【材料课件】《授课教案》第一篇　工程材料性质

第一篇工程材料性质1教案首页课程名称：金属材料成形基础任课教师：徐晓峰第一篇工程材料性质计划学时：6教学目的和要求：本篇介绍了金属材料的主要性能、金属与合金的晶体结构及结晶过程、铁碳合金状态图及铁碳合金。学完本篇要求学生了解并掌握金属材料的主要性能、金属与合金的晶体结构及结晶过程和铁碳合金状态图。重点：重点为金属材料的力学性能、铁碳合金；难点：难点为铁碳合金状态图思考题：1．如何判断金属材料受力时，产生的是弹性变形还是塑性变形？2．生产中常通过测量硬度来估算材料的强度，这是为什么？3．合金的基本组成物有?那些试说明它们各自的结构特点和性能特点。4．锯条、弹簧、轴各应进行那些热处理比较?合适？为什么？5．何为合金状态图？它是如何绘制出来的？合金状态图有什么用途？第一篇工程材料性质2第一篇工程材料的性质第一章材料的主要性能材料的主要性能是指: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。2．变形的三个阶段3.常见的几种失效形式（1）断裂（2）塑性变形（3）过量弹性变形（4）磨损（5）腐蚀二、材料的力学性能1.使用性能（1）力学性能（2）物理性能（3）化学性能2.工艺性能——加工成形的性能第一节材料的力学性能力学性能材料在外力作用下所表现出的特性。一、外力作用下材料的变形与失效作用在机件上的外力载荷静载荷动载荷FFF’FSFSF'σ=F’/S（MPa）F=F’（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。1.两种基本变形（1）弹性变形：弹性变形塑性变形断裂第一篇工程材料性质3拉伸实验应力应变曲线e—弹性极限点S—屈服点K—断裂点b—极限载荷点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。它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力σeσσs时，只产生微量的塑性变形。当σσs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。0lFLF0dkdklFbsek0SFosFeFbF0lll缩颈拉伸曲线σS=Fs/S0（MPa）σ0.2=F0.2/S0（MPa）第一篇工程材料性质4（2）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。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。常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：断面收缩率：良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3．刚度（E）材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。在弹性变形阶段：所以：E—材料抵抗弹性变形的能力越大。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）：kesl0ll0SF2.0s100%0.2%2.0FbFσb=Fb/S0（MPa）%10000lllk%10000sssklFEE第一篇工程材料性质5布氏硬度适用HB450(2)洛氏硬度（HRC）洛氏硬度一般用于HB450洛氏硬度与布氏硬度之间约为1：10的关系同时硬度与强度之间也有一定的关系：低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.6HB调质合金钢：σb≈3.6HB5．冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。6．疲劳强度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。受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。—循环基数钢：FD）压痕的表面积（）压入载荷（mmNHB)11(2102.022DdDFF1200AK=G（H1-H2）（J）ak=AK/S（J/m2）1H2H0n7010n第一篇工程材料性质6有色金属：三、力学性能与失效形式的关系力学性能失效形式强度塑性断裂刚度塑性变形硬度过量弹变韧性磨损疲劳强度第二节材料的物理、化学及工艺性能一、材料的物理性能比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。二、材料的化学性能耐酸性、耐碱性、抗氧化性。三、材料的工艺性能：加工性能1n0n8010nsb第一篇工程材料性质7第二章金属及合金的结晶第一节金属的晶体结构晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体。晶格—原子排列形成的空间格子晶胞—组成晶胞最基本的单元金属的典型晶体结构体心立方晶格：Cr、Mo、W、V、-Fe、-Fe面心立方晶格：Cu、Ni、Ag、Au密排六方晶格：Mg、Be、Zn、-Ti、-Cr第二节金属的结晶过程一、金属的结晶过程1．金属结晶的过冷现象2．金属的结晶过程结晶nTTT0形核长大温度℃时间T0TnΔT过冷度冷却曲线第一篇工程材料性质8金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。3．细化晶粒的方法1）变质处理2）增大过冷度3）机械的振动和搅拌4）热处理5）压力加工再结晶二、金属的同素异晶转变同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。Fe、Sn、Ti、Mn一种金属能以几种晶格类型存在的性质—称为同素异晶性。第三节合金的结构合金—以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。合金是由两种以上的元素组成的。固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之间所起的作用所决定的。固溶体自发形核非自发形核FeFe温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心Fe912℃FeFeFe1394℃1538℃L第一篇工程材料性质9合金的结构金属化合物机械混合物一、固溶体溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80二、金属化合物合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。金属化合物各元素之间呈整数比关系。如：Fe3C、WC、TiC等金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%三、机械混合物合金的组成在固态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质。机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。性能特点：性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综合力学性能。P：σb=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子第一篇工程材料性质10第三章铁碳合金第一节铁碳合金的基本组织一、铁素体（F）铁素体—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。727℃0.02%C力学性能：σb=250MPaδ=45~50%HB=80二、奥氏体（A）奥氏体—碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。1147℃2.06%C、727℃0.77%℃力学性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200三、渗碳体（Fe3C）渗碳体—是金属化合物。6.67%C力学性能：σb=30MPaδ=0HB=800四、珠光体（P）珠光体—是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。727℃0.77%℃力学性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200五、莱氏体（Le）莱氏体—是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。1147℃4.3%C力学性能：σb=30MPaδ=0HB=700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。二、状态图的作用是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。三、铁碳合金状态图1.状态图上点的意义A—纯铁的熔点。D—Fe3C的熔点。E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1147℃2.06%C钢和铁的分界点。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L（4.3%C）A（2.06%C）+Fe3C（6.67%C）1147℃Le第一篇工程材料性质11G—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%CS—共析点。727℃0.77%℃共析点—发生共析反应的点。共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定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A（0.77%C）F（0.002%C）+Fe3C（6.67%C）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ECF—共晶线1147℃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四、铁碳合金的结晶过程及组织转变1．钢共析钢:亚共析钢:AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.67FLe727℃PA3PLA2L+2AL+1L3AA+4P+FF第一篇工程材料性质12过共析钢:2．生铁共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁：五．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3C六．状态图的作用1．选择材料2．确定各种工艺参数第三节钢的分类和应用一、钢的分类1．按化学成分分类1）碳素钢（1）低碳钢C0.25%（2）中碳钢C=0.25-0.6%1LAL+23AFe3CA+4P+Fe3C1L2Le’Le1LAL+2A+LeA+Le+Fe3C3P+Fe3C+Le’1LFe3CL+2Fe3C+Le3Fe3C+Le’C%00.772.064.36.670.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ0.9~1.0bHBC%bHB第一篇工程材料性质13（3）高碳钢C0.6%2）合金钢（1）低合金钢Me5%（2）中合金钢Me=5-10%（3）高合金钢Me10%2.按质量分类1）普通钢：P0.045%S0.055%2）优质钢：P0.040%S0.045%3）高级优质钢：P、S0.030%3．按用途分类1）结构钢：（1）工程结构钢、（2）机械制造用钢2）工具钢：（1）碳素工具钢（2）合金工具钢3）特殊性能钢：弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等。4．按冶炼方法分类（1）平炉钢（2）转炉钢（3）电炉钢二、钢的编号及应用1．结构钢1）（普通）碳素结构钢碳素结构钢的钢号用屈服强度表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。Q195Q195（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）2）优质碳素结构钢这类钢的有害杂质P、S含量较低，钢的质量较好，主要用于制造各种较重要的机械零件。钢号用两位数字表示，数字表示含碳量的万分之几。45—表示含碳量是万分之45（0.45%）08、10、15—冲压件、焊接件。15、20、25—渗碳淬火。30、35、40、45、50、55—调质处理。制造齿轮、连杆、凸轮和轴类零件。