机械工程材料与热处理整理word版

机械工程材料与热处理

航空制造工程系

12107439

侯佳

第一篇机械工程材料基础

项目一材料性能的认识

1.1 材料的力学性能

2.2 材料的其他性能

项目二金属材料结构的认识

2.1 金属材料晶体结构

2.2 纯金属的结晶

2.3 合金的形成

1.1 材料的力学性能

1.1.1 强度与塑性

1. 强度及其指标

⑴强度：指金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

⑵强度指标：

①弹性极限:指试样产生完全弹性变形

时所能承受的最大应力。

②屈服极限：指试样在拉伸试验过程

中，力保持恒定仍能继续变形的应力。

③抗拉强度：指试样拉断前所能承受的

最大拉应力。

2. 塑性及其指标

⑴塑性：指金属在静载荷作用下不可逆变形的能力。

⑵塑性指标：

①断后伸长率：指试样拉断后的标距增长量

与原始标距之比。

②断面收缩率：指试样拉断后缩颈处横截面

面积的缩减量与原始截面面积之比。

1.1.2 硬度

⑴硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面（抵抗塑性变形和破裂）的能力。它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。

⑵根据其测试方法不同，硬度试验可分为：

ⅰ布氏硬度

①静压法ⅱ洛氏硬度（目前常用，下面介绍）

ⅲ维氏硬度

②划痕法（莫氏硬度）③回跳法（肖氏硬度）

④显微硬度⑤高温硬度等等

ⅰ布氏硬度（HB）

a 压痕大

特点：b 能客观反映被测金属的平均硬度

c 试验结果较准确，数据重复性强

缺点：压痕大，不宜测量成品或薄片金属

硬度。

ⅱ洛氏硬度（HR）

a 压痕小

特点：b操作迅速简单

c 对试样损伤小（常用来检验成品及半成

品）

压痕小，对内部组织

缺点：和硬度不均匀的材料，

所测结果不够准确。

ⅲ维氏硬度（HV）

a 适用范围宽（从极软到极硬都可以）

特点： b 结果精确可靠

缺点：测量效率低，没有洛氏硬度方便。

1.1.3 冲击韧性

1.冲击吸收功

①冲击载荷：在很短时间内（或突然）施加

在构件上的载荷。

②冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。

③冲击功：试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功（Ak）。

④冲击功Ak越大，材料的韧性越好。

⑤影响冲击功的因素：形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷。

1.1.4 疲劳

1.疲劳现象

指承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂的现象。

2.疲劳强度

a 改善设计结构

3.提高零件疲 b 避免零件应力集中

劳强度的方法； c 改善零件表面粗糙度

d 表面热处理（高频淬火）

e 表面形变强化

f 化学热处理

1.2 材料的其他性能

1.2.1 材料的物理化学性能

1. 材料的物理性能

⑴密度⑵熔点

⑶导热性⑷导电性

⑸热膨胀性⑹磁性

2. 金属的化学性能

⑴耐腐蚀性⑵抗氧化性

金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。

1.2.2 金属的工艺性能

⑴铸造性能⑵压力加工性能⑶焊接性能

⑷切削加工性能⑸热处理工艺性能

板、棒、

型材、管材焊接

铸锭-热锻-热轧机加工

冶炼-铸造锻件冷轧、冷拔、冷冲零件

铸件机加工

2.1 金属材料晶体结构

2.1.1 晶体与非晶体

1. 晶体：内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质。

晶体通常具有固定的熔点和各项异性等特性。

2. 非晶体：内部质点无规则地堆积在一起的物质。

非晶体材料往往没有固定的熔点，在各个方向的性能相同，即所谓各项同性。

3. 晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。

2.1.2 纯金属的晶体结构

1. 晶体结构的基本知识

⑴晶格⑵晶胞⑶晶格常数

a 体心立方晶格

(阿尔法-Fe、Cr、W、

V、Mo等)

2. 常见的晶格类型： b 面心立方晶格

（伽马-Fe、Al、Cu、

Ni、Au、Ag、Pb等）

c 密排立方晶格

（Mg、Zn、Be、Cd等）

2.1.3 实际晶格中的缺陷

1. 实际金属通常都是有很多外形不规则的小晶粒组成的，成为多晶体。

2. 晶体内部原子按照一定规律排列的很整齐，这种晶体成为理想晶体。

ⅰ点缺陷

3. 晶体的缺陷：ⅱ线缺陷

（按几何形状分）ⅲ面缺陷

ⅰ点缺陷

①当一个原子具有足够大的能量时，能克服周围

原子对它的牵制作用，脱离平衡位置而逃走，

使结构中出现了空结点，称为空位。

②当金属中含有杂质，而这些杂质原子又相当小

时，这些杂质原子往往存在于金属晶格的间隙

中，称为间隙原子。

③当异类原子占据晶格位置时，称为转换原子。

点缺陷使金属屈服点增高，影响了一部分物理

性能和化学性能。

ⅱ线缺陷

⑴位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。

①刃型位错：在晶体的某一水平面上，

多出一个半原子面，这个半原子面如

同刀刃一样插入晶体，称为刃型位错。

位错：②螺型位错：晶体上下两部分的原子排

列面在某些区域互相吻合的次序发生

错动，使不吻合的过渡区域原子排列

成螺旋形，称为螺型位错。

⑵位错密度增大，硬度（强度）提高。

⑶金属材料的塑性与位错的移动有关。

ⅲ面缺陷（主要指晶界与亚晶界）

⑴晶界：晶粒之间的界面。

⑵亚晶粒：每个晶粒都是由一些小晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。

⑶亚晶界：两个亚晶粒的边界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，称为亚境界。

⑷面缺陷使金属的强度和塑性提高。

2.2 纯金属的结晶

2.2.1 纯金属结晶过程

1. 过冷现象

⑴实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是结晶的一个必要条件。

⑵结晶温度通常采用热分析法测量。

2. 纯金属的结晶过程

⑴结晶过程总是从形成一些极小的晶体开始，这些细小晶体称为晶核。

⑵结晶基本过程：形核与其长大过程。

⑴自发型（均质形核）：仅

依靠自身的原子有规律排