机械制造基础 第一章.

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1 机械制造基础 第一章

2 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

3 第一章 金属材料基本知识 1.1 金属材料的力学性能 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

4 第一章 金属材料基本知识 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
金属材料的性能对零件的使用和加工有十分重要的作用 金属材料性能的主要种类如表1.1所示 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

5 第一章 金属材料基本知识

6 第一章 金属材料基本知识 1.1.1 强度 根据载荷作用方式的不同，强度可分为： 一般情况下，多以抗拉强度为判断金属强度大小的指标。
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。

7 第一章 金属材料基本知识 1.1.1 强度 拉伸曲线 图1.1 低碳钢的拉伸曲线图

8 第一章 金属材料基本知识 拉伸曲线 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

9 第一章 金属材料基本知识 拉伸曲线 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

10 第一章 金属材料基本知识 拉伸曲线 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

11 第一章 金属材料基本知识 拉伸曲线 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

12 第一章 金属材料基本知识 拉伸曲线 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

13 第一章 金属材料基本知识 强度指标 1.1.1 强度 σs=Fs/A0 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。
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

14 第一章 金属材料基本知识 强度指标 1.1.1 强度 σb=Fb/A0 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。
金属材料在拉断前所 承受的最大应力(MPa) σb=Fb/A0

15 第一章 金属材料基本知识 1.1.2 塑性 δ=[(l1-l0)/l0]×100%
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%

16 第一章 金属材料基本知识 1.1.2 塑性 ψ=[(A0-A1)/A0]×100%
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%

17 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。

18 HB=F/S压=0.102×2F/πD(D-D2-d2)
第一章 金属材料基本知识 1.1.3 硬度 布氏硬度 图1.2 布氏硬度试验原理图 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。 HB=F/S压=0.102×2F/πD(D-D2-d2)

19 第一章 金属材料基本知识 1.1.3 硬度 洛氏硬度 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。 图1.3 洛氏硬度试验原理图 HR=K-bd/0.002

20 第一章 金属材料基本知识 1.1.3 硬度 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。

21 第一章 金属材料基本知识

22 第一章 金属材料基本知识 1.1.4 冲击韧度 αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0
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。 图1.4 冲击试验示意图1 ——摆锤 2——试样 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。

23 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。

24 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 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 图1.5 疲劳曲线 曲线表明

25 第一章 金属材料基本知识

26 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

27 第一章 金属材料基本知识 1.2.1 金属的晶体结构 晶体与非晶体

28 第一章 金属材料基本知识 1.2.1 金属的晶体结构 晶格与晶胞 图1.6 简单立方晶格与晶胞示意图

29 第一章 金属材料基本知识 1.2.1 金属的晶体结构 三种典型的金属晶格类型 图1.7 常见金属晶格的晶胞

30 第一章 金属材料基本知识

31 第一章 金属材料基本知识 1.2.2 纯金属的结晶 纯金属的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的。
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。

32 第一章 金属材料基本知识 纯金属的冷却曲线 1.2.2 纯金属的结晶 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
图1.8 纯金属的冷却曲线 金属继续向环境散热,温度又重新开始下降 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”

33 第一章 金属材料基本知识 纯金属的冷却曲线 1.2.2 纯金属的结晶 ΔT=To-Tn 图中To为理论结晶温度
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

34 第一章 金属材料基本知识 1.2.2 纯金属的结晶 纯金属的结晶过程 (1)晶核的形成 (2)晶核的长大

35 第一章 金属材料基本知识 纯金属的结晶过程 1.2.2 纯金属的结晶 (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

36 第一章 金属材料基本知识 纯金属的结晶过程 1.2.2 纯金属的结晶 (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

37 第一章 金属材料基本知识 晶体的缺陷 1.2.2 纯金属的结晶 (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

38 第一章 金属材料基本知识 1.2.2 纯金属的结晶 晶体的缺陷 (1)点缺陷 图1.9 点缺陷示意图

39 第一章 金属材料基本知识 晶体的缺陷 1.2.2 纯金属的结晶 (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

40 第一章 金属材料基本知识 1.2.2 纯金属的结晶 晶体的缺陷 (2) 线缺陷 图1.10 刃型位错晶体结构示意图

41 第一章 金属材料基本知识 晶体的缺陷 1.2.2 纯金属的结晶 (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

42 第一章 金属材料基本知识 1.2.2 纯金属的结晶 晶体的缺陷 图1.11 晶界示意图 (3)面缺陷

43 第一章 金属材料基本知识 晶粒大小及其控制 1.2.2 纯金属的结晶 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。

44 第一章 金属材料基本知识

45 第一章 金属材料基本知识 1.2.3 合金的晶体结构 合金的基本概念 (1)合金 (2)组元 (3)合金系 (4)相 (2)组织

46 第一章 金属材料基本知识 合金的基本概念 1.2.3 合金的晶体结构 (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

47 第一章 金属材料基本知识 合金的基本概念 1.2.3 合金的晶体结构 (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

48 第一章 金属材料基本知识 合金的基本概念 1.2.3 合金的晶体结构 (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

49 第一章 金属材料基本知识 合金的基本概念 1.2.3 合金的晶体结构 (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

50 第一章 金属材料基本知识 合金的基本概念 1.2.3 合金的晶体结构 (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

51 第一章 金属材料基本知识 1.2.3 合金的晶体结构 合金的组织 图1.12 固溶体的两种类型 (1)固溶体

52 第一章 金属材料基本知识 合金的组织 1.2.3 合金的晶体结构 (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。

53 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体 (1)纯铁的同素异构转变
(2)铁碳合金的基本组织

54 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 (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

55 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 (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

56 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 (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

57 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 (4)珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物,用符号P表示
珠光体中ωC为0.77%,力学性能介于铁素体和渗碳体之间,即综合性能良好

58 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金基本组织 1.2.4 铁碳合金 (5)莱氏体
莱氏体是ωC为4.3%的合金,缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织,用符号Ld表示 莱氏体中由于大量渗碳体存在,其性能与渗碳体相似,即硬度高、塑性差

59 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 图1.13 简化的Fe-Fe3C相图

60 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 铁碳合金相图 (1) Fe-Fe3C相图中典型点的含义如表1.2所示

61 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 铁碳合金相图

62 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 铁碳合金相图 (2) Fe-Fe3C相图中特性线的意义如表1.3所示

63 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 铁碳合金相图

64 第一章 金属材料基本知识 铁碳合金相图 1.2.4 铁碳合金 (3) Fe-Fe3C相图相区分析
依据特性点和线的分析,简化Fe-Fe3C相图主要有4个单相区:L、A、F、Fe3C;5个双相区:L+A、A+F、L+Fe3C、A+Fe3C、F+Fe3C。

65 第一章 金属材料基本知识 1.2.4 铁碳合金 含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律 (1) 含碳量对平衡组织的影响

66 第一章 金属材料基本知识 含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律 1.2.4 铁碳合金 (2) 含碳量对力学性能的影响
图1.14 含碳量对钢的力学性能影响 (2) 含碳量对力学性能的影响

67 第一章 金属材料基本知识 复习思考题