1、青青 銅銅 器器 時時 代代鐵鐵 器器 時時 代代鐵器時代鐵器時代埃菲爾鐵塔埃菲爾鐵塔倫敦塔橋倫敦塔橋18891889年年324324米高米高用金屬用金屬73007300噸噸18941894年年 中央部分可升降中央部分可升降金屬、無機非金屬（陶瓷）、高分子并存金屬、無機非金屬（陶瓷）、高分子并存陶瓷材料陶瓷材料高高分分子子材材料料金屬材料金屬材料 現(xiàn)代文明的四大支柱現(xiàn)代文明的四大支柱材料材料信息信息能源能源生物生物結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料 中國制造在世界上的地位：制造大國，中國制造在世界上的地位：制造大國，非制造強國，材料方面的滯后是一大關(guān)鍵非制造強國，材料方面的滯后是一大關(guān)鍵金屬金屬

2、項目二項目二 汽車工程材料汽車工程材料 汽車制造業(yè)中使用的基本汽車制造業(yè)中使用的基本原料，汽車中大約有原料，汽車中大約有80的零的零件是用金屬材料制造的，而金件是用金屬材料制造的，而金屬材料中又以鋼鐵材料的用量屬材料中又以鋼鐵材料的用量為最多。為最多。一、金屬材料的分類一、金屬材料的分類v 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能。來的性能。 主要指標包括：剛度、彈性、強度、塑性、硬度、主要指標包括：剛度、彈性、強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。韌性及疲勞強度等。 金屬材料的性能分為：金屬材料的性能分為：工藝性能工藝性能是指金屬

3、材料使用某種工藝方法進行加工的是指金屬材料使用某種工藝方法進行加工的 難易程度。包括鑄造性能、焊接性能及切削加工性能等。難易程度。包括鑄造性能、焊接性能及切削加工性能等。使用性能使用性能是指金屬材料在正常工作條件下所表現(xiàn)出來是指金屬材料在正常工作條件下所表現(xiàn)出來 的力學性能、物理性能和化學性能。的力學性能、物理性能和化學性能。1、強度、強度 強度表征材料在外強度表征材料在外力作用下抵抗變形和破力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為壞的最大能力，可分為抗拉抗拉強度極限（強度極限（ ）、）、抗彎抗彎強度極限（強度極限（ ）、）、抗壓抗壓強度極限（強度極限（ ）等。）等。 由于金屬材料在外由于金屬

4、材料在外力作用下從變形到破壞力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗進而通常采用拉伸試驗進行測定，即把金屬材料行測定，即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗機上進行拉在拉伸試驗機上進行拉伸，直至試樣斷裂。伸，直至試樣斷裂。金屬材料的拉伸試驗曲線金屬材料的拉伸試驗曲線bbbbc力學性質(zhì)：在外力作用下材料在變形和破壞方面所力學性質(zhì)：在外力作用下材料在變形和破壞方面所表現(xiàn)出的力學性能表現(xiàn)出的力學性能試件和實驗條件試件和實驗條件常溫、靜常溫、靜載載抗拉強度抗拉強度：拉伸時的應力：拉伸時的應力應變曲線應變曲線靜載荷靜載荷是指大小、方向不變或變

5、動很慢的載荷。是指大小、方向不變或變動很慢的載荷。1 1、 試件試件L0標點標點標距標距d0（1）材料類型材料類型： 低碳鋼低碳鋼： 灰鑄鐵灰鑄鐵：2標準試件標準試件：塑性材料的典型代表；塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表脆性材料的典型代表；（2）標準試件標準試件：標距標距：用于測試的等截面部分長度；用于測試的等截面部分長度；尺寸符合國標的試件尺寸符合國標的試件；圓截面試件標距：圓截面試件標距：L0=10d0或或5d02、試驗機0拉伸后：拉伸后：拉伸前：拉伸前：明顯的四個階段明顯的四個階段1 1、彈性階段、彈性階段oeoeP比例極限比例極限Ee彈性極限彈性極限tanE3 3、明顯塑性變形階

6、段、明顯塑性變形階段sdsd（載荷不再增加，試樣卻（載荷不再增加，試樣卻繼續(xù)變形）繼續(xù)變形）s屈服極限屈服極限4 4、強化階段、強化階段dbdb（恢復抵抗（恢復抵抗變形的能力）變形的能力）強度極限強度極限b5 5、局部徑縮階段、局部徑縮階段bkbkoesdbkPesb低碳鋼拉伸曲線2 2、屈服階段、屈服階段eses（失去抵（失去抵抗變形的能力）抗變形的能力） (1) (1)彈性階段彈性階段 比例極限比例極限p p oa段是直線，應力與應變在此段成正比關(guān)系，材料符合虎克定律，直線oa的斜率 就是材料的彈性模量，直線部分最高點所對應的應力值記作pp，稱為材料的比例極限比例極限。曲線超過a點，圖上a

7、b段已不再是直線，說明材料已不符合虎克定律。但在ab段內(nèi)卸載，變形也隨之消失，說明ab段也發(fā)生彈性變形，所以ab段稱為彈性階段。b點所對應的應力值記作ee ，稱為材料的彈性極限彈性極限。 彈性極限與比例極限非常接近，工程實際中通常對二者彈性極限與比例極限非常接近，工程實際中通常對二者不作嚴格區(qū)分，而近似地用比例極限代替彈性極限。不作嚴格區(qū)分，而近似地用比例極限代替彈性極限。 Etan (2)(2)屈服階段屈服階段 屈服點屈服點 曲線超過b點后，出現(xiàn)了一段鋸齒形曲線，這階段應力沒有增加，而應變依然在增加，材料好像失去了抵抗變形的能力，把這種應力不增加而應變顯著增加的現(xiàn)象稱作屈服，bc段稱為屈服階

8、段。屈服階段曲線最低點所對應的應力 稱為屈服點屈服點(或屈服極限屈服極限)。在屈服階段卸載，將出現(xiàn)不能消失的塑性變形。工程上一般不允許構(gòu)件發(fā)生塑性變形，并把塑性變形作為塑性材料破壞的標志，所以屈服點 是衡量材料強度的一個重要指標。 sss (3)(3)強化階段強化階段 抗拉強度抗拉強度 經(jīng)過屈服階段后，曲線從c點又開始逐漸上升，說明要使應變增加，必須增加應力，材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強化，ce段稱為強化階段。曲線最高點所對應的應力值記作 ，稱為材料的抗拉強度抗拉強度(或強度極限)，它是衡量材料強度的又一個重要指標。 (4)(4)縮頸斷裂階段縮頸斷裂階段 曲線到達e點前，試件的變

9、形是均勻發(fā)生的，曲線到達e點，在試件比較薄弱的某一局部(材質(zhì)不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象，試件很快被拉斷，所以ef段稱為縮頸斷裂階段。 bb2. 2.塑性塑性試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標。常用的塑性指標有兩個: 伸長率伸長率: :1100LLL% %l1試樣拉斷后的標距試樣拉斷后的標距,mm;l0試樣的原始標距試樣的原始標距,mm。斷面收縮率斷面收縮率 :1100AAA% %L1 試件拉斷后的標距L 是原標距A1 試件斷口處的最小橫截面面積A 原橫截面面積。 、 值越大，其塑性越好。一

10、般把 5的材料稱為塑性材料塑性材料，如鋼材、銅、鋁等；把 5的材料稱為脆性材料脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等。 3. 硬度硬度 （1）布氏硬度HBW定義：硬度是衡量金屬材料軟硬程度的性能指標，也是指金屬材定義：硬度是衡量金屬材料軟硬程度的性能指標，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。可用硬度試驗機測定，常用的硬度指標有可用硬度試驗機測定，常用的硬度指標有布氏硬度布氏硬度HBW、洛洛氏硬度氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和等）和維氏硬度維氏硬度HV布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕原理：原理： HBW=HBW=)(204. 0

11、22dDDDFHBSHBWHBW值的大小取決于壓痕直徑值的大小取決于壓痕直徑d d，d d值越大表明金屬材值越大表明金屬材料的變形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。料的變形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。補充補充: :布氏硬度的標注方法布氏硬度的標注方法布氏硬度值布氏硬度值/HBW/D/F/t/HBW/D/F/t例如：例如：150HBW10/1000/30150HBW10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm10mm的硬質(zhì)合金球，在的硬質(zhì)合金球，在9.807kN9.807kN（1000Kgf1000Kgf）的作用下，保持）的作用下，保持30s30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值

12、為150150。注：試驗力保持時間為注：試驗力保持時間為1015s1015s時不標明。時不標明。思考：思考：500HBW5/750500HBW5/750的含義？的含義？布氏硬度試驗的特點布氏硬度試驗的特點：壓痕大，測量值比較準確，壓痕大，測量值比較準確，數(shù)據(jù)重復性強，但是，由數(shù)據(jù)重復性強，但是，由于壓痕大，對金屬材料表于壓痕大，對金屬材料表面的損傷較大，不宜測定面的損傷較大，不宜測定太小或太薄的試樣。太小或太薄的試樣。主要用來測原材料的硬度。主要用來測原材料的硬度。 (2)洛氏硬度洛氏硬度HR（一）實驗原理（一）實驗原理洛氏硬度計洛氏硬度計試驗方法是用一個頂角為試驗方法是用一個頂角為120度的

13、金剛石圓錐體或直徑為度的金剛石圓錐體或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。根據(jù)實驗材料硬度的不同，可分為三種不痕深度求出材料的硬度。根據(jù)實驗材料硬度的不同，可分為三種不同標度來表示：同標度來表示： 常用三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍常用三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍標尺標尺硬度符硬度符號號 所用壓頭所用壓頭 總試驗力總試驗力F/NF/N適用范圍適用范圍HRHR應用范圍應用范圍 A AHRAHRA金剛石圓金剛石圓錐錐 588.4588.420882088硬、薄試件，硬、薄試件，如硬質(zhì)合金、如

14、硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。表面淬火層和滲碳層。 B B HRBHRB1.58751.5875mmmm球球 980.7980.72010020100輕金屬，未淬火鋼，輕金屬，未淬火鋼，如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。 C C HRCHRC金剛石圓金剛石圓錐錐1471147120-7020-70較硬，淬硬鋼制品；較硬，淬硬鋼制品；如調(diào)質(zhì)如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。鋼、淬火鋼等。4，材料的沖擊韌度 材料的韌度是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，是材料塑性和強度的綜合表現(xiàn)。 材料的沖擊韌度是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak 。常用一次擺錘沖擊

15、試驗方法測定。 沖擊韌度指標的實際意義在于揭示材料的變脆傾向。 沖擊韌度：試樣缺口處沖擊韌度：試樣缺口處單位截面積上所吸收的單位截面積上所吸收的沖擊功，即沖擊功，即ak沖擊韌度沖擊韌度(沖擊值沖擊值)；Ak沖斷試樣所消耗的沖擊功，沖斷試樣所消耗的沖擊功，J；A試樣缺口處的截面積，試樣缺口處的截面積， cm2 。ak =AkA（J/cm2 ）5.5.疲勞強度疲勞強度 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。實驗原理 疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力。 實際上，

16、金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應力稱為疲勞強度。 當施加的交變應力是對稱循環(huán)應力時，所得的疲勞強度用1表示。提高零件抗疲勞的方法提高零件抗疲勞的方法可通過合理的選材，細化晶可通過合理的選材，細化晶粒、減少材料和零件的缺陷；粒、減少材料和零件的缺陷；改善零件的結(jié)構(gòu)設計，避免改善零件的結(jié)構(gòu)設計，避免應力集中，減少零件的表面應力集中，減少零件的表面粗糙度；對零件表面進行強粗糙度；對零件表面進行強化處理?；幚怼Ｈ⒔饘俨牧系墓に囆阅苋⒔饘俨牧系墓に囆阅?1 1 鑄造性能鑄造性能 2 2 鍛造

17、性能鍛造性能 5 5 切削加工性能切削加工性能 3 3 焊接性能焊接性能 4 4 熱處理性能熱處理性能學習任務二學習任務二 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖一、金屬及合金的構(gòu)造與結(jié)晶一、金屬及合金的構(gòu)造與結(jié)晶基本概念l金屬金屬：l 合金合金： 由一種金屬元素所組成。如由一種金屬元素所組成。如Cu，Al，Mg，Zn由一種金屬元素為主，加入其他金屬由一種金屬元素為主，加入其他金屬（或非金屬）元素所組成，例（或非金屬）元素所組成，例 Fe C 鐵碳合金鐵碳合金(鋼、鑄鐵鋼、鑄鐵)Cu Zn 銅鋅合金銅鋅合金(黃銅黃銅) （1）晶體與非晶體1、晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。、晶體：原子在三維空間內(nèi)的

18、周期性規(guī)則排列。 長程有序，各向異性。有固定熔點。長程有序，各向異性。有固定熔點。2、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。 長程無序，各向同性。無固定熔點。長程無序，各向同性。無固定熔點。3、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合金、硅是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無機化合物和有機化合物，甚至植物纖酸鹽，大多數(shù)無機化合物和有機化合物，甚至植物纖維都是晶體。維都是晶體。 金屬晶體模型（2）晶格、晶胞、晶格常數(shù)名詞術(shù)語晶體晶體非晶體非

19、晶體晶格晶格晶胞晶胞 晶格常數(shù)晶格常數(shù)原子呈有序排列原子呈有序排列原子呈無序排列原子呈無序排列描述原子排列規(guī)律的空間格子描述原子排列規(guī)律的空間格子組成晶格的最基本單元組成晶格的最基本單元晶胞的棱邊長度晶胞的棱邊長度將晶體中原子排列，假想成空間的幾何格架將晶體中原子排列，假想成空間的幾何格架簡單立方晶體中原子排列示意圖簡單立方晶體中原子排列示意圖晶胞、晶格常數(shù) 晶胞：空間點陣中能代表晶胞：空間點陣中能代表原子排列規(guī)律的最小的幾原子排列規(guī)律的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構(gòu)何單元稱之為晶胞，是構(gòu)成空間點陣的最基本單元。成空間點陣的最基本單元。 晶格常數(shù)晶格常數(shù) 三個棱邊的長度三個棱邊的長度a,b,c

20、及及其夾角其夾角,表示。表示。（3）金屬中常見的三種晶格類型Mn，Mo，W，Cr，V，F(xiàn)e ，F(xiàn)e等等體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞中體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立方體的角上八個原子處于立方體的角上,一個原一個原子處于立方體的中心子處于立方體的中心, 角上八個原子與中心原子緊靠。角上八個原子與中心原子緊靠。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)： a=b=c, =90面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格 Cu，Ag，Pb，Ni， Fe 等等 金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子

21、緊靠。中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)： a=b=c, =90密排六方晶格Mg，Zn，Be，Cd等等 十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上, 在上下底面的中在上下底面的中心各分布一個原子心各分布一個原子, 上下底面之間均勻分布三個原子。上下底面之間均勻分布三個原子。 密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常數(shù)晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離和兩底面之間的距離c來表來表達達, 兩相鄰側(cè)面之間的夾角為兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120, 側(cè)面與底面之間

22、的夾角為側(cè)面與底面之間的夾角為90。l（4）晶體缺陷）晶體缺陷點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷如空位、間隙在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷如空位、間隙原子、異類原子等。原子、異類原子等。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：由于原子熱振動造成的。：由于原子熱振動造成的。 過飽和點缺陷過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。 結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。） 性能變化性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）力學性：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）力學性能（屈服強度提高。）能（屈服強度提高。） l（4）晶體缺陷）晶體缺陷線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上 尺寸較大尺寸較大的缺陷。主要是位錯的缺陷。主要是位錯。 位錯：位錯：晶體中某處晶