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1、机机 械械 工工 程程 材材 料料总复习总复习材料科学与工程学院材料科学与工程学院2第一章第一章 材料的性能材料的性能一、力学性能一、力学性能1、刚度、刚度材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。 指标指标：弹性模量：弹性模量E 特点特点：非常稳定非常稳定2、强度、强度材料抵抗变形和破坏的能力。材料抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。材料断裂前承受的最大应力。 屈服强度屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力材料产生微量塑性变形时的应力33、 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标指标 、 。 5% 的材料
2、为韧性材料，其断裂为韧的材料为韧性材料，其断裂为韧性断裂。性断裂。4、 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标HB、HR、HV。5、冲击韧性冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标材料抵抗冲击破坏的能力。指标k。6、 断裂韧性断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标标KIC。4二、工艺性能二、工艺性能切削加工性切削加工性锻造性能锻造性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能热处理性能热处理性能 切削加工性切削加工性钢材最适合钢材最适合切削加工的切削加工的硬度范围：硬度范围：HB170230热处理性能热处理性能 淬透性、淬透性、耐回火
3、性、耐回火性、二次硬化、二次硬化、回火脆性。回火脆性。低碳钢采用正火，中高碳钢低碳钢采用正火，中高碳钢采用退火调整硬度采用退火调整硬度5第二章第二章 材料结构材料结构一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念晶体：原子呈规则排列的固体。晶体：原子呈规则排列的固体。晶格：表示原子排列规律的空间格架。晶格：表示原子排列规律的空间格架。晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。6二、纯金属的晶态结构二、纯金属的晶态结构 Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常见金属常见金属底面对角底面对角3 3 2滑移方向滑移方向六方底面六方底面1111 4
4、1106滑移面滑移面0.740.740.68致密度致密度12 128配位数配位数6 42原子个数原子个数原子半径原子半径a、caa晶格常数晶格常数密排六方密排六方面心立方面心立方体心立方体心立方a43a42a217知识提示知识提示体心立方、面心立方和密排六方是金属中体心立方、面心立方和密排六方是金属中最常见典型的晶体结构。最常见典型的晶体结构。 体心立方和面心立方金属滑移系相等，当体心立方和面心立方金属滑移系相等，当面心立方金属的滑移方向多，因而塑性好。面心立方金属的滑移方向多，因而塑性好。8三、实际金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构1、 多晶体结构多晶体结构 由多晶粒组成的晶体结构，晶粒之
5、间的界面为晶界。2、三类晶体缺陷、三类晶体缺陷（1）点缺陷：空位、间隙原子、）点缺陷：空位、间隙原子、 置换原子置换原子（2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界和亚晶界）面缺陷：晶界和亚晶界晶界的特点：晶界的特点： 原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。9细晶强化 通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。韧性的方法。金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调
6、的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好。时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好。10四、四、 合金的晶体结构合金的晶体结构合金合金由两种或两种以上元素组成的具有金属由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；特性的物质；相相金属或合金中凡成分相同、结构相同，金属或合金中凡成分相同、
7、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。合金中的相分为：固溶体和金属化合物合金中的相分为：固溶体和金属化合物111 1、固溶体、固溶体 合金的组元（元素）互相溶解，形成的晶体合金的组元（元素）互相溶解，形成的晶体结构与某一组元相同，这种相称为固溶体。结构与某一组元相同，这种相称为固溶体。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体都是有限固溶体都是有限固溶体可形成无限固溶体可形成无限固溶体铁素体：碳在铁素体：碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。奥氏体：碳在奥氏体：碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。马氏体：碳在马氏体：碳在 -Fe中的过饱和固溶体。中的
8、过饱和固溶体。12固溶强化固溶强化 随溶质浓度的增加，固溶体的强度和随溶质浓度的增加，固溶体的强度和硬度升高。塑性、韧性降低的现象硬度升高。塑性、韧性降低的现象。v产生原因：溶质原子使产生原因：溶质原子使晶格畸变晶格畸变 及对及对位错的钉扎位错的钉扎作用作用。 马氏体的硬度主要取决于其含碳马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。量，并随含碳量增加而提高。132、金属化合物、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。构均不相同的固相称金属化合物。 正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。符合正常原子价规律。 电
9、子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 间隙化合物间隙化合物a.简单晶格结构简单晶格结构间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形成，具时形成，具有有极高的硬度及熔点，非常稳定。极高的硬度及熔点，非常稳定。b. 复杂结构化合物复杂结构化合物当当r非非/r金金0.59时形成，如时形成，如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。14与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低；性、韧性低；与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。性和韧性则要高得多。强碳化物形成元素：强碳
10、化物形成元素：Ti、Nb、V 如如TiC、VC中碳化物形成元素中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如如Cr23C6弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如如Fe3C性能比较性能比较强度：固溶体强度：固溶体 纯金属纯金属硬度：化合物硬度：化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属塑性：塑性：化合物化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属15第二章第二章 材料的凝固材料的凝固一、纯金属的结晶一、纯金属的结晶 1 1、条件、条件 能量条件：体系自由能差能量条件：体系自由能差G0。 结晶条件：过冷结晶条件：过冷过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。2、 结晶的基本过
11、程结晶的基本过程形核形核自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核长大长大均匀长大与树枝状长大均匀长大与树枝状长大 非非均匀形核均匀形核以液体中存在的固态杂质或容器壁形核为核心。以液体中存在的固态杂质或容器壁形核为核心。 均匀形核均匀形核由液体中排列规则的原子团形成晶核。由液体中排列规则的原子团形成晶核。163、纯金属中的固态转变、纯金属中的固态转变同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。发生变化的现象。固态转变的特点：固态转变的特点：形核部位特殊；形核部位特殊；过冷倾向过冷倾向大大;伴随着体积变化伴随着体积变化。17二、合金的结晶二、
12、合金的结晶1、重要概念、重要概念相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。程的简明图解，又称状态图或平衡图。组元组元相图中，组成合金的最简单、最基本、能够独立相图中，组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。存在的物质。枝晶偏析枝晶偏析由于冷却速度快，造成在一个枝晶范围内或由于冷却速度快，造成在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。一个晶粒范围内成分不均匀的现象。182、铁碳合金相图、铁碳合金相图能画出铁碳合金相图，标注各个相区及特殊成分能画出铁碳合金相图，标注各个相区及特殊成分点，并可利用杠杆定
13、律计算的铁碳合金室温下各点，并可利用杠杆定律计算的铁碳合金室温下各种相组成物的相对质量。种相组成物的相对质量。 铁碳合金（钢、铁）室温平衡状态下的组织组成铁碳合金（钢、铁）室温平衡状态下的组织组成物，含碳量对力学性能的影响。物，含碳量对力学性能的影响。19三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制1、晶粒度、晶粒度 表示晶粒大小的一种尺度，可用晶粒的平表示晶粒大小的一种尺度，可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。均面积或平均直径来表示。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。2、控制晶粒度的方法、控制晶粒度的方法 控制过冷度；控制过冷度；变质处理；（变质处理；（
14、3 3）振动、搅拌）振动、搅拌 向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法为变质处理。加入的非均匀形核物质叫变质剂。法为变质处理。加入的非均匀形核物质叫变质剂。20第四章第四章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶一、一、金属塑性变形方式金属塑性变形方式1、滑移、滑移 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。一部分发生滑动位移的现象。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的，滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的，是主要的变形方式。是主要的变形方式。2、孪生、孪生 孪生是指晶体
15、的一部分沿一定晶面和晶向相对孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。于另一部分所发生的切变。 材料难以发生滑移时，才以孪生方式变形。材料难以发生滑移时，才以孪生方式变形。21二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形1、变形特点、变形特点多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果。结果。多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生两种多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生两种方式进行。方式进行。晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响。晶界对变形有很大的影响。22 2、变
16、形过程总结、变形过程总结 多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形（微观）逐步发展到均匀的变形（宏观）。（微观）逐步发展到均匀的变形（宏观）。233、金属化合物形态金属化合物形态碳化物在晶界呈网状分布碳化物在晶界呈网状分布对合金的强度和塑性不利；对合金的强度和塑性不利； 碳化物在晶内呈片状分布碳化物在晶内呈片状分布提高强度、硬度，降低塑、提高强度、硬度，降低塑、韧性；韧性； 在晶内呈颗粒状弥散分布在晶内呈
17、颗粒状弥散分布合金的强度、硬度升高，合金的强度、硬度升高，塑性、韧性略有下降（弥散强化）塑性、韧性略有下降（弥散强化）24三、塑性变形对组织和性能的影响三、塑性变形对组织和性能的影响1、对组织结构影响对组织结构影响 晶粒拉长、压扁、破碎甚至呈纤维状。晶粒拉长、压扁、破碎甚至呈纤维状。 形成形变织构形成形变织构2、对性能的影响、对性能的影响加工硬化和残余应力加工硬化和残余应力 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。 原因：原因：4条原因条原因25四、回复与再结晶四、回复与再结晶回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大影响因素影响因素再结晶温度的因素再结晶温度的因素热加工与冷加工的区分热加工与冷加工的区分26材料牌号及合金元素作用材料牌号及合金元素作用20Cr，T8，20MnVB，T13 ， Cr12，45H70 ，HPb59-1 ，HT200 ，GH3128Q235， 60Si2Mn ，Cr12MoV， H68， 30CrMnSi ， 5CrNiMoQ345A，10，20CrMnTi，QT400-18材料名称及编号中符号和数字的含义材料名称及编号中符号和数字的含义