一、工程材料的基本知识一、工程材料的基本知识材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 复合复合材料材料工程工程材料材料金属金属材料材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料非金非金属材属材料料黑色金属黑色金属有色金属有色金属金属复合材料金属复合材料非金属复合材料非金属复合材料 2.2.工艺性能工艺性能1.1 1.1 金属材料金属材料材料的主要性能是指材料的主要性能是指: :1.1.使用性能使用性能（1 1）力学性能）力学性能 强度、塑性、硬度强度、塑性、硬度（2 2）物理性能）物理性能 密度、熔点、导电性密度、熔点、导电性（3 3）化学性能）化学性能 耐酸碱性、抗氧化性耐酸碱性、抗氧化性。加工成形的性能加工成形的性能材料是人类用于制造物品、器件、构材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。件、机器或其他产品的物质。第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能力学性能力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。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一、外力作用下材料的变形 作用在机件上的外力载荷FFF = F （MPa）外力外力 内力内力应力应力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 b 极限载荷点极限载荷点Fee e 弹性极限点弹性极限点sS S 屈服点屈服点K K 断裂点断裂点拉伸曲线拉伸曲线FFL应力应力应变曲线应变曲线缩颈o第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能1 1强度强度： 当 e es s时时，材料将产生明显的塑性变形。材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度条件屈服强度: : 0.20.2=F =F 0.20.2/S/S0 0 （MPaMPa）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）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。第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能kbFes0.2%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它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力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。第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能常用常用 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:PPL良好的塑性是金属材料进行良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。塑性加工的必要条件。2. 2. 塑性塑性第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能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）：）： F第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能布氏硬度适用布氏硬度适用HB450HB450HB450FFF1200HRC:HB=HRC:HB=1 1：1010第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能5 5冲击韧性冲击韧性(Ak)(Ak) A AK K = G= G（H H1 1 H H2 2）（）（J J） a ak k = = A AK K /S /S （J/mJ/m2 2） 硬度硬度 b b 与强度与强度HBHB的关系的关系低碳钢：低碳钢： b b3.6HB3.6HB高碳钢：高碳钢： b b3.4HB3.4HB调质合金钢：调质合金钢： b b3.25HB3.25HB材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。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，往往是受在冲击载荷下工作的零件，往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。小能量多次重复冲击而破坏的。第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能6 6疲劳强度疲劳强度(-1) (-1) 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。 循环基数循环基数钢：据统计，约据统计，约80%80%的机件失效的机件失效为疲劳破坏。为疲劳破坏。有色金属：第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能 牌牌 号号力力 学学 性性 能能 应应 用用b/MPas /MPa%HBSHRCk/ J/Cm2Q235-A40023526工程结构工程结构45钢钢6101622955（淬火）（淬火）轴、杆轴、杆ZG310-570570310153铸钢件铸钢件ZAlSi2143450活塞活塞HT250250气缸体气缸体QT700-27004202270曲轴曲轴7、几种常用金属材料的力学性能、几种常用金属材料的力学性能第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能力学性能力学性能bs强度强度塑性塑性刚度刚度硬度硬度韧性韧性疲劳强度疲劳强度三、力学性能与失效形式的三、力学性能与失效形式的关系关系失效形式失效形式断裂断裂塑性变形塑性变形过量弹变过量弹变磨损磨损状态图状态图 表示合金系的表示合金系的成分、温度、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。 第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 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 （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。 AESPQGKD4.34.32.062.060.770.770.020.02C%C%114711471538 1538 727727P PL LAF F三、铁碳合金状态图三、铁碳合金状态图温度912912CFe3C6.676.67FAA纯铁的熔点。纯铁的熔点。DFeDFe3 3C C的熔点。的熔点。 1. 1. 状态图上点的意义状态图上点的意义E EC C在在-Fe-Fe中的最中的最大溶解度点。大溶解度点。1147 2.06%1147 2.06%C C 钢和铁的分界点钢和铁的分界点。LeLe第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图CC共晶点共晶点，1147 4.3%1147 4.3%C C 共晶点共晶点发生共晶反应的点。发生共晶反应的点。 共晶反应共晶反应 在在一定的温度一定的温度下，由下，由一定成分的液体一定成分的液体同同时结时结晶出晶出一定成分的一定成分的两个固相两个固相的反应的反应。 共晶反应的产物共晶反应的产物共晶体共晶体机械混合物机械混合物 L L（4.3%C4.3%C） A A（2.06%C 2.06%C ）+ Fe+ Fe3 3C C （6.67%C 6.67%C ）1147LeLe G G 纯铁的同素异晶转变点。纯铁的同素异晶转变点。 912912 P CP C在在-Fe-Fe中的最大溶解度点。中的最大溶解度点。727 0.02%727 0.02%C C 第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 S S 共析点共析点。 727 0.77% 727 0.77% 共析反应共析反应在在一定的温度一定的温度下，由下，由一定成分的固相一定成分的固相同同时结晶出时结晶出不同不同成分的成分的另外两个固相另外两个固相的反应。的反应。 共析反应的产物共析反应的产物 共析体共析体 机械混合物机械混合物 A A（0.77%C0.77%C） F F（0.002%C 0.002%C ）+ Fe+ Fe3 3C C（6.67%C 6.67%C ）727727P P第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图2. 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 1147ACAC析出A ACDCD析出 FeFe3 3C CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LeLe + Fe3C第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图ESES线线 C C在在-Fe-Fe中的溶解度曲线。析出二次中的溶解度曲线。析出二次FeFe3 3C C（1）单相区：单相区：L L、F F、A A、FeFe3 3C C （2）两相区：两相区：L+AL+A、L+ FeL+ Fe3 3C C、A+FA+F、F+ FeF+ Fe3 3C C（3） 三相区：三相区：L+A+ FeL+A+ Fe3 3C C、A+F+ FeA+F+ Fe3 3C CGSGS线线 溶解度曲线溶解度曲线 AFAFGPGP线线 F F析出终了线。析出终了线。PSKPSK线线 共析线共析线 727 727PQPQ线线 碳在碳在-Fe-Fe中的溶解度曲线。中的溶解度曲线。第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图室温组织：室温组织：室温组织：室温组织：F+PF+P四四 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 1 亚共析钢的结晶过程 1点以上点以上 L 12 L 23 A+L 34 A 45 A+F 5点点 AP 5点以下点以下 P+F亚共析钢的结晶过程第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 室温组织: P 2 共析钢（共析钢（T8钢）钢） 1点以上点以上 L 12 LA 23 A 3点点 AP 3点以下点以下 P共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图室温组织：室温组织：P+Fe3C（网状）过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程AAAAAAFAF 3 过共析钢（过共析钢（T10) 1点以上点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点点 AP 4点以下点以下 P+Fe3CII第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图4 亚共晶铸铁第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图室温组织室温组织 P+Fe3CP+Fe3CII II+Le+Le 1点以上点以上 L 12 A+L 2点点 共晶反应共晶反应 23 A+Fe3CII+Le 3点点 共析反应共析反应 3点以下点以下 P+Fe3CII+Le 注明：注明： Fe3CII二次渗碳体二次渗碳体 Le 高温莱氏体高温莱氏体 Le低温莱氏体低温莱氏体第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图ESQGKD4.34.32.062.060.770.770.020.02C%C%114711471538 1538 727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.676.67APLeLeFAL+Fe3CL+Fe3CF+A11111122222333344F+PP+Fe3C3LeP+Fe3C+Le2Fe3C+LeFe3C+Le231LAAL+PP+F1LAAL+A+432FP+Fe3C4A+3A1LL+2AFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le +32AFe3CFe3C+Le1L32L+Fe3CFe3C+ Le第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图231LAAL+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:五、铁碳合金的结晶过程及组织转变五、铁碳合金的结晶过程及组织转变第二节第二节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.91.0HB C%HB 1 1选择材料选择材料 2 2确定各种工艺参数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 铁碳合金状态图铁碳合金状态图结束结束