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1、1,机械工程材料,2,第一章 金属材料的性能,可分为：1.使用性能-指金属材料在使用过程中反映出来的特性。包括：a 机械性能-金属材料必须具备的抵抗外力而不破坏或变形的性能，即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性能。b 物理性能：密度、密度、导电性.c 化学性能：抵抗化学浸蚀的能力。2.工艺性能-指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性。如：铸造性、可铸性、可焊性、可切削加工性、热处理性.,3,1 强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。包括：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度 图1.2 低碳钢拉伸曲线弹性变形将外力去掉试样将回复到原来的形状和尺寸。塑性变形将外力去掉，试样不能
2、恢复原状，而被伸长。,1.1 金属材料的机械性能,s,b,4,2 塑性金属材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。用延伸率（）和断面收缩率（）来表示。3 刚性金属材料在外力的作用下抵抗弹性变形的能力。常用材料的弹性模量来（E）表示。E愈大，刚性愈大。4 弹性是材料开始塑性变形前的最大弹性变形量。5 硬度金属材料抵抗集中负荷作用的性能，即金属材料抵抗硬物压入的能力。硬度可反映耐磨性。衡量指标有：布氏硬度HB 球压头、测压痕直径洛氏硬度HRC 圆锥体压头、测压痕深度维氏硬度HV,1.1 金属材料的机械性能(续),5,5 冲击韧性-金属材料抵抗冲击负荷的能力。一次摆锤冲击小能量多次冲击6 疲劳强
3、度-金属材料在重复或交变负荷的作用力下，循环一定周次后，断裂时所能承受的最大应力。7 断裂韧性-金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能。,1.1 金属材料的机械性能（续）,6,1.2 金属材料的其它性能,物理性能-包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。化学性能-主要是指金属抵抗活泼介质化学侵蚀的能力。工艺性能-是反映金属材料在各种加工过程中，适应加工工艺要求的能力。它是物理性能、化学性能和机械性能的综合表现。工艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等。,7,1.3 零件失效,、失效-金属材料的各种机器零件（或构件）在服役条件下失去了最初的功能叫失效。、零件失效-是由于
4、外界损害作用超过了材料抵抗损害能力的结果。、失效形式：过量变形各种机器零件受力后总要产生变形。当变形量超过允许限度时，就会影响零件之间的配合关系，严重时可使零件最终失效，这种现象称为过量变形。断裂：由裂纹的萌生和扩展两个阶段组成。过量磨损：包括磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损、腐蚀磨损 腐蚀,8,第二章 金属的结构,2.1 金属的特性、良好的导电性、导热性；、正的电阻温度系数 绝大多数金属具有超导性；、不透明、有金属光泽；、良好的塑性。,9,2.2 金属的晶体结构,一、纯金属的典型晶体结构、固态物质按其结构可分为：晶体-内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。固体金属均为晶体。非晶体-原
5、子排列无规则的固体。如松香、玻璃。,10,晶格-为便于研究晶体结构，用假想的方法通过原子的中心画出许多的空间直线，形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上称为晶格。晶胞组成晶格的最基本的几何单元。晶格常数晶胞的几何特征可用晶胞三条棱边长a、b、c和三条棱边的夹角、等六个参数来描述，其中a、b、c称为晶格常数。晶格参数a、b、c、,、晶体学的几个基本概念：,11,体心立方晶格-金属中如-Fe、Cr、Mo、W、V等都属此种晶格。面心立方晶格-金属中如-Fe、Cu、Al、Ni、Pb等均属此种晶格。密排六方晶格-金属中如Zn、Mg、Be、Ti、Co、Cd等均属此种晶格。,、常见金属的晶格形式,12,二、
6、常见金属晶体结构的特征,（1）晶胞原子数及原子半径体心立方晶格-每个体心立方晶胞中包含的实际原子数为1/8*8+1=2个原子。因体心立方晶格常数为a=b=c,所以原子半径的尺寸为r=3.a/4。面心立方晶格-每个面心立方晶胞中包含的实际原子数为1/8*8+1/2*6=4个原子，原子半径的尺寸为r=2.a/4。密排六方晶格-每个密排六方晶胞中包含有1/6*12+1/2*2+3=6个原子，原子半径的尺寸为r=a/2。,13,（2）配位数-是晶格中任一原子周围最近邻的等距离的原子数。表示原子排列的紧密程度。（3）致密度-是指晶胞中所含原子数的体积与晶胞体积之比。即 K=nU/V 配位数大，则致密度亦
7、大.式中：K-晶体的致密度；n-晶胞中所含原子的数目；U-每个原子的体积；V-晶胞的体积。,14,常见金属晶体结构的特征,15,1)晶面-通过晶体中原子中心的平面。晶面指数-用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（hkl）晶面指数的确定 晶面族 HKL,三、金属晶体中晶面和晶向的表示方法,16,2)晶向-是晶体中原子列所表示的方向。晶向指数-表示晶向的数字符号称为晶向指数uvw晶向指数的确定晶向族,17,四、金属晶体的各向异性,定义金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的方向性。这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。,
8、18,2.3 实际晶体结构及晶体缺陷,1 实际晶体结构 单晶体金属内部的晶格方位完全一致。多晶体多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒组成多晶体的外形不规则的小晶体。晶界晶粒与晶粒间的界面。组织用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。显微组织显微镜所观察到的组织。亚晶粒晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。亚晶界亚晶粒之间的界。,19,2 晶体缺陷,1）点缺陷：包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。危害：点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。,20,2）线缺陷：即位错，或称为位错线。位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律
9、的错排现象。包括：刃型位错、螺型位错,21,3）面缺陷：晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。,22,2.4 金属中的扩散,扩散原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。自扩散原子迁移不引起浓度变化的扩散。异扩散原子迁移伴随有浓度变化的扩散。扩散定理,23,第三章 金属的结晶,3.1、金属结晶的概念一、结晶的概念结晶液态金属转变成固态形成晶体 的过程。凝固即结晶。近程有序状态液态金属内部，原子在短距离的小范围内作近似于固态结构的规则排列。不稳定。结晶过程实质上是原子由近程有序状态过渡为长程有序状
10、态的过程。,24,二 结晶的条件,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。为什么呢？热力学指出：在自然界中，一切自发转变过程，是由一种较高的能量状态趋向于最低能量的稳定状态，就象小球由高处滚向低处，降低自己的势能一样。所以，在恒温状态下结晶，只有那些引起体系自由降低的过程，才能自发进行。,25,三 冷却曲线及过冷度,冷却曲线-金属在结晶的过程中，其温度与时间的变化关系曲线。该曲线表明：液态金属由高温开始冷却时，周围环境吸热，温度均匀下降，当温度降到Tn后开始结晶，并放出结晶潜热，补偿了向周围散失的热量。过冷-液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象过冷度 T-实际结晶温度
11、Tn与理论结晶温度To之差。,26,3.2 金属的结晶过程,、形核：自发晶核-液态金属在接近结晶温度时，原子已在短距离范围内近似固态结构的规则排列，存在着大量尺寸不同的近程有序的原子集团。这些原子集团 是不稳定的，时聚时散。当温度降低到理论结晶温度以下，达到一定的过冷度以后，液态金属中那些超过临界晶核尺寸的近程有序原子集团开始变得稳定，不再消失，成为结晶的核心，这种晶核则称为自发晶核。非自发晶核-实际的金属并不纯净，存在一些杂质，它常可以促进晶核在其表面形成，这种晶核称为非自发晶核。,27,、长大：晶核形成 后，随着时间的推移，新的晶核不断产生，同时其他一些原子也按一定的规律排列在晶核四周，使
12、晶核不断长大。当过冷度较大，特别是有杂质存在的情况 下，晶核往往是以树状的形式长大，开始形成晶轴，再在其上形成枝芽，最后发展成树枝状结晶。在晶核不断长大的同时，新的晶核也在不断地生成，直至各个晶粒互相接触，液体全部消失，结晶成外形不规则的多晶体晶粒，结晶才告完成。,28,、晶体的长大方式,平面长方式树枝长大方式,29,3.3 晶粒大小,一、晶粒度的概念 晶粒度晶粒大小。金属的性能在很大程度上与晶粒的大小有关。晶粒细化是提高金属机械性能的最重要的途径之一。晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。,30,二、影响晶粒大小的因素,细晶强化生产上常通过细化晶粒的方法来改善金属材料的机械性能，以达到强韧
13、化的目的。变质处理在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。影响晶粒大小的因素：）过冷度：增加过冷度使晶粒细化）未熔杂质,31,二、影响晶粒大小的因素,过冷度的影响,难熔杂质（孕育处理）非自发形核,32,3.4、铸锭的结构,铸锭的组织一般分为三个区域：）细晶粒层最外层紧靠锭模，液态金属冷却快，过冷度大，晶核多，很快形成。）柱状晶中间区域的液态金属在结晶时，是垂直于模壁向外散热，冷却速度比外层慢，晶体朝着与散热相反方向向液体内部平行长大而形成。晶质较致密，但存在弱面部夹杂及低熔点杂质富集于晶面。）等轴晶粒中心部分的液态金属冷却更慢，过冷度也更小，散热方向的影响也不明显，晶核可向各个方向均匀长大成粗大的。无弱面，晶枝结合较牢，性能均匀，无方向性。,33,3.5、金属的同素异构转变,同素异构转变-固态金属由一种晶格转变为另一种晶格的变化过程。Fe、Co、Mn、Ti等金属结晶以后，在继续冷却时，随着温度等外界条件的改变，晶体结构还会发生变化。,
