《工程材料学》课件

1、 绪绪 论论 工程材料按其性能特点分为：工程材料按其性能特点分为：结构材料结构材料和和功能材料功能材料 按化学材料分类法对工程材料进行分类按化学材料分类法对工程材料进行分类 工程材料工程材料 金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料 黑色金属材料黑色金属材料 有色金属材料有色金属材料 氧化物氧化物 陶瓷陶瓷 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 塑料塑料 橡胶橡胶 合成纤维合成纤维 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 树脂基复合材料树脂基复合材料 铸铁铸铁 钢钢 面向二十一世纪，新材料的发展趋势如下：面向二十一世纪，新材料的发展趋势如下： 1、继续

2、重视高性能的新型金属材料；、继续重视高性能的新型金属材料； 2、结构材料趋向于复合化；、结构材料趋向于复合化； 3、低维材料正在扩大应用；、低维材料正在扩大应用； 4、非晶（亚稳态）材料日益受到重视；、非晶（亚稳态）材料日益受到重视； 5、功能材料迅速发展；、功能材料迅速发展； 6、特殊条件下应用的材料；、特殊条件下应用的材料； 7、材料的设计及选用计算机化。、材料的设计及选用计算机化。 本课程的内容有金属学热处理学金属材料三方面组成，本课程的内容有金属学热处理学金属材料三方面组成， 基本要求如下：基本要求如下： 1、在金属学方面：、在金属学方面： 了解金属和合金的组织结构、结晶过程、塑性变形

3、与了解金属和合金的组织结构、结晶过程、塑性变形与 再结晶以及二元合金的基本理论再结晶以及二元合金的基本理论 2、在热处理方面：、在热处理方面： 了解钢材的热处理基本原理和工艺，以及热处理工艺了解钢材的热处理基本原理和工艺，以及热处理工艺 在零件加工过程中的地位和作用，以便能根据零件的技在零件加工过程中的地位和作用，以便能根据零件的技 术条件正确选定热处理工艺方法，合理按排工艺路线。术条件正确选定热处理工艺方法，合理按排工艺路线。 3、在金属材料方面、在金属材料方面 掌握常用的碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、轴承合掌握常用的碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、轴承合 金等金属材料的成分组织性能和用途的基

4、本知识，以金等金属材料的成分组织性能和用途的基本知识，以 便合理选用金属材料。便合理选用金属材料。 第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶 一、概念一、概念 晶体晶体其原子呈规则排列的物体。其原子呈规则排列的物体。 晶格（点阵）晶格（点阵）把表示晶体中原子排列形式的空间子。把表示晶体中原子排列形式的空间子。 晶胞晶胞组成晶格的这种最基本的几何单元。组成晶格的这种最基本的几何单元。 （二）面心立方晶格（共有（二）面心立方晶格（共有14个原子）个原子） 其晶胞是由八个原子构成的立方体，但在其立方体的其晶胞是由八个原子构成的立方体，但在其立方体的 每一面的中心还有一个原子。每一面的中心还有一个

5、原子。 具有这种晶格的金属有：铝、铜、镍、铅等。具有这种晶格的金属有：铝、铜、镍、铅等。 二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格 （一）体心立方晶格（共有（一）体心立方晶格（共有9个原子个原子） 具有这种晶格的金属有：铁、铬、钼、钨、钒等。具有这种晶格的金属有：铁、铬、钼、钨、钒等。 其晶胞是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的其晶胞是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的 体积中心还有一个原子。体积中心还有一个原子。 （三）密排六方晶格（共有（三）密排六方晶格（共有17个原子）个原子） 其晶胞中十二个金属原子分布在六方体的十二个角其晶胞中十二个金属原子分布在六方体的十二个角 上，在上

6、下底面的中心各分布一个原子，上下底面之上，在上下底面的中心各分布一个原子，上下底面之 间均匀分布三个原子。间均匀分布三个原子。 如图如图1-4所示。所示。 具有这种晶格的金属有铍（具有这种晶格的金属有铍（Be）、镁（）、镁（Mg）、锌）、锌 （Zn）、镉（）、镉（Cd）等。）等。 三、金属的实际结构和晶体缺陷三、金属的实际结构和晶体缺陷 （一）概念：一）概念： 1、单晶体单晶体晶体的内部晶格位向完全一致。晶体的内部晶格位向完全一致。 2、晶粒晶粒外形不规则的小晶体。外形不规则的小晶体。 3、多晶体多晶体由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。 4、晶界晶界晶粒与晶粒之间的接触界面晶粒与

7、晶粒之间的接触界面。如如图图1-8 、 1-9所示。所示。 5、亚晶（嵌镶块）亚晶（嵌镶块）在晶格位向上彼此有微小差别的在晶格位向上彼此有微小差别的 晶内小区域晶内小区域 （二）晶格缺陷（二）晶格缺陷 （3）面缺陷面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。 四、金属的结晶四、金属的结晶 按其几何形式的特点可分为三类：按其几何形式的特点可分为三类： （1）点缺陷点缺陷在三维尺度上都很小的，不超过几个原在三维尺度上都很小的，不超过几个原 子直径的缺陷。子直径的缺陷。 最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。 （2）线缺陷线缺陷二维

8、尺度很小而第三维尺度很大的缺二维尺度很小而第三维尺度很大的缺 陷（位错）。陷（位错）。 凝固凝固一切物质从液态到固态的转变过程。一切物质从液态到固态的转变过程。 结晶结晶通过凝固能形成晶体结构。通过凝固能形成晶体结构。 结晶过程结晶过程金属从液态转变为固态（晶态）的过程。金属从液态转变为固态（晶态）的过程。 一次结晶一次结晶把金属从液态转变为固体晶态的过程。把金属从液态转变为固体晶态的过程。 图1-4 液体和晶体在不同温度下的自由能变化 T0 二次结晶二次结晶（或重结晶）（或重结晶）把金属从一种固体晶态转变为另把金属从一种固体晶态转变为另 一种固体晶态的过程。一种固体晶态的过程。 温度 时间

9、T 纯铜的冷却曲线 纯铜的熔点（又称理论结晶温度） 开始结晶温度 段-液态金属逐渐冷却 bcd段-温度低于理论结晶温度 T-过冷度 de段-金属正在结晶 段-金属全部转变为固态晶体 后，金属晶体逐渐冷却 T1 T1 1、纯金属结晶的条件、纯金属结晶的条件 自由能自由能物质中能够自动向外界释放出多余的或能够对外物质中能够自动向外界释放出多余的或能够对外 作功的这一部分能量。作功的这一部分能量。 液态金属要结晶必须过冷。过冷是指液态金属实际冷液态金属要结晶必须过冷。过冷是指液态金属实际冷 却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。它表明金属在液态却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。它表明金属在液态 和固态之间存在一个自由能差。这个能量差就是促使液体和固态之间存在一个自由能差。这