第一章 工程材料基础知识

学习目标：了解工程材料的分类；了解常用材料（钢铁）的生产过程及艺规格；熟悉材料使用中应具备的性能；了解材料内部结构对性能的影响。

本章导读：机电产品的制造过程，首先要解决的是根据产品的服役条件，分析对材料的性能要求，确定所用的材料。本章主要介绍材料的种类、生产过程、组织结构与性能。为学习工程材料及改性（热处理）打下基础。

第一节 工程材料的分类

工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制造零件和工具的材料。工程材料种类繁多，有如下常见分类方法。

按成分分类：金属材料、非金属材料、复合材料。

按用途分类：结构材料（如机械零件、工程构件）、工具材料（如量具、刃具、模具）、功能材料（如磁性材料、超导材料等）

按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料

第二节   钢铁生产简介

几个概念：

钢铁:是以Fe和C为主要组成元素，同时还含有Si、Mn、P、S等杂质元素的合金。包含生铁与钢。

生铁:碳质量分数较高（wc>2.11%），杂质元素的含量也较高的铁碳合金，生铁硬度高、性脆，很少直接使用。

钢:碳的质量分数较低（wc <2.11%），杂质元素的含量也较低的铁碳合金，钢一般具有较好的强韧性，是常用的金属材料。

钢材：钢锭或钢坯经压力加工成各种形状规格的钢材。

第三节   金属的性能

材料的性能包括工艺性能和使用性能两类。

力学性能：外力作用下所显示的抵抗能力（亦指……）

常用指标：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度等

一、强度

强度：材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力

拉伸试验：（GB/T228-2002）

（1）上（下）屈服强度  ReＨ(L)   （MPa）

（2）抗拉强度  Rm   （MPa）

强度的意义：Rｅ或Rm是选材与设计的主要依据；

二、塑性

塑性：是材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。

1．断后伸长率（A）    %

2．断面收缩率（Z）    %

塑性的意义：塑性加工，增加使用安全可靠性。

三、硬度

1．布氏硬度测量法

2．洛氏硬度测量法

四、冲击吸收功

静载荷和动载荷的区别

冲击吸收功   

影响因素：温度、组织

五、疲劳*

疲劳的概念:

原因及预防措施：减少疲劳源、使所受循环应力值小于疲劳强度。

疲劳极限s-1：是指定循环次数下失效的估计循环应力值。

第四节   金属的晶体结构与结晶

一、金属的晶体结构

1．纯金属的晶体结构

（1）晶格与晶胞

（2）常见金属的晶体结构

体心立方：α-Fe、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、β-Ti（883~1668℃）

面心立方：γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）

密排六方：镁（Mg）、锌（Zn）、α-Ti（温度低于883℃的钛）、镉（Cd）、铍（Be）

（3）晶体缺陷

2．合金的晶体结构

合金的基本概念：合金、组元、相

固态合金的结构：固溶体、金属化合物

（1）固溶体

概念：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体

固溶体分类：

固溶强化：提高合金的强度、硬度

（2）金属化合物

概念：合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相

性能特点：熔点高，性能硬而脆。金属化合物是不可缺少的强化相

二、金属的结晶

1．纯金属的结晶

过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即Tn<TO

过冷度：ΔT= T0-Tn。过冷度的大小与冷却速度有关。

结晶过程：晶核的形成、晶核的长大

多晶体：由许多个外形不规则的晶粒所组成的晶体结构

2．晶粒大小与控制措施

细晶强化：一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好

细化晶粒方法：增加过冷度、变质处理、附加振动

本单元自测题

拉伸试验机

洛氏硬度机

冲击试验机