工程材料及成形技术基础工程材料的结构与性能.ppt

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1、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-S、b、k、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。

2、,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，

3、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Popular Science 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,1.2.1 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

4、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 3 r3)a 3=0.68,原 子 数：n=818+1=2,原子半径：,晶 格：a,金 属：-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(43r3)a 3=0.74,原 子 数：n=818+612=4,原子半径：,晶 格：a,金 属：-Fe（9121394 的纯铁）、Cu、Al、Ni、

5、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=121/6+3+21/2=6 致 密 度：K=6（4/3r3）/=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：-Fe 在111方向上 E=290 000MPa 在001方向上 E=135 000MPa,1.3.2 实际晶体

6、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。

7、使位错难以运动，结果可以使晶体的强度、硬度提高。,（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,ABC,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

8、：,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）,AB 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

9、、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

10、、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：e 弹性极限 E=/,（2）s 是要求材料不发生明显塑性变形时的 设计参数,（3）b是要求材料不发生断裂时的设计参数,s、b-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 断面收缩率,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 H B,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、

11、铸铁 及有色金属 HBW适于测定淬火钢件,优点：准确；b=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What Really Sank The Titanic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

12、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,