机械基础 第2版 教学课件 作者 胡家秀 第四章　金属材料与热处理常识.ppt

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1、第四章　金属材料与热处理常识第四章　金属材料与热处理常识材料是人类用以制作各种产品的物质。材料开发的品种、数量和质量是衡量一个国家现代化程度的重要标志。现代材料种类繁多，粗略统计，目前世界上的材料总和已达40多万种，并且每年还以约5％的速率增加。虽然现代工业中新型非金属材料的应用范围在不断扩大，并在工程材料中占有越来越重要的地位，但在工业生产中，应用最广的仍然是金属材料，在各种机器设备所用材料中，金属材料约占90％以上。因此，熟悉金属材料的性能，了解强化金属材料的方法，对于完成机械的设计与制造具有十分重要的意义。本章将重点介绍这方面的内

2、容，为独立进行机械设计制造准备必需的基本知识。第一节　金属材料的性能金属材料不但来源丰富，而且具有优良的使用性能与工艺性能，这是其长期占据工程材料主导地位的根本原因。使用性能包括力学性能和物理、化学性能。优良的使用性能可满足生产和生活中的各种需要。优良的工艺性能则使金属材料易于采用各种加工方法，以制成各种形状、尺寸的零件和工具。因此，在设计机械零件时，必须首先熟悉金属及合金的各种主要性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。一、物理性能金属及合金的主要性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性。由于机械零件的用途不同，对于其

3、物理性能的要求也有所不同。例如，飞机零件要选用密度小而又有相当强度的铝合金来制造；又如在设计电机、电器的零件时，要重点考虑金属的导电性等。金属材料的一些物理性能对于热加工工艺还有一定影响。例如高速钢的导热性较差，在锻造和热处理时就应采用较慢的加热速度，以防止产生裂纹；又如锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点各不相同，铸造时三者的熔炼工艺就有很大的不同。二、化学性能它是金属及合金在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抗化学侵蚀性，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或高温下工作的零件，由于其腐蚀作用比在空气中或常温下更为强烈，因

4、此在设计这类零件时，应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金，如化工设备、医疗机器等采用的不锈钢。三、工艺性能工艺性能是指在制造机械零件及工具的过程中，金属材料适应各种冷、热加工的性能，包括铸造性、可锻性、焊接性、热处理和可加工性等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。四、金属材料的力学性能机械零件或工具在使用过程中，往往要受到各种载荷的作用。金属材料在载荷作用时的性能称为金属材料的力学性能，它是设计机构零件或工具时的重要依据。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度等。1.强度与塑性强度是材

5、料抵抗变形和断裂的能力，塑性是材料产生变形而又不破坏的能力，它们是通过拉伸试验来测定的，这已在前一章介绍。它们的力学特性有：强度评价指标，弹性极限σe、屈服强度σs、抗拉强度σb;塑性评价指标，伸长率δ和断面收缩率ψ。其中，弹性极限是工作中不允许有微量变形的零件(如精密的弹性元件、炮筒等)设计与选材的重要依据；屈服强度σs是大多数机械零件设计与选材的主要依据；对于不允许产生过量塑性变形的零件和脆性材料的零件，设计时用抗拉强度σb为依据。2.硬度硬度是指材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力，它反映了材料局部的塑性变形抗力。硬度越高，材料抵抗塑

6、性变形的抗力越大，塑性变形越困难。因此，硬度指标和强度指标之间有一定的对应关系。硬度也是材料重要的力学性能指标。按检测方法，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。第二节　金属的晶相组织与铁碳合金相图固态物质按原子的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。它们的区别是：晶体的原子按一定几何形状作一般规则排列；非晶体的原子排列无序，作无规则排列。晶体一般有如下特征：具有固定的熔点(如铁为1538℃，铜为1083℃，铝为660℃)，且不同的方向上具有不同的性能，即晶体表现出晶体的各向异性。金属在固态时一般都是晶体。金属除具有晶体共有的特征外

7、，一般还具有金属光泽，优良的导电性、导热性和良好的塑性。此外，金属的电阻随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数。一、金属的晶体结构(一)晶体结构基本知识晶体中原子的排列可用X射线分析等方法测定。为了便于理解和描述晶体的结构，近似地将晶体中的原子视作固定不动的刚性小球，于是，晶体中最简单的原子排列情况如图4-1a所示。1.晶格用一些假想的几何线条将晶体各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子处在格架的结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架简称晶格，如图4-1b所示。2.晶胞由于晶体中原子有规则排列且有周期性的

8、特点，为便于讨论，通常只从晶体中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图4-1c所示。实际上，整个晶格就是由许多大小、形状、位