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机械设计—补２材料 主讲教师: 陈 奂 Email: chenhuan42@ Tel : 上海交通大学技术学院 2009.３ §1 金属材料 §1.1 金属材料的性能 一、金属材料在静载荷下的力学性能 二、 交变应力作用下材料的疲劳强度 三、工艺性能 §1.2 晶体结构与金属性能的关系 §1.3 铁-碳平衡图 §1.4 钢的热处理 §1.5 常用金属材料的分类与牌号 §1 铁碳合金 机械工程中间使用的材料应该具有良好的力学性能、工艺性能、化学稳定性和所需的物理性能。 机械设备中使用的材料金属制品占据80~90%，由于合金的优良性能，在金属材料中得到广泛应用，其中最常用的是铁碳合金。它价格低廉，因此，本章主要介绍铁碳合金。 铁碳合金的力学性能、热处理、牌号是本章的重点。 §1.2 晶体结构与金属性能的关系 金属材料的性能（尤其力学性能）不仅决定于它们的化学成分，还决定于它们的内部组织结构。金属的组织结构即其晶粒大小、分布情况以及晶粒内原子的排列、凝聚状态。所以本节先研究晶体的结构与结晶过程， 一、结晶过程 晶体：金属内原子呈现规律性排列称为晶体，每个单晶体叫晶粒，晶粒之间的分界面称为晶界，金属和合金一般为多晶体。 结晶过程：（图1-6）孕育----生核----长大----耗尽 §1.2 晶体结构与金属性能的关系一、结晶过程（续） 3.晶体的力学性能 晶粒细小，力学性能好。 单个晶粒的力学性能各向异性，。多晶体的性能是其平均值，晶粒分布（如球状、片状、针状）会影响力学性能。 晶界是相邻晶粒的过渡层，原子排列紊乱，析出杂质常集中在此，力学性能的低谷。 二、晶体结构晶粒内原子的排列、凝聚状态 1.同素异构转变 晶格：由晶粒内原子的排列规则虚拟而成的几何格架。、不同晶格晶粒的力学性能不同。 同素异构转变：在固态下发生晶格变化的过程。 晶格变化也是----生核----长大----的过程，所以叫再结晶，再结晶时有体积变化，产生组织应力。同素异构转变可逆 二.、晶体结构（续） 2.合金晶体结构：合金有不同化学种类、成分的原子，因此原子之间就有不同的凝聚状态，晶粒力学性质就不相同。 3.晶体之间的排列状态（称为相）常见的相有三种 固溶体，（原子互相溶解的固体。） 金属化合物，（晶体结构复杂，硬而脆，如Fe3C） 机械混合物 再结晶可以改变合金晶体的结构和排列，从而获得不同的力学性能， §1.3 铁-碳平衡图 一、铁-碳合金的基本组织 奥氏体A：碳溶入面心立方晶格铁（γ—Fe）的固溶体，高温组织。硬度较低、塑性较高。 铁素体F ：碳溶入体心立方晶格铁（α—Fe）的固溶体，硬度低、塑性好，常温组织。 渗碳体如Fe3C，极硬而脆， 珠光体P：铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物，强度好。 （渗碳体为球状称珠光体P，为针状称索氏体，为点状称托氏体） 低温莱氏体L‘d ：珠光体P和渗碳体Fe3C的机械混合物，硬而脆，常温时经过二次再结晶组织。 二、铁-碳平衡图应用 相图特征点：Ａ/G/Ｅ/Ｓ 确定不同成分铁-碳合金的常温组织。确定铁-碳合金再结晶温度（浇注温度、锻打温度），温度过高，容易形成粗大晶粒；过低，无法实现再结晶． 了解不同成分铁-碳合金在不同温度时的相及其比例。 了解各成分铁-碳合金在加热和冷却时的组织转变过程。 三、铁-碳合金 1.工业分类： 纯铁 含碳量小于0.021%的铁-碳合金，是铁素体组织，塑性好，硬度、强度低 钢：含碳量在0.021%~2.1%之间的铁-碳合金，是珠光体P和铁素体F、渗碳体Fe3C的机械混合物，强度、硬度、塑性都比较好，工程上广泛运用。 低、中（0.3~0.5%）、高碳钢 铸铁，含碳量高于2.1%的铁-碳合金，渗碳体含量高，硬度高、脆，塑性、强度差。 2. 强化铁-碳合金性能的措施 1）合理选择铁-碳合金的含碳量，碳以渗碳体的状态存在，渗碳体的数量、形状、大小、分布不同，钢的组织就不同，性能差异就很大。渗碳体多、细、均匀、球化，则强度高；含碳量高，则塑性差，硬度、强度高 2. 强化铁-碳合金性能的措施（续） 2）加入合金元素，促使晶粒细化，晶格歪斜，可以提高强度、硬度 3）去除S、P等有害元素，这些元素的金属化合物SFe、PFe很脆，分布在晶界。 4）进行热处理，改变金属组织，利用再结晶细化晶粒，再结晶相变时由于体积不同，还会产生组织应力。 §1.4 钢的热处理一、概述 1.定义：将钢在固态范围内，适当加热、保温、冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺方法。 钢的热处理是在不改变金属材料成分的前提下，利用再结晶原理改变金属组织结构和性