工程材料基础

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1、第一篇工程材料第一章金属材料的主要性能§1金属材料的机械性能一.强度1.定义：强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。2.屈服强度及抗拉强度前者为金属材料产生屈服时的应力,后者为拉断前所承受的最大应力,俩者大小可由拉伸曲线测得。从图上看出，低碳钢的拉伸过程分三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂阶段。σb是抗拉强度，是试样拉断前承受的最大载荷；σs是曲服强度，是弹性变形转向塑性变形的明显标志；σe是弹性极限.低碳钢具有屈服阶段，对于其它无明显屈服现象的材料，如高碳钢、铸铁、铜、铝等，可用σ0。2代替屈服极限，称为名义屈服点。σs、σb是工程上

2、常用的强度指标，用于尺寸设计、材料选定等。二．刚度1．定义：金属材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。2．弹性模数E：是衡量刚度大小的指标，其值等于在弹性变形范围内，应力与应变的比值。在相同外力作用下，E越大，则弹性变形越小，刚度越大。刚度除了与E有关，还与零件的形状、尺寸有关。三．塑性1．定义：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。2．塑性通常用伸长率δ，断面收缩率ψ表示。δ=（L—L0）/L0×100%ψ=（F0—F）/F0×100%δ、ψ越大，塑性越好。四．硬度1．定义：金属材料抵抗其他更硬的物体压入其内的能力。2．类型：①布氏硬度（H

3、B）：HBS、HBW②洛氏硬度（HR）：HRC、HRA、HRB3．硬度是一个重要的综合力学性能指标，反映了材料在小范围内抵抗变形和断裂的能力。五．冲击韧性1．定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。2．摆锤冲击实验3．冲击韧性值αk用来衡量冲击韧性的大小。αk越大，韧性越好αk=Ak/A(Jcm—2)Ak：试样吸收的冲击功；A：断口的横截面积4．强度、塑性均好的材料，韧性好。六．疲劳强度1．疲劳断裂：在交变载荷下工作的某些构件，所受应力虽然低于其屈服强度，但使用中往往突然断裂。这种现象称为疲劳断裂。2．疲劳强度：金属材料在无数次重复交变载荷作

4、用下不致引起断裂的最大应力。§2金属材料的工艺性能包括铸造性能、可锻性、可焊性、热处理性能、切削加工性能。第二章.金属和合金的基本理论§1金属和合金的晶体结构与结晶一．金属的晶体结构1．晶体结构的基本概念在研究晶体结构时把原子抽象化看成一个点，该点代表原子的振动中心，把各点用直线连接起来，形成一个空间格子，叫做晶格，其中每一点叫做结点，每个结点具有完全相同的周围邻点。晶格的最小单位是晶胞，代表整个晶格的原子排列规律。晶胞的棱边长度称为晶格常数，单位是A（埃,），晶格中各方位的原子平面叫晶面，各方向的原子列叫晶向。1．常见晶体结构类型：体心立方、面心立

5、方、密排六方。二．多晶体结构与晶体缺陷1．实际使用的金属材料是由许多晶格位向不同的小晶体所构成的多晶体，这些小晶体称为晶粒，各晶粒间的界面叫晶界。2．实际晶体中原子并不完全按一定规律排列，存在不完整区域，称为晶体缺陷，其分类如下：⑴点缺陷⑵线缺陷⑶面缺陷三．金属的结晶过程与同素异构转变㈠结晶过程1．定义：液态金属在冷凝过程中，原子由无序到有序，金属由液态到固态即晶体的过程，叫结晶。2．冷却曲线及过冷度1．结晶过程结晶过程=晶核形成+晶核成长2．晶粒粗细对材料性能的影响晶粒越细，综合机械性能越好。3．细化晶粒的措施①增大过冷度②变质处理③附加振动㈠金属

6、的同素异构转变金属在固态时改变其晶格类型的过程叫同素异构转变，又叫重结晶或二次结晶。如纯铁的凝固过程如图：一．合金的相结构和组织`1。概念：通过熔炼、烧结等方法，将一种金属元素与其它一种或几种元素结合一起形成的具有金属特性的新物质叫合金。组成合金的各元素叫组元。合金中成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相；不同相的结合称组织。1．固态合金的相结构⑴固溶体：溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，并不改变溶剂的晶格类型。（合金的相结构与溶剂的一致）①置换固溶体：溶质原子占据溶剂结晶原子位置。①间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子晶格的间隙中。

7、溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，造成溶剂元素的晶格畸变，导致合金强度、硬度的升高。称为“固溶强化”。⑵化合物：当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则它属于化合物。⑶机械混合物：由两种或两种以上的相混合而成，且各相仍保持原来的晶格结构。§2铁碳合金铁碳合金是以铁为主要元素，含少量碳及其它元素的合金，也是钢和铁的总称。含碳量Wc<2.11%是钢，2.11%~6.69%是铁。一.铁碳合金的基本组织1．铁素体F：由C固溶于α铁中形成的间隙固溶体，机械性能与纯铁类似，具有良好的塑性和韧性，但强度、硬度较低。2．奥氏体

8、A：由C固溶于γ铁中形成的间隙固溶体。A是高温组织，在727℃以上存在，其强度、硬度较低，塑性好。3．渗碳体