第一章的原子结合方式及性能介绍ppt课件.ppt

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1、第一章 材料的原子结合方式及性能,第1节 固态物质的原子结合键第2节 工程材料的分类第3节 工程材料的性能,第一节 固态物质的原子结合键,构成材料的基本单元?,原子、分子或离子,性能,内部构造,原子种类和数量,原子的排列方式和空间分布,成分,组织,结构,一、晶体与非晶体 （1）晶体 固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。 几乎所有金属、大部分的陶瓷以及一些聚合物。 特点： 1）结构有序（排列紧密、高对称性） 2）物理性质表现为各向异性 3）有固定的熔点 4）规则的几何外形,长程有序,（2）非晶体：原子无序排列 特点： 1）结构无序 2）物理性质表现为各向同性 3）没有固定的熔点 4）热导率

2、和热膨胀性小 5）塑性变形大 6）组成的变化范围大,玻璃体,短程有序,（3） 晶体和非晶体间的相互转化两者在某些条件下可以相互转化。金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属玻璃）。非晶态的玻璃经高温长时间加热又可形成晶体玻璃。,硅表面原子排列 碳表面原子排列 非晶 准晶,二、原子间的结合力与结合能,原子的结合能愈大，键的结合力愈强。,三、原子间结合键的类型, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金

3、属。,金属键与金属晶体,金属键示意图,钼的结构,金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成,特点：,在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时相邻原子各提供一个电子形成共用电子对，以达到稳定的电子结构,共价键示意图,金刚石结构,共价键与原子晶体,共价键与原子晶体,原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和

4、性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、 脆性大、导电性差。如陶瓷材料。, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，从而形成离子晶体,离子键示意图,氯化钠结构,离子键与离子晶体,离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体：硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。 如NaCl。, 2003 Brooks/Cole

5、 Publishing / Thomson Learning,特点：,在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。,分子键与分子晶体,范德瓦尔力：外层电子稳定的原子或分子之间存在的一种微弱结合力分子键：分子与分子通过偶极之间的吸引力结合在一起的方式材料特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。,表1-1不同结合键能的比较,由表可知，离子键结合能最高，共价键其次，金属键第三，范德瓦尔键最弱。因此，具有不同结合键的材料的特性也有明显的差异。,第二节 工程材料的分类,2、按结晶状态分：单晶体材料多晶体材料非晶体

6、材料,1、按用途分：建筑材料电工材料结构材料,3、按物理性能分：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、压电材料、压敏材料、声电材料、光电材料等等,本课程主要研究：用于机械结构和机械零件的 机械工程材料 。,机械工程材料,金属材料,高分子材料,陶瓷材料,复合材料,黑色金属,有色金属,铸铁,碳钢,合金钢,铝合金,铜合金,其它有色金属,塑料,橡胶,合成纤维,传统陶瓷,特种陶瓷,金属基复合材料,高分子基复合材料,陶瓷基复合材料,一、金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。工业上把

7、金属和其合金分为两大部分：（1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。,二、高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑料、合成纤维、橡胶。,特点高分子材料它具有良好的塑性、较强的耐蚀性、很好的电绝缘性、重量轻、减振性好及密度小等优良性能和无机非金属材料一样，高分子材料按其分子链排列有序与否，可分为结晶聚合物和无定形聚合物两类结晶聚合物的强度较高，结晶度取决

8、于分子链排列的有序程度,三、陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点 缺点是脆性很大。,四、复合材料 由两种或两种以上不同材料的组合而成，其性能优于其组成材料,钛基复合材料,橡塑复合材料,第三节 工程材料的性能,使用性能：材料在使用条件下所表现出来的性能，包括力学、物理和化学性能。工艺性能：制造工艺过程中，材料适应加工的能力。,一、力学性能 材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力 和应变 。 单位面积上的作用力 单位长度的变形,l0试样的原始标距长度； l试样受力变形后

9、的标距长度。,F所加载荷（N）；A0试样的原始截面积（mm2）；,MPa,材料的力学性能包括哪些？,1、拉伸实验（ GB6397-1986 ）,在拉伸试验机上，使试样承受轴向拉力P并使试样缓慢拉伸，直至试样断裂。,图1 标准拉伸试样,图2 拉伸试样出现颈缩现象,图3 拉伸式样断裂,图4 断口低倍放大像（SEM）,图5 断口高倍放大像（SEM）,屈服强度,力伸长曲线,b,屈服,弹性变形,断裂,塑性变形,a,e,f,c,缩颈,抗拉强度,弹性极限,延伸率：断面收缩率：,A2-5% 属脆性材科A5-10% 属韧性材料A10% 属塑性材料,1）刚性指标 ：弹性模量E 单位：GPa,刚度是指金属材料受外力

10、作用时，抵抗弹性变形的能力,在弹性范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，用符号E表示,a. E越大，表示在一定的应力作用下弹性变形越小，即刚度越大。b. E的大小主要决定于材料的原子结合力，即E是材料是固有属性。c. 相同材料的零件，截面尺寸大的不易发生弹性变形。,e,e,O,低碳钢应力-应变曲线,oe：弹性变形阶段,试样的应力与应变成正比。 卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。,e：弹性极限,2）强度指标 ：屈服强度s 抗拉强度b,单位：MPa(N/mm2),强度是指金属材料在外力作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力,屈服强度s：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。表征材料抵抗微量塑性变形的能

11、力。抗拉强度b：金属材料拉断前所能承受的最大应力。,脆性材料拉伸曲线上没有水平线段，难确定屈服点S，规定试样产生0.2%残余塑性变形时的应力值,称为该材料的条件屈服强度,屈强比，其值一般0.65-0.75。屈强比越小，工程构件的可靠性越高。屈强比越大，材料强度利用率越高，但可靠性降低。,b,s,O,s,b,低碳钢应力-应变曲线,sb：强化阶段,b：抗拉强度,表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。,试样发生明显而均匀的塑性变形。,b,O,Z,b,低碳钢应力-应变曲线,bz：缩颈阶段,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降，最后断裂。,z,1000MPA,46%,13%,41%,420MPA,

12、220MPA,汽车车身各部位用钢量及用钢强度（ ）,3）塑性指标 ：伸长率 、断面收缩率,应用中：10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0,金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并且零件在使用中偶然过载，将产生一定塑性变形，而不致突然断裂，从而提高了零件使用的可靠性。,s,e,e,O,s,低碳钢应力-应变曲线,es：塑性变形阶段 （屈服阶段）,应力与应变间不再成正比，出现屈服齿。 卸去载荷，试样的变形只能部分恢复，保留一部分残余变形。 载荷不增加时，试样的变形量仍自动增大。,s,e,e,O,s,低碳钢应力-应变曲线,es：塑性变形阶段 （屈服阶段）,s：屈服强度（屈服点）,对于

13、无明显屈服的塑性材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。,0.2：名义屈服强度,b,s,e,e,O,s,z,b,oe：弹性变形阶段es：塑性变形阶段 （屈服阶段）sb：强化阶段bz：缩颈阶段z：断裂,低碳钢应力-应变曲线,2.硬度:材料抵抗另一硬物压入其内的能力， 即受压时抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕或划痕）的能力。,洛氏硬度 HR,维氏硬度 HV,布氏硬度 HB,常用硬度指标,（1） 布氏硬度（HB) 一定直径D的球体(淬火钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，根据压痕面积，确定硬度大小。,（1） 布氏硬度（HB) 布氏硬

14、度值用球面压痕单位表面积上所承受 的平均压力来表示。 当用淬火钢球压头时，450，HBS。 当用硬质合金球时，450600，HBW。,布氏硬度实验示意图,布氏硬度试验原理图,注意： FN； D、dmm。,特点：一般来说，布氏硬度值越小，材料越软，其压痕直径越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其压痕直径越小。优点：具有较高的测量精度，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。缺点：布氏硬度使材料表面压痕大，不宜测成品或薄片的硬度，常测铸铁、有色金属、低合金结构钢等坯料硬度。,（2） 洛氏硬度HR将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0

15、和总载荷F )的作用下压入金属表面。总载荷F 为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后, 测量其残余压入深度h，用h与h0之差h，来计算硬度值大小。,洛氏硬度测量原理图,测试过程硬度和压痕深度的关系？材料硬，压坑深度浅，则硬度值高；材料软，压坑深度深，则硬度值低。,洛氏硬度压痕,根据试验材料硬度的不同，分3种不同的标度来表示：HRA：采用60kg载荷和钻石锥压入器求得硬度 用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB：采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得硬度 用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC：采用150kg载荷和钻石锥压入器求得硬度 用于硬度很高的材料(如淬火钢

16、等)。,（3） 维氏硬度HV,维氏硬度试验原理,HV=,F试验力，单位为N（kgf）。d压痕对角线长度的平均值（mm）。,维氏硬度实验示意图,（3） 维氏硬度HV,优点：压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，精度最高的，同时重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。 测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料。维氏硬度计试验的试验力可以小到10gF，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。 缺点：试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。,（4）其他硬度（自学）a肖氏硬度 又名回跳硬度。b莫氏硬度,动载主要两

17、种形式:载荷以较高速度施加到零件上,形成冲击，如冲头；载荷大小和方向呈周期性变化，形成交变载荷，如齿轮。,3、冲击韧性 ： 冲击韧性ak,冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下，抵抗断裂的能力,冲击实验（GB 229-84）,k=G(H1-H2)*9.8/S (J/m)式中：k冲击韧度值； G 实验机摆锤质量； H1摆锤原始高度； H2冲断试样后摆锤的终止摆动高度； S试样断口处的横截面积。,冲击韧性的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关。,k越大，冲击韧性越大,韧脆转变温度,T，ak急剧韧性脆性,金属材料的韧脆转变温度越低，材料的低温冲击韧性愈好。,TITANIC的沉没与船体材料

18、的质量直接有关,建造中的Titanic,4、断裂韧性,低应力脆断：有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。裂纹原因韧性脆断的评定,当K1达到临界值（断裂韧度）K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,KI=,Y为与裂纹形状、加载方式及试样尺寸有关的量；为外加拉应力，单位为MPa；a为裂纹长度的一半，单位为m。,裂纹扩展可分为张开型(型)、滑开型(型)和撕开型(型),5、疲劳强度,零件在循环应力的作用，即使工作时承受应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的交变应力后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳极限-1:表示金属材料

19、在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。,N,-1,有限寿命,无限寿命,钢材的循环次数 N = 107有色金属的循环次数 N = 108,夹杂物放射棱线和疲劳弧线,疲劳源,瞬断区,扩展区,高周疲劳断口,航空涡喷6发动机叶片疲劳断口 （歼击机）,叶片疲劳条带,汽轮机机组第10级动叶片断裂失效,A裂源区,B疲劳裂纹扩展区,C瞬时断裂区,D剪切纯区,二、物理性能（补充）,密度熔点热容热膨胀性导热性磁性导电性介电常数,物理性能,1. 密度：单位体积物质的质量。 轻金属：铝、镁、钛及它们的合金 重金属：铁、铅、钨等2. 熔点：材料的熔化温度。 纯金属都有固定的熔点。3. 热容：在没有体积变化时，温度变化

20、1时材料热量的变化。,4. 热膨胀性：材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 线膨胀系数：每变化1时，引起材料长度上相对膨胀量的大小。 体膨胀系数：每变化1时，材料体积的变化和摄氏零度时体积的比值。,注意：各个参数的量纲。 lm,5. 导热性：导热性通常用热导率来衡量。金属的导热性以银为最好, 铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性。导热性好的金属散热也好。6. 导电性：传导电流的能力，用电阻率来衡量。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。,7. 磁性：材料在磁场中的性能。 磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材

21、料。 8. 介电常数：表示绝缘材料电性能的物理量。,三、化学性能,耐腐蚀性高温抗氧化性抗老化性降解性,化学性能,Def: 制造工艺过程中，材料适应加工的能力。,四、工艺性能,铸造性可锻性焊接性切削加工性,工艺性能,1.铸造性 材料能充满比较复杂的铸型，并能获得优良铸件的能力。 用流动性、收缩性和偏析来衡量。,典型铸造工艺示意图,2. 可锻性（锻造性） 材料是否易于进行压力加工的性能（也即材料用锻压加工方法成形的适应能力）。 可锻性取决于的塑性和变形抗力。,锻造,冷冲,3.焊接性 材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的能力。 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。碳含量和合金元素含量越高, 焊接

22、性能越差。 铜合金、铝合金、灰口铸铁的焊接性能较差。,电弧焊,气焊,4.切削加工性 材料是否易于切削加工的性能。 一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。,5.热处理工艺性 钢的热处理工艺性主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严。铜合金只有几种可以用热处理强化。,作业：P20 1-2,1-5,谢 谢！,b,O,Z,b,低碳钢应力-应变曲线,bz：缩颈阶段,z：条件断裂强度,表示材料对塑性的极限抗力。,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降，最后断裂。,z,洛氏硬度测量原理图,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,