1、材料特性及选材原则,1.主要研究内容：,各种工艺方法的原理、特点、规律、应用 各种机件的加工过程及结构工艺性 常用材料的性能,2.基本要求,a.了解常用工程材料的一般性能，应用范围和选用原则 b.初步掌握各种主要加工方法的基本原理、特点、应用范围 c.了解各种主要加工方法所用设备，刀具及工具的结构特点、工作原理和应用范围 d.了解零件的结构工艺性，常用材料的工艺性，具有初步选择材料和加工方法的能力,第一节 工程材料的性能,第二节 金属的结晶与合金的结构,第三节 铁碳合金的组织与状态图,第四节 常用金属材料,第五节 其他工程材料,第六节 机械零件的选材,金属材料非金属材料,课程概论,工程材料的分
2、类,钢铁材料非铁金属,高分子材料陶瓷材料复合材料,课程概论,铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性,工程材料的性能,使用性能,力学性能 物理性能 化学性能,工艺性能,机械零件加工工艺,材料的发展 公元前1200年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸铁，以后制钢工业迅速发展，称为 18世纪产业革命的重要内容和物质基础。,如图由于铁的熔点较高（1538），其出现时间较晚。左图为伊朗出土的铁制器皿。图为铁矿石。铁矿在地球上比铜矿要丰富的多。,材料的发展,20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为“高分子
3、时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个“材料革命”的新时代。,工程材料的主要性能,工程材料是指工业、农业、国防和科学技术各类工程建设中所需的材料，通常分为金属、非金属和复合材料三大类。,工程材料的主要性能包括使用性能和工艺性能两类。 使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能； 工艺性能包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性。,工程材料的主要性能是进行结构设计、选材和制定工艺的主要依据。,第一节,一、工程材料的力学性能,工程材料的力学性能是指它在受各种外力作用时所反映出来的性能，如强度、硬度、塑
4、性、冲击韧度、疲劳强度等。, 弹性和塑性,弹性 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能，称为弹性。 这种随外力的消失而消失的变形，称为弹性变形。,2. 塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。 在外力消失后保留下来，不可恢复原来形状的变形，成为塑性变形。,塑性常用伸长率或断面收缩率表示。,或愈大，则材料的塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。, 强度,强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形可断裂的性能。强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。,金属材料的屈服点和抗拉强度是通过抗拉试验测定的。 先将被测金属材料制成标准试
5、样，如图2.1-1a所示。 测试时，将标准试样装夹在拉伸试验机的两个夹头上，在试样两端缓慢施加拉力。随着拉力的增大，试样逐渐发生变形，直至被拉断为止。 拉伸试验机自动的将每一瞬间试样所受拉力P及相应的伸长量L记录下来，绘制成拉伸曲线，如图2.1-2所示。,d0,d,L0,金属材料受外力作用时，其内部产生与外力相平衡的内力。其单位截面上的内力称为应力。,低碳钢的拉伸曲线,Pe,Ps,Pb,当外力小于Pe时，试样产生的变形属于弹性变形，即外力去除后材料将恢复到初始状态。 当外力大于Pe后，试样除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。 当外力增大至Ps时，在S点后的曲线几乎成水平线段或锯齿形折线，说明
6、外力虽然不再增大而试样仍继续产生塑性变形。这种现象称为“屈服”，是材料从弹性状态转变为塑性状态的标志。 材料产生屈服现象时的应力，称为屈服点，可按下式计算：s = PsA0,试样在拉断前所能承受的最大应力称拉应力，称为抗拉强度，可通过下式计算：b = PbA0 屈服点和抗拉强度是一般机器零件和构件设计和选材的主要依据。, 硬度,材料抵抗比其本身更硬的物体压入其内部的性能，称为硬度。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。,布氏硬度试验是采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在相应的试验力P的作用下垂直的压入试样表面，保持规定的时间后卸载。 以试验力P与压痕表面积的比值作为布氏硬度。, 布氏硬度,压头
7、为淬火钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料； 压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。,布氏硬度适用于调质钢、正火钢、退火钢、铸铁、有色金属毛坯或半成品等硬度较低的材料，HBS（HBW）值越大，则材料的硬度越大。, 洛氏硬度,洛氏硬度试验是利用压力将坚硬的压头压入被测材料的表面，根据压痕的深度在洛氏硬度计上直接读出其硬度值。 采用不同的压头和载荷相配合，洛氏硬度有HRA、HRB、HRC等几种不同的标度。,10,1.588,h,硬度和强度之间存在有一定的关系，通常材料的强度愈高，其硬度也愈高。, 冲击韧度,材料抵抗冲击载荷作用，在断裂前单位横截面上的冲击吸收
8、功，称为冲击韧度。 通常用一次摆锤弯曲冲击试验测定材料的冲击韧度。,其方法是将带有缺口的标准冲击试样一次击断，用试样缺口底部单位截面积所吸收的冲击功ak作为材料的冲击韧度指标，单位为J/m2 ak值越小，则表明材料的韧性越低，脆性越大。 ak值对材料的组织缺陷很敏感，可以灵敏的反映材料的内部质量。冲击韧性一般不能用于设计计算：测量条件与工作条件相差太大, 疲劳强度,材料在无数次重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力，称为疲劳强度，用符号-1表示。 实际上不可能进行无数次试验，因而对各种材料分别规定有一定的应力循环基数。钢材的应力循环基数为107；有色金属和某些超高强度钢的应力循环基数为108
9、。,疲劳破坏现象：弹簧 齿轮轴 疲劳破坏原因：裂纹、组织缺陷、夹杂露头、加工设计不当 测量 ：钢107 有色108 提高疲劳强度的措施：,提高工件的表面质量 表面热处理 喷丸处理 合理结构：减少应力集中 正确选材 ：强、韧性好,二、工程材料的物理、化学性能,工程材料的主要物理性能有：密度、熔点、热膨胀性和导电性等。 材料的化学性能是指其在室温或高温下抵抗各种化学作用的性能，包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。,三、工程材料的工艺性能,工程材料的工艺性能是其物理、化学、力学性能的综合反映。 根据工艺方法的不同，材料的工艺性能可分为热处理性、铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。,金属的结晶与合金的结
10、构,一、金属的晶体结构,晶体与非晶体 固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体的原子按照一定的次序作有规则的排列，非晶体则与之相反。 内部结构的不同导致两者的性能亦不相同。晶体具有一定的熔点和凝固点，非晶体则没有；晶体表现出各向异性，非晶体则是各向同性。,2. 体心立方晶格和面心立方晶格 金属的晶格有各种不同的形式，最常见的有体心立方晶格和面心立方晶格两种。 晶格 ：表示晶体结构规则排列的空间格架。 晶胞：代表晶体结构排列的最小几何单元。,第二节,ZnS的原子排列图,1、体心立方 Cr Mo W V -Fe 2、面心立方Cu Ni Au Ag Al -Fe塑性好,二、金属的结晶, 金属的结晶过程
11、,结晶：金属由液态转变为固态，原子由无序状态转变为按一定的几何形状作有序的排列，形成晶体的过程称为结晶。 金属的结晶过程可以用温度随时间变化的曲线，即冷却曲线来表示。 纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。,2. 过冷：金属的实际结晶温度低于其理论结晶温度，这种现象称为过冷。 理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差T（= T0 -Tn ）称为过冷度。 过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，则过冷度越大。,T,纯金属熔点绝对温度的20%自发形核,3. 金属的结晶过程： 当液态金属的温度降低至实际结晶温度时，开始结晶。 首先，在液态金属中生成一些细微的晶体晶核，液态金属的原子就以它们为中心，按照金
12、属晶体的固有规律排列起来，随着晶核的不断长大而形成晶体； 与此同时，在液态金属的其他部分新的晶核又不断生成和长大； 直到全部长大的所有晶体的各个方面都互相抵触，液态金属全部凝固成固态时，结晶过程即告结束。,4. 由以上论述可知，液态金属的结晶过程包括两个基本环节，即晶核的形成和晶核的长大。,6. 金属结晶后，每个晶核长大成为一个晶体，称为晶粒。晶粒与晶粒间的接触界面称为晶界。,5. 晶核的形成有两种方式：一种是液态金属中某些能量较低的原子自发的聚集在一起，呈规则排列而形成的，称为自发结晶；另一种是液态金属中一些高熔点微细固态质点，称为外来晶核或非自发晶核。,7. 金属是由许多大小、外形、晶格位
13、向各不相同的晶粒组成的多晶体。, 晶粒的大小及其细化,金属 的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界处的晶格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合，从而加强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。,2. 晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。,3. 生产中常采用以下措施来细化金属的晶粒： 提高液态金属的冷却速度，增大过冷度； 造成大量不熔杂质微粒； 采用电磁搅拌和机械振动。,三、金属的同素异构转变,一种金属能以几种晶格类型存在的性质，称为同素异构性。 金属在固态下改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。,金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很相似，也是通过原子的重新排列而实现的，也要遵循
14、结晶的一般规律： 也包括晶核的形成和晶核的长大两个基本环节； 也需要过冷； 纯金属的同素异构转变也是在恒温下进行的。,通常又将金属的同素异构转变称为二次结晶或重结晶。 热处理的基础：钢淬火后强硬度提高，而铜反而降低,纯铁的同素异构转变： 在15381394 C的温度区间，纯铁为体心立方晶格，称为铁； 在1394912 C的温度区间，纯铁为面心立方晶格，称为铁； 在912 C以下时，纯铁又转变为体心立方晶格，称为铁。,四、合金的结构, 合金的概念,合金是指以一种金属元素为主，假如其他金属或非金属元素，通过熔炼、烧结或其他方法结合生成的具有金属特性的物质。 组成合金的最基本、独立的物质，称为合金的
15、组元。 按照组元的数目，可将合金分为二元合金、三元合金等。,相：在一个物系中，性质完全相同的均匀部分。合金中，具有相同化学成分，相同结构，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 纯金属在液态和固态下均属于单相，在熔化和结晶过程中则是液态和固态共存的两个相。合金在液态时属于单一的液相，在固态下则可能是单相，也可能是多相。, 合金的基本组成物,固溶体 某些合金的组元在固态下仍具有相互溶解的能力。例如，碳及许多元素的原子能够溶解于铁。这时，铁是溶剂、炭或其他元素是溶质。这种溶剂原子溶入溶剂晶格，所形成的单一均匀的晶体称为固溶体。,根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，固体溶剂可分为以下两类：置换固溶
16、体间隙固溶体,2. 金属化合物 合金各组元之间相互作用，按照一定的整数比化合生成的一种新的具有金属特性的物质，称为金属化合物。它通常具有复杂的晶格结构，硬度高，脆性大。,机械混合物 有些合金中，各组元在固态下既不相互溶解，又不形成金属化合物，而是按照一定的质量比例，以混合方式形成各组元晶体的机械混合物。机械混合物的性能取决于各组元的性能和混合比例。,铁碳合金的组织与状态图,二、铁碳合金的基本组织,铁素体（F 或 相） 奥氏体（A或 相） 渗碳体Fe3C 珠光体（P或 + Fe3C ） 莱氏体（Le、Le或 + Fe3C ）,三、铁碳合金状态图,各特性点的含义,第三节,一、定义： 合金组元在固态
17、下相互溶解，构成的单一均匀的晶体,铁碳合金状态图中的主要特点,2. 一些主要线的含义, ACD线 液相线 AECF线 固相线 ECF线 共晶线 GS线 从奥氏体中析出铁素体的开始线，用A3表示。 ES线 从奥氏体中析出渗碳体的开始线，用Acm表示。 共析点S（727C， C 为0.77%）时，发生共析反应，从奥氏体中同时析出铁素体和二次渗碳体的机械混合物，称为珠光体。 PSK线 共析线，习惯上用A1表示 该线上铁碳合金有一个共同的特征，即奥氏体缓慢冷却至该线时发生共析反应，转变为珠光体。,通常将碳的质量分数为0.02%2.11%的铁碳合金称为钢，根据奥氏体的析出情况，钢分为三种： 共析钢（ C
18、 为0.77% ）； 亚共析钢（ C 为0.02%0.77% ）； 过共析钢（ C 为0.77%2.11% ）。 碳的质量分数低于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁，性能与铁素体接近。 碳的质量分数为2.11%6.69%的铁碳合金称为铸铁,第三节钢的热处理,热处理：加热温度、保温时间、冷却 临界点：开始发生组织转变的温度 Ac1 Ac3 Accm Ar1 Ar3 Arcm A2 居里温度768C（Co350C; Ni1100C) 3、常用热处理工艺： 普通热处理（退火 正火 淬火 回火 ） 表面热处理,一、退火,1、退火：加热、保温，缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织的工艺 2、目的： 细化晶粒
19、 降低硬度 消除应力 3、分类：完全退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火,退火,（1）完全退火 加热温度Ac3线以上3050C,用于亚共析钢；不能用于过共析钢 （2）球化退火 加热温度Ac1以上2030 C，连续网状二次渗碳体需先正火,主要用于过共析钢 （3）去应力退火 500650 C （4）均匀化退火,二 、正火,正火：加热保温、空冷的热处理工艺 目的：细化晶粒、消除网状二次渗碳体 加热温度：Ac3Accm+3050 C,三、淬火,1、淬火：加热保温、快速冷却的工艺 2、目的：获得高硬度的马氏体 3、马氏体：碳溶解到-Fe中形成过饱和固溶体 4、加热温度：Ac3/Ac1+3050 C 5
20、、淬透性：淬硬层的大小。取决于钢的临界冷却速度，即合金元素的含量 6、淬硬性：淬火马氏体所能达到的最大硬度,四、回火,1、回火：把淬火钢重新加热到Ac1线以下一定温度，保温后冷却的热处理工艺 2、目的 降低脆性，消除应力，减少变形开裂 调整硬度，提高塑性与韧性 稳定尺寸,四、回火,3、回火的种类 1）低温回火150250 C，降低应力及脆性，保持高硬度、高耐磨性，组织为回火马氏体用于工具钢,四、回火,2）中温回火350500 C，极细粒状的渗碳体和铁素体，屈服极限及弹性极限高，用于高弹性、高强度件 3）高温回火500650 C ，细粒状的渗碳体及铁素体，综合机械性能好，用于受力结构件，如轴 调
21、质处理：淬火+高温回火,五、表面热处理,表面热处理：通过改变零件表面层的组织或同时改变表面层的化学成分的热处理工艺,（一）表面淬火,1、表面淬火：对零件的表面快速加热、冷却，表层淬硬成马氏体，心部仍保留韧性和塑性较好的原来的组织的一种淬火方法。随后低温回火。 2、用于中碳钢 3、加热：火焰、高频感应、激光等,（二）化学热处理,1、将零件放在化学介质中加热保温，并适当冷却，使工件表面渗入某种元素，以改变其成分和性能的热处理方法 2、渗碳 用于低碳钢及低碳低合金钢 温度高900950 C 随后整体淬火、低温回火 3、氮化：用于合金钢，成本高 温度低500 C ，时间长,常用金属材料,一、钢,按化学
22、成分分为：碳素钢和合金钢； 按用途分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢； 按质量分为：普通钢、优质钢、高级优质钢； 按脱氧程度分为：镇静钢、半镇静钢、沸腾钢。, 碳素钢,碳素钢简称碳钢，其碳的质量分数低于1.5%，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。,第四节,含碳量的高低对碳钢力学性能的影响极大当碳的质量分数低于0.9%时，碳钢的强度与硬度随含碳量的增加而提高，塑性和韧性则随含碳量的增加而降低； 当碳的质量分数高于0.9%时，碳钢的硬度仍随含碳量的增加而提高，但其强度、塑性和韧性均随含碳量的增加而降低。,硅、锰能使钢强化，锰还能降低硫的有害影响，它们是钢中的有益元素； 硫使钢热脆，磷使钢
23、冷脆，它们是钢中的有害元素。,按含碳量分类 根据含碳量多少，碳钢可分为三类： 低碳钢： C 0.25%； 中碳钢： C 0.25%0.60%； 高碳钢： C 0.60%,按质量分类 根据有害杂质P、S含量的多少，碳钢可分为三类： 普通碳素钢： P0.045%, S0.055%； 优质碳素钢： P0.040%, S0.040%； 高级优质碳素钢： P0.035%, S0.030%,碳钢的分类,按用途分类 根据用途的不同，碳钢可分为两大类： 碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机械零件，这类钢一般为低碳钢和中碳钢。 碳素工具钢：主要用于制造各种模具、量具、刀具，这类钢一般为高碳钢。,2. 碳钢的
24、编号和应用 碳钢的编号方法与应用举例如表3.3所示,碳素钢分类,1、碳素结构钢 1）碳素结构钢 C0.060.38%，S0.045%、P0.05% 成本低 牌号：Qxxx 如Q235AF,.,2)优质碳素结构钢 C0.050.9S=0.035、P=0.035 牌号：xx 如：45 含碳量的万分之45 0825低碳钢，塑韧性好，焊接、冲压 3055中碳钢，综合性能好，齿轮、轴 6085高碳钢，强硬度高，弹性件,C 0.71.3，S0.03、P0.035 硬度、耐磨性高，作刀具、模具 牌号：Tx(xx) 如：T7 、T13A 含碳量的千分之几 A表示：S0.02、P0.03高级优质 T7、T8斧子
25、镐，T9、T10、T11钻头丝锥车刀，T12、T13锉刀量具刮刀,2、碳素工具钢, 合金钢,为了改善碳钢的性能，有目的地往碳钢中加入一定量的其他合金元素所获得的钢，称为合金钢。 在合金钢中，常见的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B、Co、Al、RE等。,按用途分类 按照合金钢的用途可将其分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。,合金钢的编号和应用： 合金钢的编号方法与应用举例如P87所示。,合金钢的分类,按合金元素的含量分类 按合金元素的含量多少，合金钢分为三类： 低合金钢：合金元素总的质量分数10%,铸铁是以铁、碳、硅为主要元素组成的，碳的质量分数大于2.1
26、1%的铁碳合金。 铸铁具有许多优良的性能，且生产简便，成本价廉，是工程上常用的一类金属材料。 根据铸铁中碳的存在形态不同，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁五类。 此外，铸铁还可在加入一定数量的合金元素或经特殊处理后，获得特殊性能，称为合金铸铁。耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁均属这类铸铁。,二、铸铁,三、有色金属及其合金, 铝及铝合金,工业纯铝 工业纯铝有冶炼产品和加工产品两种，广泛应用于导线、电器仪表零件及装饰件等。 纯铝牌号的编制方法： 铝锭：Al顺序号，顺序号越大，铝的纯度越低，性能越差。 铝材：L顺序号，顺序号越大，铝的纯度越低，性能越差。,2. 铝合金 铝合金按其
27、成分和成形加工方法不同，可分为形变铝合金和铸造铝合金两类。,形变铝合金是合金元素含量低，塑性变形能力好，适于冷、热压力加工的铝合金，根据其性能特点不同，可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四种。 铸造铝合金是合金元素含量较高，熔点较低，铸造性好，适于铸造成形的铝合金。由于主加合金元素分别为Si、Cu、Mg、Zn，据此可将铝合金相应的分为：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金四种。, 铜及铜合金,铜的导电、导热性能极好，无磁性，且具有优良的耐蚀性和塑性、韧性。铜合金不仅具有纯铜的优良性能，且强度、硬度等性能有所提高。铜及铜合金在工业上应用极广。,工业纯铜 工业纯铜常用于制造电线、电
28、缆、导电及耐蚀器材、电器元件等，一般不用于制造结构零件。,2. 铜合金 工业上常用的铜合金为黄铜、青铜。,黄铜 黄铜是以锌为唯一或主要合金元素的铜合金，其外观色泽呈金黄色。黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。,青铜 除了以锌为主加元素之外的其余铜合金统称为青铜，其外观色泽呈棕绿色。青铜可分为普通青铜（以锡为主加元素的铜基合金，又称为锡青铜）和特殊青铜（不含锡的青铜合金，又称为无锡青铜）。,第五节,其他工程材料,一、塑料, 组成： 塑料是一种以合成树脂为主要成分的高分子材料。它由合成树脂和添加剂组成。, 分类及应用,常用工程塑料按其加热和冷却时所表现的性质，可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。 热塑性塑
29、料 热固性塑料 热固性塑料的软化和固化是不可逆的。,工程塑料具有如下主要优点： 质轻、比强度高；耐腐蚀性强、减摩性与自润滑性能良好；绝缘性、耐电弧性、隔音性、吸振性优良；工艺性能好。,其主要缺点是：强度、硬度、刚度低；耐热性、导热 性差，热膨胀系数大；易燃烧，易老化。,工程塑料主要用于制造各种罩壳、轻截齿轮、干摩擦轴承、轴承、密封件、各种耐磨、耐蚀结构件、绝缘件等。,二、橡胶,橡胶是在生胶（天然橡胶或合成橡胶）中加入适量的硫化剂和配合剂组成的高分子弹性体。 橡胶材料的特点是：极高的弹性、可挠性，优良的化学稳定性、耐蚀性、耐磨性、吸振性、密封性，较高的韧性，能很好的与金属、线织物、石棉等相联结。
30、 橡胶按用途可分为通用橡胶和特种橡胶两大类。,三、复合材料, 组成与性能特点 复合材料由基本材料和增强材料两部分组成。 复合材料的性能特点是：密度小，比强度、比弹性模量高；抗疲劳性能、高温性能好；具有隔热、耐磨、耐蚀、减振性以及特殊的光、电、磁方面的特性。, 复合材料的分类（P177）, 几种常用的复合材料,碳纤维树脂复合材料 玻璃钢 金属陶瓷,第六节,机械零件的选材,一、选材的一般原则, 使用性能 零件的使用性能是指其在一定的工作条件下工作所必须具有的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。, 工艺性能 包括可铸性、可锻性、可焊性、可加工切削性、热处理性能。, 经济性,二、典型零件的选材举例 根据前述机械零件材料选择的基本原则，同时考虑到材料的强化和对其性能的影响，表2.1-12（P180）列出了一些常用机械零件材料的选择示例。,作业：指出下列材料牌号或代号的含义： H59；ZQSn10；QBe2；ZChSnSb11-6；LF21；LC4；ZL102 。,
