工程材料第1章

1、工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ) 王 麗機電與信息工程學(xué)院緒論1.工程材料與成形技術(shù)的經(jīng)濟地位 材料的應(yīng)用與成形技術(shù)是機械制造生產(chǎn)過程的重要組成部分。材料的選用與成形工藝是機械零件獲得所需性能的重要保證。2.本課程在機械類專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位和作用工程材料及成形技術(shù)是機械類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課。氣缸體灰鑄鐵 鑄造曲軸: 中碳鋼, 模鍛活塞:鋁合金,鑄造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、基本知識和工程應(yīng)用三個層次的內(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；材料改性及表面強化工藝與材料成分、性能

2、間的關(guān)系；材料成形工藝與材料組織、性能間的關(guān)系。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結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90以上。2.陶瓷材料陶瓷材料屬于無機非金屬材料，主要是金屬氧化物和金屬非氧化物。由于大部分無機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

3、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、精細陶瓷、先進陶瓷）主要為高熔點的氧化物、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。 3.高分子材料高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強度，良好的塑性，較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性能及重量輕等優(yōu)良性能，是工程上的發(fā)展最快的一類新型結(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)晶聚合物和無定型聚合物兩類。工程上通常根據(jù)高分子材料機械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類：1）塑料主要指強度、韌性和耐磨性較好的、可制造某些機械零件或構(gòu)件的工程塑料。分為熱

4、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、強度很高的聚合物，通過機械處理所獲得的纖維材料。 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。它在強度、剛度和耐腐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一種特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。 第1章 工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.7工程材料的性能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1.1 材料原子（或分子）的相互作用

5、a)離子鍵b)共價鍵c)金屬鍵 d)分子鍵圖1.1原子結(jié)合鍵的類型表當(dāng)原子相互靠近時，它們之間的相互作用以鍵合方式進行。組成不同，材料的原子（或分子）結(jié)構(gòu)各不相同。表1.1四大類工程材料的原子間結(jié)合鍵及其性能特點以上結(jié)合鍵的強度，離子鍵和共價鍵最強，金屬鍵次之，分子鍵最弱。1.2 晶體材料的原子排列當(dāng)材料處于固體狀態(tài)時，若組成它的離子、原子或分子在三維空間呈有規(guī)則的長距離（大大超過原子或分子尺寸）的周期性重復(fù)排列，即具有長程有序，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)有的平移對稱性.

6、固態(tài)物質(zhì)原子的排列所具有的近程有序、長程無序的狀態(tài)圖1.2晶體中原子排列示意圖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）想象成幾何結(jié)點，并用直線從其中心連接起來而構(gòu)成的空間格架，稱為晶格。一、理想晶體結(jié)構(gòu)同一點陣中選取不同的晶胞反映空間晶體排列方式的基本單元稱為晶胞根據(jù)晶胞的幾何形狀和自身的對稱性，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， 菱方點群表示晶體外形上的對稱關(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稱關(guān)系?？臻g群一共230個，它們分別屬于32個點群。晶體結(jié)構(gòu)的對稱性不能超出230個空間群的范圍，而其外形的對稱性和宏觀對稱

7、性則不能越出32個點群的范圍。屬于同一點群的各種晶體可以隸屬于若干個空間群?？臻g群: 225 Fm3m晶系: 立方晶系晶格結(jié)構(gòu): 面心立方點群: 4/m 3 2/m 圖1.3三種晶體結(jié)構(gòu)的晶胞示意圖2.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)3.晶面和晶向的表示方法晶向：晶體中原子的位置、原子列 的方向晶面：原子構(gòu)成的平面確定步驟：（1）建立坐標(biāo)系（2）確定坐標(biāo)值（3）化整并加方括號圖1.4晶向指數(shù)的確定任意陣點P的位置可以用矢量或者坐標(biāo)來表示。晶向指數(shù)： u v w說明：1、晶向指數(shù)代表一組相互平行、方向一致的晶向。2、若兩晶向平等，方向相反，則晶向指數(shù)數(shù)字相同符號相反。3、原子排列相同，空間位向不同的一組晶向稱

8、為晶向族uvw晶面指數(shù):( h k l )圖1.5晶面指數(shù)的確定確定步驟：（1）建立坐標(biāo)系（2）求截距（3）取倒數(shù)（4）化整并加圓括號說明：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)相同或數(shù)字相同正負號相反。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。圖1.6體心立方晶格中幾個主要晶面和晶向例1例2圖1.5單晶體與多晶體 二.實際晶體結(jié)構(gòu)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。2. 晶體缺陷（1）點缺陷圖1.6點缺陷圖1.7刃型位錯的

9、滑移過程 圖1.8位錯滑移的比喻（地毯移動） （2）線缺陷主要是位錯，包括刃型位錯和螺型位錯。（3）面缺陷（晶界）圖1.8晶界圖1.9實際金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)注意：在實際晶體結(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程等條件的改變而變動。1.4 合金的晶體結(jié)構(gòu)由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質(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。關(guān)系：組織是

10、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)材料成分一定時，相同的相在不同處理條件下形成，會具有不同的形態(tài)，從而構(gòu)成不同的顯微組織。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)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固溶體晶體示意圖結(jié)構(gòu)對合金性能的影響：固溶體固溶強化在固溶體中，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，晶格畸變增大，從而導(dǎo)致固溶體的強度和硬度升高，其它性能也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。性能特點：提高強度的同時仍保持良好的塑性和韌性。1.4.3 金屬間化

11、合物當(dāng)合金中溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將析出新相。若新相的晶體結(jié)構(gòu)與合金其它組元相同，則新相是為另一個組元為溶劑的固溶體。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。對合金性能影響 ：化合物第二相強化化合物作為第二相可提高合金材料的強度，又稱為第二相強化，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，合金的強度、塑性都下降，韌性明顯降低；若呈片狀或?qū)訝罘植?，可明顯提高合金材料的強度和硬度，但塑性和韌性有所下降；若呈彌散質(zhì)點（顆粒）分布，可以提高合金的強度和硬度，而塑性和韌性下降不大，所以也稱為彌散強化或顆粒強化，這是最有利的形態(tài)。一.工程材料的力學(xué)性能材料在

12、外力作用下所表現(xiàn)出的各種性能稱為力學(xué)性能。常見有強度、硬度、塑性等。1.強度指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力。1.7 工程材料的性能1），彈性模量，工程上叫剛度2）e 彈性極限3）s 屈服極限4）b 強度極限單位是MPa圖1.12低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 （1）靜載時的強度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。（2）變載時的強度疲勞強度是指在大小和方向重復(fù)循環(huán)變化的載荷作用下，材料抵抗斷裂的能力。在理論上，是抵抗斷裂的最大應(yīng)力，用1表示。 （3）高溫強度金屬材料在高于一定溫度長時間的工作，承受的應(yīng)力即使低于屈服點s，也會出現(xiàn)緩慢塑性變形，這就是所謂的蠕變。蠕變極限是材料在給定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)