工程材料及机械制造基础
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晶界 (Grain Boundary) 亚晶界 Sub-grain Boundary
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2. 纯金属的结晶
Crystallization of the Metal 结晶与凝固 2.1 金属结晶的条件
过冷现象—实际结晶时开始发生结晶的温度 低于理论结晶的现象
过冷度ΔT表示: V冷↑→ΔT↑
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1.2 金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
金属液体 开始形核
形核和长大同时进行
结晶结束
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2.3 铸态晶粒控制
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1.3 实际金属的晶体结构
原子排列有不规则地方，有缺陷 ➢ 点缺陷 Point Defect ➢ 线缺陷 Line Defect ➢ 面缺陷 Face Defect 缺陷→晶格畸变→材料性能
工程材料 Structure and Properties of the Metal
工程材料 Structure and Properties of the Metal
4. 冲击韧性 Impact Toughness
➢ 材料抵抗冲击载荷的能力 ➢ 冲击韧性（冲击韧度、冲击功） αk ➢ J/cm2
5.疲劳强度 Fatigue Strength
➢ 材料在一定次数循环作用后，而不 发生断裂的最大应力
工程材料 Steel and Cast Iron
一、铁碳状态图
1. 铁碳合金的基本相
Phases in the Fe-C alloy ➢ 铁素体F (α) ：C在α-Fe中的固溶体 ➢ 奥氏体A (γ) ： C在γ-Fe中的固溶体
固溶体：强度低、塑性好 ➢ 渗碳体Fe3C：间隙化合物 硬而脆
工程材料 Steel and Cast Iron
3.2 金属化合物
相的晶体结构与任意组元不同
➢ 一般具有复杂的晶格 ➢ 硬而脆，主要作为强化相
组织：金属的相组成、数量、大小、 分布形态，以及晶粒的粗细等
工程材料 Steel and Cast Iron
第三节 钢与铸铁
Steel and Cast Iron
钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量高于2.11%的铁碳合金
❖铍青铜 强度、硬度很高、无磁性、无火花 钟表、仪表、军用器材，价格高
工程材料 Basic Knowledge
❖ 铝青铜 耐海水腐蚀，船用螺旋桨
❖ 仿金铜 ❖ 德国银（镜铜）
1.3 其它
❖ Mg, Zn ❖ Ni, Co ❖ Ti ❖ W, Mo
工程材料 Basic Knowledge
2. 非金属 nonmetallic material ➢ 高分子材料 polymer
➢ 常用σ-1表示
工程材料 Structure and Properties of the Metal
二、 金属的组织
Structure of the Metal
组织决定性能 组织的观察方法 金属键
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1. 金属的晶体结构
2. 铁碳相图Phase Diagram of Fe-C
2.1 相变与相图
➢ 相变：合金加热或冷却中相与相发生转变 ➢ 相平衡：动态平衡 ➢ 相图：表达了不同成分和金相平衡关系
反映了合金系合金状态与成分、温度的关系 状态图
工程材料 Steel and Cast Iron
2.2. 铁碳相图
工程材料 Steel and Cast Iron
断面收缩率 Ψ Reduction of Area ➢ 塑性在哪里用？单位是什么？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3. 硬度 Hardness
➢ 材料表面抵抗硬物压入的能力 ➢ 布氏硬度 HB：单位面积上的力
铸铁、有色金属、退火钢 太薄、太硬的材料不适用
主要参考书 References
戴枝荣，《工程材料及机械制造基础 （I）——工程材料》，高等教育出版 社，1992
邓文英， 《金属工艺学（上册）》， 高等教育出版社，2000（第四版）
沈其文，《材料成型工艺基础》，华中 理工大学出版社，1999
第一章 工程材料 Engineering Material
第一节 概述 Basic Knowledge
工程材料：Materials applied for engineering structure and parts of machine
工程材料 Basic Knowledge
一、 工程材料的分类
1. 应用领域 2. 使用方式 3. 按物质结构
金属材料 metal 非金属材料 nonmetallic material 复合材料 composite material
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3.1 固溶体：基本相 相的晶体结构与溶剂元素相同
➢ 置换固溶体、间隙固溶体 ➢ 有限固溶体（端际固溶体）、无限固溶
体（连续固溶体） ➢ 固溶强化：由于形成固溶体而引起的强
度升高现象
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 颗粒增强复合材料 ➢ 层合材料
工程材料 Structure and Properties of the Metal
第二节 金属材料的组织和性能
Structure and Properties of the Metal
选用材料的依据——性能 ➢ 使用性能
力学性能、特殊性能 ➢ 工艺性能
与制造工艺有关
同素异构体 同素异构转变
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3. 合金的相结构
Phase Structure of the Alloy
➢ 合金 Alloy ：一种金属元素与其它元素 组成的具有金属特性的物质 组元，二元合金，多元合金
➢ 相Phase ：成分相同或连续变化、晶体 结构相同、并与其他部分以界面分开的 均匀组成部分
1.2 常见金属的晶体结构
➢体心立方 (b.c.c) Body-centred cubic lattice α-Fe, Cr, Mo, W, V等
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 面心立方 ( f.c.c) Face-centred cubic lattice γ-Fe, Cu, Al, Ni, Pb等
工程材料 Structure and Properties of the Metal
一、 金属材料的力学性能
Mechanical Properties of the Metal
➢ 材料在外力作用下的变化 ➢应力与应变
σ=P/F ε =ΔL/L
物理意义、指标、符号、单位、应用场合
工程材料 Structure and Properties of the Metal
工程材料及机械制造基础
Basic Knowledge for Engineering Materials and Their Shaping Technology
Introduction
1. Substance, Material 2. Main Shaping Technology 3. Fabrication and Manufacturing 4. About This Curriculum 5. About You and Me 6. Assessment
塑料、橡胶、尼龙等 比重小、弹性好、摩擦学特性、阻尼性能
➢ 陶瓷材料 ceramic
硬而脆，耐高温，特殊的理化性能 用于建筑和特殊场合Y-Ba-Cu-O
➢ 半导体wk.baidu.com木材、石墨
工程材料 Basic Knowledge
3. 复合材料 composite material 优异的力学性能
➢ 纤维增强复合材料 玻璃钢，C-C，防弹服
➢ 画法
❖ 坐标轴 ❖ 特性点 ❖ 共晶线ECF ❖ 共析线PSK ❖ 其它线
Crystal Structure of the Metal
1.1 基本概念
➢ 晶体(Crystal)：原子在三维空间作有规则
的、周期性排列
➢ 晶格(Crystal Lattice)：表示晶体中原子排
列形式的空间格子
➢ 晶胞 （Crystal Cell）：组成晶格最基本
的单位
工程材料 Structure and Properties of the Metal
❖ 比重轻（2.7）、导电导热性好、耐腐蚀 性、塑性好
❖ 强度低
➢ 铝合金
❖ 变形铝合金、铸造铝合金
工程材料 Basic Knowledge
➢ 变形铝合金
❖ 防锈铝LF 、硬铝LY 、超硬铝LC 、锻 铝LD
❖ 用于壳体、飞机蒙皮、建筑装饰材料
➢ 铸造铝合金 ZL
❖ 4个系列，铸造性能好 ❖ 轻型汽车汽缸、波导管
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 密排六方 (c.p.h) Close-packed hexagonal lattice Be , Mg, Zn 等
晶体的各向异性——单晶体在各个晶向 上具有不同的物理、化学和机械性能 为什么大部分金属是各向同性的？
1. 强度 Strength
➢ 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和 断裂的能力
➢ 抗拉强度σb Tensile Strength 屈服强度σs Yield Strength
➢ MPa
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2. 塑性 Plasticity
➢ 材料受力断裂前的最大塑性变形量 ➢ 材料产生塑性变形而不断裂的能力 ➢ 延伸率 δ Elongation
2.2. 铁碳相图
要求：会画，会用 p10, fig.1-14
➢ 特性点
❖ A 纯铁的熔点 1538℃ 0
❖ C 共晶点
1148℃ 4.3
❖ E 碳在奥氏体最大溶解度 2.11
❖ G 纯铁同素异构转变温度 912℃
❖ P 碳在铁素体最大溶解度 0.0218
❖ S 共析点
727 ℃ 0.77
工程材料 Steel and Cast Iron
硬度越高，压痕越？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 洛氏硬度 HRC、HRA 用于硬金属：淬火钢、硬质合金
洛氏硬度名称
使用的压头
载荷kg 应用范围
HRA
120°金刚石圆锥压头
60
70～85
HRB
1.588mm钢球
100 25～100
HRC
120°金刚石圆锥压头 150 25～65
工程材料 Basic Knowledge
1.2 铜合金
1.2.1 黄铜 ❖ 耐蚀、装饰，主要用于日用五金、 小弹簧 ❖ 普通黄铜、特殊黄铜 ❖ Cu-Zn合金，牌号H62，HPb59-1
工程材料 Basic Knowledge
1.2.2 青铜 ➢ 锡青铜： Cu-Sn合金
抗蚀、耐磨性好，制造轴瓦、轴套 ➢ 无锡青铜
工程材料 Basic Knowledge
二、 常用工程材料
1. 金属 metal 不透光、导电导热、有光泽、延展性好 优异的力学性能和工艺性能
钢铁材料 iron and steel 有色金属 nonferrous metal
工程材料 Basic Knowledge
1.1 铝及其合金
➢ 纯铝：电工材料
点缺陷
空位 Vacancy
置换原子
间隙原子
Substitution Atom Interstitial Atom
工程材料 Structure and Properties of the Metal
线缺陷 Dislocation
刃型位错 Edge Dislocation
工程材料 Structure and Properties of the Metal
晶粒细，强度就越高、塑韧性就越好
➢ 过冷度ΔT ➢ 孕育处理 ➢ 振动
减小晶核长大速率， 能否细化晶粒？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2.4 纯铁的凝固冷却过程
➢ 液态金属 ➢ δ-Fe(b.c.c) ➢ γ-Fe(f.c.c) ➢ α-Fe(b.c.c)
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2. 纯金属的结晶
Crystallization of the Metal 结晶与凝固 2.1 金属结晶的条件
过冷现象—实际结晶时开始发生结晶的温度 低于理论结晶的现象
过冷度ΔT表示: V冷↑→ΔT↑
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1.2 金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
金属液体 开始形核
形核和长大同时进行
结晶结束
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2.3 铸态晶粒控制
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1.3 实际金属的晶体结构
原子排列有不规则地方，有缺陷 ➢ 点缺陷 Point Defect ➢ 线缺陷 Line Defect ➢ 面缺陷 Face Defect 缺陷→晶格畸变→材料性能
工程材料 Structure and Properties of the Metal
工程材料 Structure and Properties of the Metal
4. 冲击韧性 Impact Toughness
➢ 材料抵抗冲击载荷的能力 ➢ 冲击韧性（冲击韧度、冲击功） αk ➢ J/cm2
5.疲劳强度 Fatigue Strength
➢ 材料在一定次数循环作用后，而不 发生断裂的最大应力
工程材料 Steel and Cast Iron
一、铁碳状态图
1. 铁碳合金的基本相
Phases in the Fe-C alloy ➢ 铁素体F (α) ：C在α-Fe中的固溶体 ➢ 奥氏体A (γ) ： C在γ-Fe中的固溶体
固溶体：强度低、塑性好 ➢ 渗碳体Fe3C：间隙化合物 硬而脆
工程材料 Steel and Cast Iron
3.2 金属化合物
相的晶体结构与任意组元不同
➢ 一般具有复杂的晶格 ➢ 硬而脆，主要作为强化相
组织：金属的相组成、数量、大小、 分布形态，以及晶粒的粗细等
工程材料 Steel and Cast Iron
第三节 钢与铸铁
Steel and Cast Iron
钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量高于2.11%的铁碳合金
❖铍青铜 强度、硬度很高、无磁性、无火花 钟表、仪表、军用器材，价格高
工程材料 Basic Knowledge
❖ 铝青铜 耐海水腐蚀，船用螺旋桨
❖ 仿金铜 ❖ 德国银（镜铜）
1.3 其它
❖ Mg, Zn ❖ Ni, Co ❖ Ti ❖ W, Mo
工程材料 Basic Knowledge
2. 非金属 nonmetallic material ➢ 高分子材料 polymer
➢ 常用σ-1表示
工程材料 Structure and Properties of the Metal
二、 金属的组织
Structure of the Metal
组织决定性能 组织的观察方法 金属键
工程材料 Structure and Properties of the Metal
1. 金属的晶体结构
2. 铁碳相图Phase Diagram of Fe-C
2.1 相变与相图
➢ 相变：合金加热或冷却中相与相发生转变 ➢ 相平衡：动态平衡 ➢ 相图：表达了不同成分和金相平衡关系
反映了合金系合金状态与成分、温度的关系 状态图
工程材料 Steel and Cast Iron
2.2. 铁碳相图
工程材料 Steel and Cast Iron
断面收缩率 Ψ Reduction of Area ➢ 塑性在哪里用？单位是什么？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3. 硬度 Hardness
➢ 材料表面抵抗硬物压入的能力 ➢ 布氏硬度 HB：单位面积上的力
铸铁、有色金属、退火钢 太薄、太硬的材料不适用
主要参考书 References
戴枝荣，《工程材料及机械制造基础 （I）——工程材料》，高等教育出版 社，1992
邓文英， 《金属工艺学（上册）》， 高等教育出版社，2000（第四版）
沈其文，《材料成型工艺基础》，华中 理工大学出版社，1999
第一章 工程材料 Engineering Material
第一节 概述 Basic Knowledge
工程材料：Materials applied for engineering structure and parts of machine
工程材料 Basic Knowledge
一、 工程材料的分类
1. 应用领域 2. 使用方式 3. 按物质结构
金属材料 metal 非金属材料 nonmetallic material 复合材料 composite material
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3.1 固溶体：基本相 相的晶体结构与溶剂元素相同
➢ 置换固溶体、间隙固溶体 ➢ 有限固溶体（端际固溶体）、无限固溶
体（连续固溶体） ➢ 固溶强化：由于形成固溶体而引起的强
度升高现象
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 颗粒增强复合材料 ➢ 层合材料
工程材料 Structure and Properties of the Metal
第二节 金属材料的组织和性能
Structure and Properties of the Metal
选用材料的依据——性能 ➢ 使用性能
力学性能、特殊性能 ➢ 工艺性能
与制造工艺有关
同素异构体 同素异构转变
工程材料 Structure and Properties of the Metal
3. 合金的相结构
Phase Structure of the Alloy
➢ 合金 Alloy ：一种金属元素与其它元素 组成的具有金属特性的物质 组元，二元合金，多元合金
➢ 相Phase ：成分相同或连续变化、晶体 结构相同、并与其他部分以界面分开的 均匀组成部分
1.2 常见金属的晶体结构
➢体心立方 (b.c.c) Body-centred cubic lattice α-Fe, Cr, Mo, W, V等
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 面心立方 ( f.c.c) Face-centred cubic lattice γ-Fe, Cu, Al, Ni, Pb等
工程材料 Structure and Properties of the Metal
一、 金属材料的力学性能
Mechanical Properties of the Metal
➢ 材料在外力作用下的变化 ➢应力与应变
σ=P/F ε =ΔL/L
物理意义、指标、符号、单位、应用场合
工程材料 Structure and Properties of the Metal
工程材料及机械制造基础
Basic Knowledge for Engineering Materials and Their Shaping Technology
Introduction
1. Substance, Material 2. Main Shaping Technology 3. Fabrication and Manufacturing 4. About This Curriculum 5. About You and Me 6. Assessment
塑料、橡胶、尼龙等 比重小、弹性好、摩擦学特性、阻尼性能
➢ 陶瓷材料 ceramic
硬而脆，耐高温，特殊的理化性能 用于建筑和特殊场合Y-Ba-Cu-O
➢ 半导体wk.baidu.com木材、石墨
工程材料 Basic Knowledge
3. 复合材料 composite material 优异的力学性能
➢ 纤维增强复合材料 玻璃钢，C-C，防弹服
➢ 画法
❖ 坐标轴 ❖ 特性点 ❖ 共晶线ECF ❖ 共析线PSK ❖ 其它线
Crystal Structure of the Metal
1.1 基本概念
➢ 晶体(Crystal)：原子在三维空间作有规则
的、周期性排列
➢ 晶格(Crystal Lattice)：表示晶体中原子排
列形式的空间格子
➢ 晶胞 （Crystal Cell）：组成晶格最基本
的单位
工程材料 Structure and Properties of the Metal
❖ 比重轻（2.7）、导电导热性好、耐腐蚀 性、塑性好
❖ 强度低
➢ 铝合金
❖ 变形铝合金、铸造铝合金
工程材料 Basic Knowledge
➢ 变形铝合金
❖ 防锈铝LF 、硬铝LY 、超硬铝LC 、锻 铝LD
❖ 用于壳体、飞机蒙皮、建筑装饰材料
➢ 铸造铝合金 ZL
❖ 4个系列，铸造性能好 ❖ 轻型汽车汽缸、波导管
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 密排六方 (c.p.h) Close-packed hexagonal lattice Be , Mg, Zn 等
晶体的各向异性——单晶体在各个晶向 上具有不同的物理、化学和机械性能 为什么大部分金属是各向同性的？
1. 强度 Strength
➢ 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和 断裂的能力
➢ 抗拉强度σb Tensile Strength 屈服强度σs Yield Strength
➢ MPa
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2. 塑性 Plasticity
➢ 材料受力断裂前的最大塑性变形量 ➢ 材料产生塑性变形而不断裂的能力 ➢ 延伸率 δ Elongation
2.2. 铁碳相图
要求：会画，会用 p10, fig.1-14
➢ 特性点
❖ A 纯铁的熔点 1538℃ 0
❖ C 共晶点
1148℃ 4.3
❖ E 碳在奥氏体最大溶解度 2.11
❖ G 纯铁同素异构转变温度 912℃
❖ P 碳在铁素体最大溶解度 0.0218
❖ S 共析点
727 ℃ 0.77
工程材料 Steel and Cast Iron
硬度越高，压痕越？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
➢ 洛氏硬度 HRC、HRA 用于硬金属：淬火钢、硬质合金
洛氏硬度名称
使用的压头
载荷kg 应用范围
HRA
120°金刚石圆锥压头
60
70～85
HRB
1.588mm钢球
100 25～100
HRC
120°金刚石圆锥压头 150 25～65
工程材料 Basic Knowledge
1.2 铜合金
1.2.1 黄铜 ❖ 耐蚀、装饰，主要用于日用五金、 小弹簧 ❖ 普通黄铜、特殊黄铜 ❖ Cu-Zn合金，牌号H62，HPb59-1
工程材料 Basic Knowledge
1.2.2 青铜 ➢ 锡青铜： Cu-Sn合金
抗蚀、耐磨性好，制造轴瓦、轴套 ➢ 无锡青铜
工程材料 Basic Knowledge
二、 常用工程材料
1. 金属 metal 不透光、导电导热、有光泽、延展性好 优异的力学性能和工艺性能
钢铁材料 iron and steel 有色金属 nonferrous metal
工程材料 Basic Knowledge
1.1 铝及其合金
➢ 纯铝：电工材料
点缺陷
空位 Vacancy
置换原子
间隙原子
Substitution Atom Interstitial Atom
工程材料 Structure and Properties of the Metal
线缺陷 Dislocation
刃型位错 Edge Dislocation
工程材料 Structure and Properties of the Metal
晶粒细，强度就越高、塑韧性就越好
➢ 过冷度ΔT ➢ 孕育处理 ➢ 振动
减小晶核长大速率， 能否细化晶粒？
工程材料 Structure and Properties of the Metal
2.4 纯铁的凝固冷却过程
➢ 液态金属 ➢ δ-Fe(b.c.c) ➢ γ-Fe(f.c.c) ➢ α-Fe(b.c.c)