工程材料

材料是人类用来制作各种产品的物质。工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按化学成分及结合键分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料按材料的使用性能分类：结构材料，功能材料按照材料的物理形态分类：晶体材料，非晶态材料，纳米材料按照材料的几何形态分类：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料按照材料的发展分类：传统材料，新材料金属材料的性能：使用性能，工艺性能刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。若加载后的应力不超过σe，则卸载后试样会恢复原状，这种变形被称为弹性变形。弹性极限σe：材料能保持弹性变形的最大应力。弹性模量E（刚度）：应力与应变之比E=σ/ε，衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。当应力值到达s点时，曲线上出现了水平的波折线，表明即使外力不增加试样仍能继续伸长，这就是屈服现象。发生屈服所对应的应力值即为屈服强度，用σs表示。b点是拉伸曲线的最高点，对应的应力是材料在破断前所能承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。断裂强度σk：材料能承受最大载荷时的应力。塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。硬度：材料抵抗硬物体压入其表面的能力试验方法：主要方法回跳法、压入法、划痕法HBS压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值在650以下的材料。280HBW10/3000/30:表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为280。特点：测出硬度值准确、可靠；压痕大，不宜成品检验；测量过程速度慢。HBS适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色合金等硬度小于450HB的较软金属；HBW适用于测量硬度值在650HB以下的材料。洛氏硬度：60HRC特点：试验简便、方便；压痕小，适用成检。测出硬度值不很准确。维氏硬度：采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体特点：测定所用载荷小，压痕浅。载荷可调范围大，对软、硬材料均适用。动载荷主要形式：1、冲击载荷2、交变载荷冲击韧度：材料抵抗冲击载荷的能力。低温脆性现象:低温情况下本来韧性良好的钢失去了应有的韧性，变得像玻璃棒一样脆而易折。所以低温下材料在没有塑性变形的条件下已经发生脆性断裂。韧脆转变温度Tk：在某一温度区间，材料的冲击韧性随温度下降而急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度的范围称韧脆转变温度。交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。疲劳极限σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。单位为MPa。疲劳断裂特点:应力高寿命短，应力低则寿命长，当应力低于疲劳极限时，寿命可无限长；疲劳是脆性断裂，由于疲劳的应力水平一般比屈服强度低，不管是韧性材料还是脆性材料，都是脆断，是一个长期累积损伤的过程；疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感；疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展的过程，断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区。“应力场强度因子KI”：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性KⅠC：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。不发生脆断的条件：KI小于KⅠC结合键分类：离子键，共价键，金属键，分子键(范德华键)离子键：正、负离子由于静电引力而相互结合成化合物，这种相互作用就称为离子键。共同特点：①结合力大。通过离子键结合的材料强度高、硬度高、熔点高、脆性大。②都是绝缘体。离子难以移动输送电荷。③是无色透明的。共价键：原子间以形成公用价电子对而结合，这种结合方式称为共价键。共同特点：①结合力很大。②导电性依共价键的强弱而不同。如弱共价键的锡是导体，硅是半导体，金刚石是绝缘体。③强度高、硬度高、脆性大。金属键：金属正离子与自由电子间的静电引力作用的结合方式称为金属键。共同特点：①良好的导电性及导热性(有大量的自由电子存在)。②正的温度系数。即温度升高，电阻增大。③良好的强度及塑性。金属键无方向性，当金属原子间发生相对位移时，金属键不被破坏。④特有的金属光泽。分子键：结合是依靠分子（或原子)偶极间的作用力(色散力、诱导力、取向力)来完成的。这种相互作用称为分子键，也称为范德华(VanderWaals)力。其共同特点如下：①结合键能很低。②熔点低、硬度低。③良好的绝缘材料(无自由电子存在)。讨论几种结合键的强度：以离子键和共价键最强，金属键次之，分子键最弱。实际上，只有一种结合键的材料并不多见，大多数材料往往是几种键的混合结合，而以一种结合键为主。材料一般是在固体状态下使用的。按固体中原子排列的有序程度，而分为晶体结构和非晶体结构两种基本类型。晶体：原子(或分子)按一定的几何规律作周期性地排列。常态下金属主要以晶体形式存在。非晶体：非晶体中质点无规则地堆积在一起。和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。晶体特点：①原子排列结构有序。②物理性质表现为各向异性。③有固定的熔点。④在一定的条件下有规则的几何外形。非晶体特点：①原子排列结构无序。②物理性质表现为各向同性。③没有固定的熔点。④热导率和热膨胀性小。⑤相同应力下，非晶体的塑性变形大。⑥非晶体的化学组成成分变化大。晶格：用一些假想的几何线条将晶体中把原子的振动中心连接起来所构成的空间格子。晶胞：晶格的一个基本单元。晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。晶体中各方位上的原子面称晶面，各方向上的原子列称晶向晶面指数：表示晶面的符号称晶面指数。晶向指数：表示晶向的符号称晶向指数。1.晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。2.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相距最近的两个原子间距的一半。3.配位数：晶格中任一原子周围与其最近邻且等距离的原子的数目。4.致密度：指一个晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。体心立方晶格：晶格常数：a(a=b=c)，原子个数：2，配位数：8，原子半径：四分之根号三a,致密度：0.68;-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等面心立方晶格:原子个数：4;配位数：12;致密度：0.74;原子半径：四分之根号二a,常见金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等密排六方晶格：晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633；原子个数：6；配位数：12；致密度：0.74；原子半径：二分之一a常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。晶体缺陷：实际应用的晶体材料总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。点缺陷：晶格结点处或间隙处,生偏离理想晶体的变化。晶格空位:晶格结点处无原子，置换原子:晶格结点处为其它异类原子占据，间隙原子:异类原子占据晶格间隙形成原因：主要是由于原子在各自平衡位置上做不停的热运动的结果。数目随着温度的升高而增加其他加工和处理也会增加点缺陷。如塑性加工，离子轰击等。点缺陷造成晶格畸变晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。线缺陷位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错最基本的形式：1.刃型位错2.螺型位错位错密度单位体积中位错线的总长度来表示。=∑L/V金属中的位错密度为104~1012/cm2面缺陷是指在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。最常见的面缺陷：晶界；亚晶界。单晶体：内部晶格位向完全一致，各自异性多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各自同性晶粒：每个都具有不规则的颗粒状外形的小晶体晶界：晶粒与晶粒之间的界面晶界的特点：①原子排列不规则。②熔点低。③耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动。⑥是相变的优先形核部位。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性；线缺陷增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低；面缺陷能提高金属材料的强度和塑性；细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。相——指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的组成部分。固溶体：合金组元在凝固后溶质原子溶入溶剂晶格而形成的单一均匀的晶体。用α、β、γ、δ、η、θ等表示。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。呈无序分布的称无序固溶体。呈有序分布的称有序固溶体。固溶强化：固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象。原因：是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。凝固：通常把物质从液态转化成固态的过程。结晶：物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程。结晶只能在低于平衡温度下才能进行，即必须有一定的过冷度。结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。而理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn的差值ΔT称为过冷度。纯金属结晶过程分为两个阶段：1.晶核(结晶核心)的形成2.晶核的长大晶核(结晶核心)的形成：两种形核方式——自发形核与非自发形核两种长大方式：平面生长与树枝状生长。晶粒度：是晶粒大小的量度。晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。晶粒大小的控制：增大过冷度变质处理振动搅拌单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及断裂。切应力作用下金属晶体才能产生塑性变形。单晶体塑性变形方式：滑移，孪生滑移：晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)相对于另一部分产生运动。滑移的实质：晶体内部的各种缺陷(位错)的运动产生滑移。孪生：孪生变形在切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变。在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。热处理（改性处理）：固态金属材料通过适当的方式进行加热、保温和冷却，改变材料内部组织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法热处理工艺分类如下：(1)普通热处理包括退火、淬火、回火和正火。(2)化学热处理包括渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗、渗铝等。(3)特种热处理包括表面热处理、真空热处理、形变热处理、激光热处理、时效处理等。奥氏体晶粒过大，会使冷却后的钢材强度、塑性和韧性下降。钢加热时由珠光体刚转变成的奥氏体晶粒通常是细小的，随着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒会长大。加热时奥氏体晶粒粗大，热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。因此，加热时获得细小晶粒的奥氏体对提高热处理效果和钢的性能有重要的意义。碳素钢：是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素。特点：具有较好的力学性能和工艺性能，产量大，价格较低，应用最广泛。淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等性能差。合金钢：是指为了提高碳素钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。特点：为了改善和提高钢的性能或使之获得某些特殊性能，比碳钢更优良的特性，用量正在逐年增大。合金元素在钢中的分布也不同，有五种形式：1、固溶于固溶体(铁素体或奥氏体)中2、存在于碳化物中，3、形成氧化物、硫化物及氮化物等夹杂物。4、与铁或其他元素形成金属间化合物。5、以纯金属相存在，如Cu、Pb等。合金元素对回火转变的影响：(1)提高钢的耐回火性(2)抑制残留奥氏体的分解转变(3)阻碍碳化物的析出与聚集长大(4)提高铁素体的再结晶温度(5)对回火脆性的影响Mn、Cr具有促进第一类回火脆性发生的作用；Mo、W具有降低或阻止第二类回火脆性发生的作用。铸铁是碳质量分数w(C)＞2.11%，并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁的性能特点：(1)抗拉强度低