工程材料第1章

1、工程材料(cilio)及成形技術(shù)基礎(chǔ) 王 麗機(jī)電(jdin)與信息工程學(xué)院共四十三頁(yè)緒論(xln)1.工程材料與成形技術(shù)的經(jīng)濟(jì)(jngj)地位 材料的應(yīng)用與成形技術(shù)是機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程的重要組成部分。材料的選用與成形工藝是機(jī)械零件獲得所需性能的重要保證。2.本課程在機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位和作用工程材料及成形技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課。共四十三頁(yè)共四十三頁(yè)氣缸(q n)體灰鑄鐵 鑄造曲軸(qzhu): 中碳鋼, 模鍛活塞:鋁合金,鑄造共四十三頁(yè)3.本課程的內(nèi)容和要求本課程以材料的成分工藝結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用這一材料普遍規(guī)律為主線，系統(tǒng)闡述金屬材料及其成形工藝的基本原理、基本知識(shí)和工程應(yīng)用三個(gè)層次

2、的內(nèi)容。在基本原理方面，主要明確三種關(guān)系：材料的三要素與使用性能的關(guān)系；材料改性及表面強(qiáng)化(qinghu)工藝與材料成分、性能間的關(guān)系；材料成形工藝與材料組織、性能間的關(guān)系。共四十三頁(yè)1.金屬材料金屬材料是最重要的工程材料，它包括金屬和以金屬為基的合金。由于金屬構(gòu)成原子的結(jié)合鍵基本上是金屬鍵，所以金屬材料皆為金屬晶體材料。工業(yè)生產(chǎn)中把金屬和合金分為兩大部分：黑色金屬鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)；有色金屬黑色金屬以外(ywi)的所有金屬及其合金。黑色金屬的應(yīng)用最為廣泛，以鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90以上。共四十三頁(yè)2.陶瓷材料陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要是金屬氧化

3、物和金屬非氧化物。由于(yuy)大部分無(wú)機(jī)非金屬材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫作硅酸鹽材料。按照成分和用途，工業(yè)陶瓷材料可分為：1）普通陶瓷（或傳統(tǒng)陶瓷）主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料。2）特種陶瓷（或新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷、精細(xì)陶瓷、先進(jìn)陶瓷）主要為高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等燒結(jié)材料。3）金屬陶瓷主要指用陶瓷生產(chǎn)方法制取的金屬與碳化物或其它化合物的粉末制品。 共四十三頁(yè)3.高分子材料高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能(xngnng)，很好的絕緣性能(xngnng)及重量輕等優(yōu)良性能(xngnng)，是工程上的發(fā)展最快的一類

4、新型結(jié)構(gòu)材料。高分子材料按其分子鏈排列有序與否，可分為結(jié)晶聚合物和無(wú)定型聚合物兩類。工程上通常根據(jù)高分子材料機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類：1）塑料主要指強(qiáng)度、韌性和耐磨性較好的、可制造某些機(jī)械零件或構(gòu)件的工程塑料。分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。2）橡膠通常指經(jīng)硫化處理的、彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。3）合成纖維指由單體聚合而成的、強(qiáng)度很高的聚合物，通過(guò)機(jī)械處理所獲得的纖維材料。 共四十三頁(yè)4.復(fù)合材料復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能是它的組成材料所不具備的。復(fù)合材料可以由各種不同種類的材料復(fù)合組成，所以它的結(jié)合鍵非常復(fù)雜。它在強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性方面

5、比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一種特殊的工程(gngchng)材料，具有廣闊的發(fā)展前景。 共四十三頁(yè)第1章 工程材料(cilio)的結(jié)構(gòu)與性能1.7工程材料(cilio)的性能1.4合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.2晶體材料的原子排列 1.1材料原子的相互作用共四十三頁(yè)1.1 材料(cilio)原子（或分子）的相互作用a)離子鍵b)共價(jià)鍵c)金屬鍵 d)分子(fnz)鍵圖1.1原子結(jié)合鍵的類型表當(dāng)原子相互靠近時(shí)，它們之間的相互作用以鍵合方式進(jìn)行。組成不同，材料的原子（或分子）結(jié)構(gòu)各不相同。共四十三頁(yè)表1.1四大(s d)類工程材料的原子間結(jié)合鍵及其性能特點(diǎn)以上(yshng)結(jié)合鍵的強(qiáng)度，離子鍵和共價(jià)

6、鍵最強(qiáng)，金屬鍵次之，分子鍵最弱。共四十三頁(yè)1.2 晶體材料(cilio)的原子排列當(dāng)材料處于固體狀態(tài)時(shí)，若組成(z chn)它的離子、原子或分子在三維空間呈有規(guī)則的長(zhǎng)距離（大大超過(guò)原子或分子尺寸）的周期性重復(fù)排列，即具有長(zhǎng)程有序，這一類固態(tài)物質(zhì)稱為晶體。它們離子、原子、分子規(guī)則排列的方式就稱為晶體結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)晶是一種介于晶體和非晶之間的固體。具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性.固態(tài)物質(zhì)原子的排列所具有的近程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的狀態(tài)共四十三頁(yè)圖1.2晶體中原子(yunz)排列示意圖1.晶格 為了便于描述晶體中原子排列規(guī)律，把晶體中的原子（或離子等）想象(xingxing)成幾何結(jié)點(diǎn)，

7、并用直線從其中心連接起來(lái)而構(gòu)成的空間格架，稱為晶格。一、理想晶體結(jié)構(gòu)共四十三頁(yè)同一點(diǎn)陣中選取不同的晶胞反映空間晶體排列方式(fngsh)的基本單元稱為晶胞根據(jù)晶胞的幾何形狀(xngzhun)和自身的對(duì)稱性，可以把晶體分為7大晶系，14種晶格。立方，四方，六方， 正交，單斜，三斜， 菱方共四十三頁(yè)共四十三頁(yè)點(diǎn)群表示晶體外形上的對(duì)稱關(guān)系，空間群表示晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的原子及離子間的對(duì)稱關(guān)系?？臻g群一共230個(gè)，它們分別屬于32個(gè)點(diǎn)群。晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性不能超出230個(gè)空間群的范圍，而其外形的對(duì)稱性和宏觀(hnggun)對(duì)稱性則不能越出32個(gè)點(diǎn)群的范圍。屬于同一點(diǎn)群的各種晶體可以隸屬于若干個(gè)空間群。空間(k

8、ngjin)群: 225 Fm3m晶系: 立方晶系晶格結(jié)構(gòu): 面心立方點(diǎn)群: 4/m 3 2/m 共四十三頁(yè)共四十三頁(yè)圖1.3三種(sn zhn)晶體結(jié)構(gòu)的晶胞示意圖2.常見(jiàn)(chn jin)的金屬晶體結(jié)構(gòu)共四十三頁(yè)3.晶面和晶向的表示(biosh)方法晶向：晶體中原子的位置、原子列 的方向晶面：原子構(gòu)成(guchng)的平面共四十三頁(yè)確定(qudng)步驟：（1）建立坐標(biāo)系（2）確定坐標(biāo)值（3）化整并加方括號(hào)圖1.4晶向指數(shù)的確定任意(rny)陣點(diǎn)P的位置可以用矢量或者坐標(biāo)來(lái)表示。晶向指數(shù)： u v w共四十三頁(yè)說(shuō)明(shumng)：1、晶向指數(shù)代表一組相互平行、方向一致的晶向。2、若兩晶向

9、平等，方向相反，則晶向指數(shù)數(shù)字相同符號(hào)相反。3、原子排列相同，空間位向不同的一組晶向稱為晶向族uvw共四十三頁(yè)晶面指數(shù)(zhsh):( h k l )圖1.5晶面指數(shù)的確定確定(qudng)步驟：（1）建立坐標(biāo)系（2）求截距（3）取倒數(shù)（4）化整并加圓括號(hào)共四十三頁(yè)說(shuō)明：1.晶面指數(shù)代表一組相互平行的晶面2.平行晶面，晶面指數(shù)相同(xin tn)或數(shù)字相同(xin tn)正負(fù)號(hào)相反。3.晶體中具有等同條件而空間位向不同的各晶面稱為晶面族hkl4.立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面垂直。共四十三頁(yè)圖1.6體心(t xn)立方晶格中幾個(gè)主要晶面和晶向共四十三頁(yè)例1共四十三頁(yè)例2共四十三頁(yè)圖1.5單晶

10、體與多晶體 二.實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)(jigu)1.單晶體與多晶體由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，同一(tngy)晶體的不同晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。共四十三頁(yè)2. 晶體缺陷（1）點(diǎn)缺陷圖1.6點(diǎn)缺陷共四十三頁(yè)圖1.7刃型位錯(cuò)的滑移(hu y)過(guò)程 圖1.8位錯(cuò)滑移的比喻（地毯(dtn)移動(dòng)） （2）線缺陷主要是位錯(cuò)，包括刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。共四十三頁(yè)（3）面缺陷(quxin)（晶界）圖1.8晶界圖1.9實(shí)際金屬(jnsh)晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)注意：在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶體缺陷并不是靜止不變的，而是隨著一定的溫度和加工過(guò)程等條件的改變而變動(dòng)。共四十三頁(yè)1.4 合金的晶體結(jié)

11、構(gòu)由兩種或兩種以上金屬(jnsh)元素，或金屬(jnsh)元素和非金屬(jnsh)元素組成的具有金屬(jnsh)性質(zhì)的物質(zhì)，稱為合金。1.4.1 合金的相、組織及其關(guān)系 合金的相是指合金中具有相同的物理、化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開(kāi)的物質(zhì)部分。合金組織是用金相顯微鏡觀察法，在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及各相大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系和構(gòu)造情況。共四十三頁(yè)關(guān)系：組織是合金的微觀形態(tài)，它是由合金中各相的形態(tài)所構(gòu)成的。當(dāng)材料成分一定(ydng)時(shí)，相同的相在不同處理?xiàng)l件下形成，會(huì)具有不同的形態(tài)，從而構(gòu)成不同的顯微組織。共四十三頁(yè)根據(jù)組成合金各元素間相互作用的不同，合金的相結(jié)構(gòu)(ji

12、gu)可分為固溶體和化合物。1.4.2 固溶體在固態(tài)下，合金組元間會(huì)相互溶解，形成在某一組元晶格中包含其它組元的新相，這種新相稱為固溶體。圖1.10固溶體晶體(jngt)示意圖結(jié)構(gòu)共四十三頁(yè)對(duì)合金性能的影響：固溶體固溶強(qiáng)化在固溶體中，溶質(zhì)原子的溶入將造成晶格畸變，隨著溶質(zhì)原子濃度增加，晶格畸變?cè)龃?zn d)，從而導(dǎo)致固溶體的強(qiáng)度和硬度升高，其它性能也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。性能特點(diǎn)：提高強(qiáng)度的同時(shí)仍保持良好的塑性和韌性。共四十三頁(yè)1.4.3 金屬間化合物當(dāng)合金中溶質(zhì)含量超過(guò)(chogu)固溶體的溶解度時(shí)，將析出新相。若新相的晶體結(jié)構(gòu)與合金其它組元相同，則新相是為另一個(gè)組元為溶劑的固溶

13、體。若新相不同于任一組元，則新相是組元間形成的一種新物質(zhì)化合物。共四十三頁(yè)對(duì)合金性能影響 ：化合物第二相強(qiáng)化化合物作為第二相可提高合金材料的強(qiáng)度，又稱為第二相強(qiáng)化，其效果主要取決于化合物的形態(tài)。若化合物在固溶體晶界呈網(wǎng)狀分布，合金的強(qiáng)度、塑性都下降，韌性明顯降低；若呈片狀或?qū)訝罘植迹擅黠@提高合金材料的強(qiáng)度和硬度，但塑性和韌性有所下降；若呈彌散質(zhì)點(diǎn)（顆粒(kl)）分布，可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性下降不大，所以也稱為彌散強(qiáng)化或顆粒強(qiáng)化，這是最有利的形態(tài)。共四十三頁(yè)一.工程材料的力學(xué)性能材料在外力作用下所表現(xiàn)出的各種性能稱為力學(xué)性能。常見(jiàn)有強(qiáng)度、硬度、塑性等。1.強(qiáng)度指在外力作用下材料

14、抵抗變形(bin xng)和斷裂的能力。1.7 工程(gngchng)材料的性能共四十三頁(yè)1），彈性模量，工程(gngchng)上叫剛度2）e 彈性極限3）s 屈服極限4）b 強(qiáng)度極限單位是MPa圖1.12低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變(yngbin)曲線 （1）靜載時(shí)的強(qiáng)度1）彈性卸載后試樣的變形立即消失即恢復(fù)原狀，這種不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。共四十三頁(yè)（2）變載時(shí)的強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指在大小和方向重復(fù)循環(huán)變化的載荷作用下，材料抵抗(dkng)斷裂的能力。在理論上，是抵抗(dkng)斷裂的最大應(yīng)力，用1表示。 （3）高溫強(qiáng)度金屬材料在高于一定溫度長(zhǎng)時(shí)間的工作，承受的應(yīng)力即使低于屈服點(diǎn)s，也會(huì)出現(xiàn)緩慢塑性

15、變形，這就是所謂的蠕變。蠕變極限是材料在給定(i dn)溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力.持久強(qiáng)度是指材料在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi),使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力共四十三頁(yè)2.塑性金屬的塑性指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久性變形而不破壞其完整性的能力。用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示。 100%，100%L0、A0分別表示原始長(zhǎng)度(chngd)和截面積 、越大，表示材料的塑性越好。共四十三頁(yè)3.硬度硬度是在外力作用(wi l zu yn)下，材料抵抗局部塑性變形的能力。布氏硬度洛氏硬度維氏硬度圖1.13三種硬度(yngd)的測(cè)試原理 共四十三頁(yè)內(nèi)容摘要工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)。材料的三要素與使用性能的關(guān)系。金屬材料是最重要的工程材料，它包括金屬和以金屬為基的合金。陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要是金屬氧化物