铁素体铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体,用符号F表示铁素体由于溶碳量小,力学性能与纯铁相似,即塑性和冲击韧度较好,而强度、硬度较低第一章金属材料基本知识1.2.4铁碳合金1.铁碳合金基本组织(2)奥氏体奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体,用符号A表示奥氏体的强度、硬度较低,但具有良好塑性,是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织第一章金属材料基本知识1.2.4铁碳合金1.铁碳合金基本组织(3)渗碳体渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物,用化学式Fe3C表示渗碳体中的碳的质量分数为6.69%,硬度很高(800HBW),塑性和韧性几乎为零第一章金属材料基本知识1.2.4铁碳合金1.铁碳合金基本组织(4)珠光体珠光体是铁素体和渗碳体