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1、第一篇第一篇 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 2.2.工艺性能工艺性能第一章第一章 材料的主要性能材料的主要性能材料的主要性能是指:1.1.使用性能使用性能（1）力学性能（2）物理性能（3）化学性能加工成形的性能第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能n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FFF=F （MPa）外力 内力应力FF静载荷动载荷=F/S（1 1）弹性变形：）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来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，这种形状，这种随外
2、力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。1.1.两种基本变形两种基本变形FFF （2 2）塑性变形）塑性变形:材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形，称，称为为塑性变形塑性变形。FFF拉伸实验拉伸实验kbb 极限载荷点二、材料的力学性能二、材料的力学性能Fee 弹性极限点sS 屈服点K 断裂点拉伸曲线FFL应力应变曲线缩颈o1 1强度强度：当材料单位面积上所受的应力 e e s s时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:0.2=F 0.2/S0 （MPa）材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵
3、抗塑性变形和断裂的能力。（1 1）屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。S S=Fs/S=Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。kbFes100%0.2%b b=Fb/S0 （MPa）（2 2）抗拉强度）抗拉强度（b）抗拉强度是材料在拉断前抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。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。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。2.2.塑性塑性
4、常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3 3刚度（刚度（E E）在弹性阶段：4 4硬度硬度是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。(1)(1)布氏硬度（布氏硬度（HBHB）：）：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。E E 材料抵抗弹性变形的能力越大。材料抵抗弹性变形的能力越大。所以：F布氏硬度适用布氏硬度适用HB450HB45
5、0HB450FFF12001：105 5冲击韧性冲击韧性 AK=G（H1 H2）（J）ak=AK/S （J/m2）低碳钢：b360HB高碳钢：b340HB调质合金钢：b325HB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 6疲劳强度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。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。循环基数钢：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，约据统计，约80%80%的机件失效的机件失效为疲劳
6、破坏。为疲劳破坏。有色金属：三、材料的工艺性能：加工性能三、材料的工艺性能：加工性能第二节第二节 材料的物理、化学及工艺性能材料的物理、化学及工艺性能一、材料的物理性能：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：二、材料的化学性能：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 第二章第二章 金属及金属及合金的结晶的结晶原子作无序排列原子作无序排列；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晶体：晶体：非晶体：非晶体：原子作有序排列原子作有序排列；有固定的熔点；各向
7、异性。Cr、Mo、W、V、-Fe、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：一、一、金属的结晶过程金属的结晶过程1 1金属结晶的过冷现象金属结晶的过冷现象温度时间T T0 0T Tn n T T第二节第二节 金属的结晶过程金属的结晶过程冷却曲线过冷度2 2金属的结晶过程金属的结晶过程结晶形核长大自发形核非自发形核晶粒晶界 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 3细化晶粒的方法细化晶粒的方法1）变质处理2）增大过冷度3）机械的振动和
8、搅拌4）热处理5）压力加工再结晶二、金属的同素异晶转变二、金属的同素异晶转变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。结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538 1394 912 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。Fe、Sn、Ti、Mn温度时间1538 1394 912 体心面心体心Fe第三节第三节 合金的结构合金的结构 合金合金 以一种金属为基础，加入其它金属或非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。属，所形成的具有金属特性的物质
9、。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。合金的结构 机械混合物固溶体金属化合物一、固溶体一、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：固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。强度、硬度较低。F：b=250MPa =4550%HB=80置换固溶体间隙固溶体溶质原子溶剂原子溶质原子溶剂原子二、金属化合物二、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
10、间呈整数比关系。如：如：FeFe3 3C C、WCWC、TiC TiC 等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。FeFe3 3C C：HB=800HB=800；b b =30MPa=30MPa；0%0%三、机械混合物三、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 P：b b=750MPa =25%HB=180-200=750MPa =25%HB=180-200
11、F F：b b =250MPa =45=250MPa =4550%HB=8050%HB=80FeFe3 3C C：HB=800HB=800；b b =30MPa=30MPa；0%0%铁素体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。727 0.0218%C 第三章 铁碳合金一、铁素体（一、铁素体（F F）力学性能：b=250MPa =4550%HB=80二、奥氏体（二、奥氏体（A A）奥氏体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。1148 2.11%C、727 0.77%力学性能：b=250 350MPa=4045%HB=160200第一节第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织四、珠光体（四、珠
12、光体（P P）力学性能：b=750MPa =25%HB=180-200五、莱氏体（五、莱氏体（LeLe）力学性能：b=30MPa =0 HB=700 珠光体珠光体 是是铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体组成的组成的机械混合物。机械混合物。727 0.77%727 0.77%莱氏体莱氏体 是是奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体组成的组成的机械混合物机械混合物。114 1148 4.3%C8 4.3%C 三、渗碳体（三、渗碳体（FeFe3 3C C）渗碳体渗碳体 是是金属化合物。金属化合物。6.69%C6.69%C 力学性能：b=30MPa =0 HB=800状态图状态图 表示合金系的表示合金系的成分、温度、
13、组织、状态之成分、温度、组织、状态之间关系的图表。间关系的图表。第二节 铁碳合金状态图 一、什么是状态图一、什么是状态图温度时间1538 1394 912 体心面心体心1538 1394 912 温度成分 二、状态图的作用二、状态图的作用是研究合金的是研究合金的成分、温度、成分、温度、组织、状态组织、状态之间之间变化规律的变化规律的工具工具。AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.021818C%C%114114881538 1538 727727P PL LAF F三、铁碳合金三、铁碳合金状态图状态图温度912912CFe3C6.696.69FA纯铁的熔点。D
14、Fe3C的熔点。1.1.状态图上点的意义状态图上点的意义EC在-Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。LeLeC共晶点，1148 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 L（4.3%C4.3%C）A A（2.11%C 2.11%C）+Fe+Fe3 3C C（6.69%C 6.69%C）1148LeLe G 纯铁的同素异晶转变点。912 P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.0218%C S 共析点。727 0.77%共析点 发生共析反应的点。共析反应在一定
15、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 A（0.77%C0.77%C）F F（0.0218%C 0.0218%C）+Fe+Fe3 3C C（6.67%C 6.67%C）727727P P2.2.状态图上线的意义状态图上线的意义AESPQGKD4.34.32.062.060.770.770.020.02C%C%114711471538 1538 LeLe727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.676.67FAECFAECF线固相线 ACDACD线液相线AEAEA A析出终了线ECFECF共晶线 1
16、147ACAC析出A ACDCD析出 FeFe3 3C CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LeLe+Fe3CES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C（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+Fe3CGS线 A析出F的开始线 AFGP线 F析出终了线。PSK线 共析线 727PQ线 碳在-Fe中的溶解度曲线。ESQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.021818C%C%114114881538 1538 727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.
17、696.69APLeLeFAL+Fe3CL+Fe3CF+A11111122222333344F+PP+Fe3C3LeP+Fe3C+Le2Fe3C+LeFe3C+Le231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe1 1钢钢2生铁生铁 共析钢:亚共析钢:过共析钢:共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁:四、铁碳合金的结晶过程及组织转变四、铁碳合金的结晶过程及组织转变 五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响F F+
18、P P P+Fe3C P+Fe3C+Le Le Le+Fe3CC%00.772.114.36.690.0218FPLeFe3CFe3C0.91.0HB C%HB 1选择材料 2确定各种工艺参数六状态图的作用六状态图的作用第二节第二节 钢的分类和应用钢的分类和应用1 1按化学成分分类按化学成分分类一、钢的分类一、钢的分类（1）低合金钢 Me 10%1 1）碳素钢）碳素钢 2 2）合金钢合金钢（1）低碳钢 C 0.6%2.2.按质量分类按质量分类 P、S 0.030%1 1）普通钢）普通钢2 2）优质钢优质钢3 3）高级优质钢：高级优质钢：S：使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷P
19、 0.045%S 0.055%P 0.040%S 1%）+元素符号+数字。如：9 9SiCrSiCr、W18Cr4VW18Cr4V、5CrNiMo5CrNiMo等。合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢。2 2工具钢工具钢1 1）碳素工具）碳素工具碳素工具钢含碳量为0.65-1.35%，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。T+数字(含碳量的千分数)加A为高优常用牌号有T7T7、T8T8、T9T9、T10AT10A、T11T11、T12AT12A、T13T13等。2 2）合金工具钢）合金工具钢 合金刃具钢 指用于制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%，典型牌号为9Si
20、Cr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。合金量具钢 在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、千分尺、塞规、块规等。T10A、T12A、CrWMn、GCr15 合金模具钢 模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷做模具钢如：冲压模、拉拔模等。典型牌号为Cr12、Cr12MoV。热做模具钢如：热锻模、热挤压模、压铸模等。典型牌号为5CrMnMo、5CrNiMo。是指在一定范围内具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。3 3特殊性能钢特殊性能钢1 1）不锈、耐蚀和耐热钢）不锈、耐蚀和耐热钢 不锈、耐蚀钢 不锈钢是指在水、空气
21、、酸、碱或其它介质中，具有较强抵抗腐蚀能力的钢。其含碳量低，主加合金元素为Cr、Ni。常用牌号有：1Cr13、7Cr17、1Cr17、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr17Mo等。耐热钢 在高温下具有良好的抗氧化性和热强性钢，耐热钢可分为马氏体型、奥氏体型和铁素体型等几种，分别适合于在600以下、700-700、接近1000的高温状态下工作。典型牌号有：1Cr13、4Cr9Si2、4Cr14Ni14W2Mo、。2 2）特殊物理性能钢特殊物理性能钢2 2变形的三个阶段变形的三个阶段弹性变形3.3.常见的几种失效形式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）腐蚀塑性变形断裂力学性能力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度三、力学性能与失效形式的关系三、力学性能与失效形式的关系失效形式失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损