工程材料及制造基础 第一讲 金属材料主要性能和晶体构造

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1、自我介绍:张锁梅，副教授，主讲课程：１．《工程材料及机械制造工艺基础》２．《机械制造工艺课程设计》科研方向：１．零件成形工艺的设计和优化；２．新材质的开发与钢的热处理）；３．毛坯制造技术的开发与研究；（尤其铸铁的研究）；４．冶金实验设备的设计与自动控制的开发。《工程材料及机械制造工艺基础》介绍四方面内容：一．金属材料的基础知识；二．铸造＿金属成形的一种方法；三．锻造＿金属的压力加工；四．焊接＿金属间永久性连接；五．切削加工＿使零件获得一定形状和尺寸要求；建议学习方法：１．理解和记忆名词术语；２．抓住各章节之间的联系；３．多看书，认真听，多

2、找老师！第一讲金属材料主要性能和晶体构造MainPropertiesandStructureofMetalMaterial一、金属材料性能Propertiesofmetalmaterial二、金属晶体构造Structureofmetalmaterial1、晶体结构2、金属结晶过程金属材料性能(PropertiesofMetalMaterial)（1）使用性能：(Application)机械性能（或力学）：强度、硬度、塑性和韧性等。物理性能：密度、导热和导电率等。化学性能：抗氧化、耐腐蚀性等。（2）工艺性能：(Technology)铸造、锻

3、造、焊接及热处理性能切削加工性能机械性能：受外力时材料所表现的特性。MechanicalProperties1、弹性和塑性（ElasticityandPlasticity)（1）弹性：除去外力材料能恢复原状。弹性极限：产生弹性变形的最大应力。σe=Pe/Fo(Pa)（2）塑性：材料受外力产生永久变形的能力。衡量：(Ductility)延伸率：δ=（L1-Lo)/Lo*100%截面收缩率：Ψ=(Fo-Fk)/Fo*100%屈服极限：材料开始产生塑性变形时应力。σs=Ps/Fo(Pa)图1：低碳钢拉伸曲线StrainStress2、刚性与强度

4、：（RigidityandStrength)（1）刚性：材料抵抗弹性变形能力。衡量：弹性模量E（拉伸曲线OE段斜率）（2）强度：材料抵抗变形或断裂能力。抗拉、抗弯、抗扭、抗剪和屈服强度等。b点处应力为抗拉强度：σb=Pb/FoPas点处应力为屈服强度：σs=Ps/FoPa注意：σs、σb为工程上常用指标。3、硬度：Hardness指材料抵抗更硬物体压入其内的能力。据测试方法不同有：布氏硬度（HB)Brinell洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)Rockwell图2：布氏、洛氏硬度测试方法4、冲击韧性：ImpactToughness材料抵抗

5、或承受冲击载荷能力。衡量：单位面积的冲击功,αk=Ak/F(J/m2)图3：冲击韧性的测试方法5、疲劳强度：(FatigueStrength)钢铁循环107以上材料不破坏最大应力。有色金属循环108以上。图4：疲劳曲线金属晶体构造(StructureofMetalMaterial)一、晶体结构(CrystalStructure)1、晶体：①原子按一定顺序呈有规则的排列。②具一定的凝固点和熔点。③各向异性。2、晶格：(Spacelattice)表示原子排列规则的空间格子。3、晶胞：(unitcell)组成晶格的最基本几何单元。4、晶格常数：

6、(constant)晶胞各边长度。金属典型的三种晶格类型：（Representative）1、体心立方：（BodyCentredCubic）铬、钼、α-Fe和钨等金属。2、面心立方：（Face）铜、铝、银、γ-Fe和金等金属。3、密排六方：（HexagonalClosePacked）铍、镁、锌、α-钛等。晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。图5：金属材料晶体结构、晶格及晶包二、金属结晶过程(SolidifyingProcess)（录像）1、结晶：金属从液态转变为固态。（1）过冷：金属在理论结晶温度以下结晶。（2）过冷度：△T=T理论结晶

7、－T实际结晶注意：△T不是恒定，V冷越快，△T越大。2、结晶有形核和长大过程（NucleationandGrainGrowth)（1）形核：自发晶核：原子自发聚集在一起。非自发晶核：依靠外来的固体质点。（2）长大：按晶格规律液体原子向晶核聚集过程。总之，金属的结晶过程包括形核与长大；它们既是交替进行的，又是同时存在的。三、有关晶粒、晶粒度知识晶粒：由一个晶核长成的小颗粒晶体。多晶体：（multi-由许多晶粒组成的晶体。晶界：晶粒间界面。单晶体：（single-由一个晶核长成的晶体。单晶锗和硅。注意：工业上绝大多数金属都属于多晶体。晶粒度：

8、晶粒的大小。金属的晶粒越细小，其综合性能越好。图7：单晶体与多晶体细化晶粒方法：（1）凝固时采取变质处理或孕育处理，（2）快速冷却，提高过冷度；（3）用机械振动、超声波振动或电磁搅拌等手段打碎