工程材料及成形技术基础 工程材料的结构与性能课件

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工程材料的结构与性能应重点掌握----金属的三种典型晶体结构;实际金属中的三类晶体缺陷;合金的相结构2.认识表征材料的力学性能指标符号----σS、σb、δ、αk、HB、HRC学习重点： 机械工程材料的特点（与生活材料比）性能指标高寿命长加工性能好一般都不是天然材料应牢记：材料性能取决于组织 离子键：硬度高，强度大，导电性差，脆性大。许多陶瓷完全或部分通过离子键结合。1.1金属的结构范德华键：低熔点、低硬度，易压缩。石墨、塑料、橡胶通过范德华键结合。金属键：良好的导电、导热性和塑性，有光泽。许多金属均以金属键结合。共价键：硬度高,熔点高，强度大，导电性差。许多陶瓷是完全和部分通过共价键结合。 复合材料：两种或两种以上材料的组合四大类工程材料：金属材料：黑色金属（铁、铬、锰及其合金）和有色金属（铜，镁、钛、铝等及其合金）由金属+金属或非金属组成高分子材料：橡胶、塑料、合成纤维由碳氢化合物组成无机非金属材料：陶瓷、特种陶瓷由（金属+非金属）化合物组成 金属、陶瓷和高分子相互组成复合材料 我们见得最多的复合材料就是钢筋混凝土。混凝土由碎石、水泥和砂组成，混凝土有较高的抗压强度，但抗拉和抗弯强度低，不能作为各种梁的材料。在混凝土中加钢筋，提高了混凝土的抗拉和抗弯强度，因而才能在建筑和桥梁结构中使用。所以，在单一材料不能满足需要时，人们常常把两种或两中以上的材料组合起来，使复合后的材料在强度、刚度等性能上有大幅度提高。随科学技术的进步，在高新技术领域里，复合材料的应用就愈来愈多。所以我们应充分重视复合材料的应用。船体采用了高强度复合材料，使船的重量减至5220公斤，航速高达44.5公里/时（选自PopularScience中文版1998年6月） 按用途可将材料分为结构材料和功能材料§1.3材料的分类第1页第2页习题种类特点用途举例结构材料使用时主要考虑材料的各种力学性能，如强度、硬度和韧性等。房屋和桥梁用钢材和混凝土、汽车底盘、发动机材料，飞机机翼和机身用铝材，塑料座椅等。功能材料使用时主要考虑材料的电学、磁学、光学和热学等物理和化学性能。信息技术的主体材料，如计算机硬盘的磁记录材料和芯片的硅基片和其上的各种薄膜材料，光缆的光导纤维，人工器官和各种保温材料等。第1页第2页习题backtotop 1.2.1理想晶体结构1.2晶体材料的原子排列1.晶格晶格晶胞晶格常数（a、b、c,、、） 根据晶胞参数的特征，可将所有晶体分为七种晶系十四种晶格（三斜、单斜、正交、六交、菱方、四方、立方） 2.常见的金属晶体结构（90%以上）致密度K：表示晶格中原子排列的紧密程度的参数，指晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积之比.晶胞原子数：指一个晶胞内所含的原子数目.原子半径：指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半.晶格尺寸：立方晶系只用一个数值a即可表示. （1）体心立方晶格（bcc） 致密度：K=2×(4／3πr3)／a3=0.68原子数：n=8×1／8+1=2原子半径：晶格：a金属：α-Fe（912℃以下的纯铁）、Cr、W、Mo、V等 （2）面心立方晶格（fcc） 致密度：K=4×(4／3πr3)／a3=0.74原子数：n=8×1／8+6×1／2=4原子半径：晶格：a金属：γ-Fe（912～1394℃的纯铁）、Cu、Al、Ni、Au等 （3）密排六方晶格（hcp） 金属：Mg、Zn、Be、Ca等晶格：正六边形a，高c，轴比c/a=1.633原子半径：r=a/2原子数：n=12×1/6+3+2×1/2=6致密度：K=6×（4/3πr3）/=0.74 晶面指数晶向指数3.晶面和晶向的表示方法 体心立方面心立方密排面（110）（111）密排方向[111][110]各向异性：由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一晶体（单晶体）的不同晶面和晶向上各种性能也会不同的现象如：α-Fe在[111]方向上E=290000MPa在[001]方向上E=135000MPa 1.3.2实际晶体结构1.单晶体与多晶体:多晶体具有晶界 晶粒的大小与制造、处理方法有关，且对材料的性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好。多晶体：由于各个晶粒的位向紊乱，其各向异性显示不出来，结果使多晶体呈现各向同性(伪无向性)单晶体：各向异性。它具有较高的强度、抗蚀性、导电性等，在半导体、磁性材料、高温合金材料等方面得到应用，是今后材料的发展方向之一。 2.晶体缺陷(1)点缺陷：空位、间隙原子和置换原子等。 (2)线缺陷：刃型位错模型主要是位错，位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。 刃型位错会吸引间隙原子和置换原子向位错区聚集。使位错难以运动，结果可以使晶体的强度、硬度提高。 晶粒（单晶体）晶界（3）面缺陷:有晶界、亚晶界 亚晶界亚晶界 1.4.1合金的相、组织及其关系相是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分1.4合金的晶体结构合金组织是用金相显微镜观察法，在金属及合金内部看到的涉及各相大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。相(形貌、多少、大小、分布）构成组织决定合金性能 光学显微镜扫描电镜 间隙固溶体1.4.2固溶体A＋B＝C,但C与A或B的晶格类型、性能很相似置换固溶体 晶格畸变固溶强化，即合金的强度、硬度增加，塑性、韧性下降 3.间隙化合物：1.正常价化合物：常见于陶瓷材料。2.电子化合物：熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。间隙相——简单晶格，如VC、W2C，具有极高的熔点和硬度，同时脆性也很大，是高速钢和硬质合金中的重要强化相间隙化合物——复杂结构，如Fe3C（渗碳体）是铁碳合金中重要组成相，具有很高的熔点和硬度，脆性较大也是钢中重要的强化相之一。但效果稍弱于间隙相1.4.3金属间化合物（中间相）A＋B＝C，但C完全不同于A或B组元 1.固溶体与固溶强化固溶体:在提高强度同时仍保持其良好的塑性和韧性。可常用于制造各种冷成形件。1.4.4合金性能2.化合物与第二相强化化合物为高熔点、高硬度和高脆性，因此是作为第二相与固溶体组成复相合金材料，称此为第二相强化。希望其呈细小颗粒状均匀分布，工具钢中常用。 1.7工程材料的性能近年分析了1912年泰坦尼克号冰海沉船事件后证实，是钢材的脆性断裂导致她的迅速沉没。象汽车弹簧这样受到反复载荷的零件，会在长期使用后失效或断裂。这是材料的疲劳现象。这种材料能承受多大载荷；在承载时会产生多大的变形。这就涉及材料的强度问题。有一些材料，如钢、铝、塑料等，常常用来制作一些结构件，如：桥梁、汽车车轴和飞机机翼等。 材料的性能:包括使用性能和工艺性能使用性能:力学(机械)性能、物理性能化学性能工艺性能:切削加工、铸造、锻压、焊接和热处理性能 1.7.1力学性能 E为材料的刚度，主要取决于材料成分，反映了材料内部原子间结合键的强弱,而材料的组织变化对其无明显影响。1.强度（1）弹性和刚度：σe——弹性极限E=σ/ε （2）σs——是要求材料不发生明显塑性变形时的设计参数（3）σb——是要求材料不发生断裂时的设计参数σs、σb------对组织敏感的参数，合金化、热处理、冷(热)加工对其会产生很大的影响。2.塑性---延伸率δ断面收缩率ψ压力加工的前提提高零件使用的可靠性,防止突然断裂 3.硬度——是材料抵抗局部变形的能力1）布氏硬度HB 2）洛氏硬度HRC 3)维氏硬度HV HRC：HB：HBS——适于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属HBW——适于测定淬火钢件优点：准确；σb=K×HBS缺点：不适于成品件和薄件；麻烦优点：方便；可软、硬金属，也可薄件；压痕小;适于成品件缺点：重复性差 韧性 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国《科学大众》杂志发表了文章，标题是『WhatReallySankTheTitanic』付标题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。作者出示了两个冲击试验结果。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。 Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 这是建造中的Titanic号，由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证 物化性能 比强度：飞机常选用铝合金作为结构材料；子弹头灌铅以增加惯性（铅的密度12）熔点：铅的熔点为600K——做保险丝镍的熔点为1726K——做高温合金钨的熔点为3680K——做电极材料热膨胀系数：精密机械要求热膨胀系数小导电性：长距离传输电流的金属导线能使电功率损耗降到最小；陶瓷绝缘体必须能防止导体之间产生电弧 高温抗氧化性：陶瓷比金属好 工艺性能 铸造性能 锻压性能 焊接性能 切削性能