工程材料与机械制造基础

第一章材料的种类与性能

1.2 材料的性能

1 使用性能：在正常使用的条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的力学性能（机械性能）、物理性能、化学性能等。

2 静载时材料的力学性能

强度：强度是指材料在外力的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。

弹性极限：在弹性变形范围内所对应的弹性阶段的最大应力，称为弹性极限。

弹性模量：表示材料产生弹性变形的难易程度。

屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。

抗拉强度：试样拉断前所能承受的最大应力值。

塑性：断裂前材料产生塑性变形的能力。

伸长率：试样断裂时的相对伸长量。

断面收缩率：试样断裂后截面的相对收缩量。

硬度：材料抵抗硬物压入其表面的能力。

布氏硬度：压痕面积大，不受微小不均匀硬度的影响，实验数据稳定，重复性好。但不适用于成品零件和薄壁零件的硬度检测。

洛氏硬度：将一个标准压头压入式样表面，再根据压痕的深度来确定式样的硬度。

操作迅速、简便，压痕面积小，适用于成品检验，但由于接触面积小，当硬度不均匀时，数值波动较大。需要多打几个点。取其平均值。

维氏硬度：将四棱锥体的金刚石压入式样表面，再测量压痕对角线长度，再根据所加压力和对角线平均长度查表得到硬度值。

测量精度、硬度测量范围大，尤其能很好的测量薄试样的硬度。

其他载荷作用下的力学性能

冲击韧度：材料抵抗冲击载荷的能力。

断裂能力：材料抵抗裂纹裂纹扩展的能力。

疲劳强度

磨损：机器运转时，任何零件在接触状态下的相对运动都会产生摩擦。导致零件磨损，最后失效。

第二章材料的组织结构

晶胞：晶体是周期性重复排列的，通常取出晶格中的一个基本单元来描述晶体构造。

晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。

体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角上和立方体中心各有1个原子。

面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角上和6个面的中心各有1个原子。

密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞如图所示，在六棱柱的上、下六角形面的顶角上和面的中心各有1个原子，在六棱柱体中间还有3个原子。具有这种晶格的金属有镁、锌、镉和铍等。

晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒

晶界：晶粒之间的交界面。

晶粒越细小，晶界面积越大。

多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。

晶体缺陷：在晶体内部及边界存在偏离晶体完整性的微观区域，称为晶体缺陷称晶体缺陷。点缺陷：空间三维尺寸都很小的缺陷。

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。

置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。

晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

线缺陷—晶体中的位错

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。

刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。

面缺陷—晶界

晶界是不同位向晶粒的过度部位。

晶体缺陷的影响：一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，而且晶体缺陷常常降低金属的耐腐蚀性能，可以通过腐蚀观察金属的各种缺陷。

合金：合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。

固溶体

合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。

固溶体的性能

随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降—称作固溶强化。

金属化合物

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。合金中出现金属化合物,可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。

结晶：金属从液态变为固态的过程。

细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称为细晶强化。

细晶强化的方法

增加液态金属结晶时的过冷度变质处理附加振动。

重结晶：金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。

共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应.

奥氏体：是碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体，用A或γ表示。由于γ—Fe为面心立方结构，γ–Fe的溶碳能力较强，在727℃时碳的溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶解度增大，到1148℃时达到最大2.11%，固溶强化效果较明显。

渗碳体：铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示。渗碳体的溶解度为6.69%，熔点为1227℃，不发生同素异构转变，硬度很高，而塑性、韧性极差。不能单独使用，但是碳钢中的主要强化相。

一次渗碳体Fe3CI（由液体中直接结晶生成，以带状分布）；

二次渗碳体Fe3CII（由奥氏体中析出，呈网状分布）；

三次渗碳体Fe3CIII（由铁素体中析出，呈断续片状分布）；

珠光体：是铁素体与渗碳体的机械混合物，用P表示。珠光体是共析反应的产物，其碳的质量分数为0.77％。由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此珠光体具有良好的力学性能。莱氏体：是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。莱氏体是共晶反应的产物，其碳的质量分数为4.3％。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。由于莱氏体中含渗碳体较多，其力学性能与渗碳体相近，属脆性组织。

相区

由前面Fe-Fe3C相图可以看出，全图中有四个单相图区：液相区（L）、奥氏体相区（A）、铁素体相区（F）和渗碳体相区（指DFK线）；五个两相：L+A区、L+ Fe3CI区、A+F区、A+Fe3C 和F+Fe3C区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F和Fe3C三相共存。

在简化Fe-Fe3C相图的十个特性点中，有五个个特别重要且具有特殊意义的点，即“C”点、“S”点、“E”点、“P”点和“Q”点。

“C”点为共晶点，在该点将要发生由一定成分的液相同时生成两个不同成分固相的转变，称为共晶转变。此时的液相成分为共晶点成份（wc =4.3%），转变温度为共晶点温度（1148℃），转变出的两种固相分别为A（wc=2.11%）和共晶Fe3C（wc=6.69%），他们所组成的机械混合物（A+Fe3C）称为共晶莱氏体，用符号“Ld”表示。

AC线：为液体向奥氏体转变的开始线。wc＜4.3%铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出固相奥氏体，即：L→A。

CD线：为液体向渗碳体转变的开始线。wc＞4.3%-6.69%之间的铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用“Fe3CI”表示。即：L →Fe3CI。

ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号“L”表示。

AE线：为液体向奥氏体转变的终了线。wc ＜2.11%的液体合金冷至此线，全部转变为单相奥氏体组织。

ECF水平线：为共晶线。碳质量分数wc＞2.11%-6.69%之间的液态合金冷至此线时，将在恒温（1148℃）下发生共晶转变，形成高温莱氏体。

AECF线统称为固相线，液体合金冷却此线全部结晶为固体，此线以下均为固相区。

ES线：又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。1148℃时奥氏体溶碳量最大为wc =2.11%，随着温度的降低，奥氏体的溶碳量逐渐减小，当温度降至727时，溶碳量减小至wc =0.77%。因此，凡是wc＞0.77%的铁碳合金，当温度由1148℃降至727℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体，用“Fe3CII”表示。即：A→ Fe3CII。

GS线：又称A3线，是wc ＜0.77%的铁碳合金固态冷却时，奥氏体向铁素体转变的开始线。随着温度的下降，转变出的铁素体量不断增多，剩余奥氏体的碳质量分数不断升高。

GP线：奥氏体向铁素体转变的终了线。wc ＜0.0218%的铁碳合金冷至此线时，奥氏体全部转变为单相铁素体组织。

PSK水平线：为共析线，又称A1线。wc ＞0.0218%的铁碳合金中的奥氏体冷却至此线时，将在恒温下发生共析转变，转变出珠光体组织。

PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。727℃时铁素体溶碳量最大为0.0218%，随着温度的降低，溶碳量不断减小，当温度降至室温时，溶碳量降至0.0008%。因此，wc ＞0.0218%的铁碳合金，从727℃降至室温时，均会由铁素体析出渗碳体，称为三次渗碳体，用“Fe3CIII”表示。由于Fe3C III数量极少，故一般在讨论中均忽略不计。