第一章材料结构与性能

1、工程材料及成形技术基础工程材料及成形技术基础十五国家规划教材，北京市精品教材十五国家规划教材，北京市精品教材吕广庶吕广庶 张远明张远明 主编主编课件课件 草稿草稿绪论绪论 材料与成形技术的经济地位材料与成形技术的经济地位 材料的发展史材料的发展史 材料的分类材料的分类 本课程在人才培养中的地位和作用本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求本课程的内容和要求第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能 1.11.1材料原子的相互作用材料原子的相互作用 1.21.2晶体材料的原子排列晶体材料的原子排列 1.31.3非晶态材料中的原子排列非晶态材料中的原子排列 1.41.4合金的晶

2、体结构合金的晶体结构 1.51.5高聚物的结构高聚物的结构 1.61.6陶瓷的结构陶瓷的结构 1.71.7工程材料的性能工程材料的性能 本章小结本章小结 1.1材料原子的相互作用材料原子的相互作用第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能离子键离子键 共价键共价键 金属键金属键 分子键分子键原子结合键类型原子结合键类型1.21.2晶体材料的原子排列晶体材料的原子排列1.2.1理想晶体结构理想晶体结构 1).晶格晶格 2).常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构 3).晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法1.2.2实际晶体结构实际晶体结构 1).单晶体与多晶体单晶体与多晶体 2).晶

3、体缺陷晶体缺陷第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能原子排列模型原子排列模型晶格晶格晶胞晶胞1.2.1理想晶体结构理想晶体结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能 晶体、非晶体晶体、非晶体 晶格、点阵、阵点、晶面、晶向、常见金属晶体结构晶格、点阵、阵点、晶面、晶向、常见金属晶体结构2).常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能XYZ3) 晶向和晶面的表示方法晶向和晶面的表示方法晶面第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能 晶向和晶面的表示方法分别采用晶面指数晶向和晶面的表示方法分别采用晶面指数(hkl)(

4、hkl)和晶向指数和晶向指数uvwuvw形式（以立方晶系为例）。形式（以立方晶系为例）。 晶向指数（晶向指数（hkl)hkl)的确定方法是：的确定方法是：以晶胞的某一阵点为原点，三个基以晶胞的某一阵点为原点，三个基 矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作 为三个坐标的单位长度；为三个坐标的单位长度； 过原点作一直线过原点作一直线OPOP，使其平行于待，使其平行于待 标志的晶向标志的晶向AB,AB,在直线在直线OPOP上选取距原点上选取距原点O O最近的一个最近的一个 阵点阵点P P，确定，确定P P点的坐标值；点的坐标值；将此值乘以最小公倍数化为最小整将此值乘以最小公

5、倍数化为最小整 数数u,v,w,u,v,w,加上方括号，加上方括号，uvwuvw即为即为ABAB的晶向指数。的晶向指数。晶面指数的确定方法晶面指数的确定方法第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能-ZYXZ-YX(326)在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶向指数时相同，但不能在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶向指数时相同，但不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上；将坐标原点选在待确定指数的晶面上；以点阵基矢长度为单位，量出以点阵基矢长度为单位，量出待定体晶面在各坐标轴上截距；待定体晶面在各坐标轴上截距；取三个截距的倒数，并以最小取三个截距的倒数，并以最小公倍数乘这三个倒数，得到三

6、个公倍数乘这三个倒数，得到三个最小的整数最小的整数h、k、l;将求得的将求得的h、 k、 l用圆括号括用圆括号括起来，（起来，（hkl)即为该晶面的晶面即为该晶面的晶面指数。指数。单晶体的各向异性单晶体的各向异性 单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性能也度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为各向异性不同，这种现象称为各向异性。第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.2.2实际晶体结构实际晶体结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能单晶体单晶体多晶体

7、多晶体晶粒晶粒晶界晶界2).晶体缺陷种类晶体缺陷种类第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能亚晶界亚晶界第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能晶体缺陷的影响晶体缺陷的影响晶体缺陷 晶体缺陷的出现晶体缺陷的出现, ,将使其周围的晶格产生畸变将使其周围的晶格产生畸变, ,而晶格畸变使材而晶格畸变使材料的强度、硬度等力学性能和电阻率、耐蚀性等物理及化学性能发料的强度、硬度等力学性能和电阻率、耐蚀性等物理及化学性能发生改变。生改变。第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.31.3非晶态材料中的原子排列非晶态材料中的原子排列1.3.1短程有序短程有序1.3.2亚

8、稳态性亚稳态性1.4.1合金的相结构、组织极其关系合金的相结构、组织极其关系1.4.2固溶体固溶体1.4.3金属间化合物金属间化合物1.4.4合金性能合金性能1.4合金的晶体结构合金的晶体结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能 溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体1.4.2固溶体固溶体第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.4.3金属间化合物金属间化合物 1)正常价化合物正常价化合物 2)电子化合物电子化合物 3)间隙化合物间隙化合物1.4.4合金性能合金性能 1)1)固溶体与固溶强化固溶体与固溶强化 2)2)化合物与第二相

9、强化化合物与第二相强化第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.5高聚物的结构高聚物的结构 高聚物又称高分子化合物高聚物又称高分子化合物, ,通常由一种或几种简单的通常由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很大，一般在低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很大，一般在10104 410107 7的范围内。的范围内。 高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大分子高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大分子链的形态、和大分子的聚集态结构。链的形态、和大分子的聚集态结构。 1.5.11.5.1大分子链的结构大分子链的结构 1.5.21.5.2高聚物的聚集态结构高聚物的聚集

10、态结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.5.1大分子链的结构大分子链的结构 大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接方式、大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型等。空间构型等。 1)1)结构单元的化学组成：由结构单元的化学组成：由C C、H H、N N、O O、SiSi等元素构成。其中等元素构成。其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚物。碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚物。 2)2)结构单元的键接方式和链的构型（头结构单元的键接方式和链的构型（头_ _尾连接、头尾连接、头_ _头连接、头连接、尾尾_ _尾连接等

11、连接方式；空间构型有全同立构、间同立构和无规立尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同立构和无规立构构 3)3)大分子链的形态大分子链的形态： （大分子链的几何形态、大分子链的构（大分子链的几何形态、大分子链的构象及柔顺性象及柔顺性）第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能大分子链的几何形态大分子链的几何形态第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能线型线型带有支链带有支链体型体型1.5.2高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.6 陶瓷的结构陶瓷的结构 陶瓷的基本相结构主要有陶瓷的基本相结构主要有: :晶相、玻璃相、

12、气相等。晶相、玻璃相、气相等。其组织示意图见下图其组织示意图见下图 陶瓷的性能主要取决于晶相。陶陶瓷的性能主要取决于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物、瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物。非氧化物。 第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.7工程材料的性能工程材料的性能第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.7.1工程材料的力学性能工程材料的力学性能 1. 强度强度 2. 塑性塑性 3. 硬度硬度 4. 冲击韧性冲击韧性 5. 断裂韧性断裂韧性 6. 耐磨性耐磨性 7.粘弹性粘弹性1.7.2工程材料的物理性能工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化学性

13、能工程材料的化学性能1.7.4工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能1.强度强度第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1)静载时的强度静载时的强度 (1) 弹性和刚度弹性和刚度 (2) 屈服点屈服点 (3) 抗拉强度抗拉强度2)变载时的强度变载时的强度3)高温强度高温强度应变应变/%应力应力低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能2.塑性塑性 材料在外力的作用下材料在外力的作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称为产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。其大小用伸长率塑性。其大小用伸长率和断面收缩率和断面收缩率来表示。来表示。 %1000

14、01LLL%100010AAA3.硬度硬度第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能布氏硬度原理布氏硬度原理洛氏硬度原理洛氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度原理硬度硬度第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能布氏硬度用布氏硬度用HB表示表示:当试验压力的单位为当试验压力的单位为kgf时时)(222dDDDFDhFFFHB凹当试验压力的单位为牛顿当试验压力的单位为牛顿(N)时时)(2102. 022dDDDFHB低碳钢低碳钢:b=3.53HB,高碳钢高碳钢: b=3.33HB,合金调质钢合金调质钢: b=3.19HB灰铸铁灰铸铁: b=0.98HB,退火铝合金退火铝合金: b=

15、4.70HB硬度硬度第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能符号符号压头类型压头类型压力压力Kgf硬度值硬度值有效范围有效范围应用举例应用举例HRC120金刚石圆锥金刚石圆锥1502060HRC淬火钢件淬火钢件HRB1/16inch淬火钢球淬火钢球10025100HRB软钢、退火钢、铜合金软钢、退火钢、铜合金HRA120金刚石圆锥金刚石圆锥6070HRA硬质合金、表面淬火钢硬质合金、表面淬火钢4.冲击韧性冲击韧性第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能Ak=G(H-h) J0AAkka J/cm25.断裂韧性断裂韧性第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能a

16、YK1Mpa.m1/26.耐磨性和粘弹性耐磨性和粘弹性第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能耐磨性耐磨性粘弹性粘弹性蠕变蠕变应力松弛应力松弛滞后与内耗滞后与内耗1.7.2工程材料的物理性能材料工程材料的物理性能材料第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.电性能电性能 1)导电性能导电性能 2)介电性能介电性能(材料在电场中的极化；介电常数和介电强度；压材料在电场中的极化；介电常数和介电强度；压 电现象和电致伸缩现象；电铁效应）电现象和电致伸缩现象；电铁效应） 3)磁性能（磁性能（磁导率、磁化强度；抗磁性、顺磁性、铁磁性、反磁导率、磁化强度；抗磁性、顺磁性、铁磁性、

17、反 铁磁性、亚铁磁性；磁畴结构）。（铁磁性、亚铁磁性；磁畴结构）。（加强）加强） 4)光学性能（光学性能（连续光谱和特征谱线、材料与光子的交互作用）连续光谱和特征谱线、材料与光子的交互作用） 5)热性能热性能（热容、热膨胀系数、热导率）（热容、热膨胀系数、热导率）比容比容C=摩尔热容摩尔热容/摩尔质量摩尔质量线胀系数线胀系数l=1T1.7.3工程材料的化学性能工程材料的化学性能第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能抗氧化性抗氧化性抗腐蚀性抗腐蚀性FeH2(+) (-) (+) (-) (+)Fe3CFe-Cu电池电池珠光体腐蚀珠光体腐蚀电解液电解液Fe3C F本章小结本章小结第二

18、章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变2.12.1纯金属的结晶纯金属的结晶2.22.2合金的凝固合金的凝固2.32.3铁碳合金平衡态的相变基础铁碳合金平衡态的相变基础2.42.4钢在加热时的转变钢在加热时的转变2.52.5钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变2.62.6焊接接头的相变焊接接头的相变本章小结本章小结2.1纯金属的结晶纯金属的结晶第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变2.1.1凝固的基本概念凝固的基本概念 1.晶体的结晶晶体的结晶 2.非晶体的凝固非晶体的凝固2.1.2金属的结晶金属的结晶2.1.3材料的同素异构现象材料的同素异构现象1.晶体的结晶晶体的结晶第二

19、章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变时间时间固体固体液液+固固固体固体温度温度时间时间2.非晶体的凝固非晶体的凝固第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变2.1.2金属的结晶金属的结晶第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变3.晶粒大小及控制晶粒大小及控制 晶粒度的概念晶粒度的概念 晶粒大小的控制晶粒大小的控制(增大过冷度、变质处理）2/14/3)/( 1 . 1)/(9 . 0GNZGNZsV1.金属的结晶过程金属的结晶过程2.影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素 过冷度的影响过冷度的影响难熔杂质的影响难熔杂质的影响晶粒度与力学性能的关系晶粒度与力学性

20、能的关系第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变晶粒度晶粒度晶粒数晶粒数/mm2b (Mpa)s (Mpa) (%)6.32374635.3512747044.819429410847.52.1.3材料的同素异构材料的同素异构第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变-Fe -Fe -Fe1394C912C1.晶体的同素异构晶体的同素异构2.同分异构同分异构-石英石英 -鳞石英鳞石英 -方石英方石英-石英石英 -鳞石英鳞石英 -方石英方石英870C1470C573C163C180270C 2.2合金的凝固合金的凝固第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变2.2

21、.1二元合金相图与凝固二元合金相图与凝固1.匀晶相图匀晶相图 匀晶相图的建立匀晶相图的建立 杠杆定律杠杆定律 枝晶偏析枝晶偏析2.共晶相图共晶相图3.包晶相图包晶相图4其他相图其他相图2.2.2合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系2.2.3铸锭铸锭( (件件) )的凝固的凝固匀晶相图的建立匀晶相图的建立第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变合金的结晶过程合金的结晶过程第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变杠杆定律杠杆定律第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变QL+Q=1QLX+QX=K解方程得解方程得:XXKXXXKXLQXXKXXXXKQKX

22、KXQQL第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变共晶转变共晶转变Lc d+e冷却曲线及结晶过程冷却曲线及结晶过程共晶相图共晶相图共晶相图中的组织组成物共晶相图中的组织组成物第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变包晶相图包晶相图第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变其他相图其他相图第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变WB/%Wsi/%共析相图共析相图镁镁-硅相图硅相图2.2.2合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系合金的工艺性能与

23、相图的关系合金的工艺性能与相图的关系2.2.3铸锭铸锭(件件)的凝固的凝固第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变1-表面细晶粒层表面细晶粒层2-柱状晶粒层柱状晶粒层3-心部等轴晶粒区心部等轴晶粒区影响铸锭影响铸锭(件件)结晶组织的因素结晶组织的因素冷却速度冷却速度加热温度、浇注温度和浇注速度加热温度、浇注温度和浇注速度外加杂质（或变质处理）外加杂质（或变质处理）2.3铁碳合金平衡态的相变基础铁碳合金平衡态的相变基础第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变2.3.1 Fe-Fe3C亚稳相图亚稳相图 铁碳合金的相结构与性能铁碳合金的相结构与性能 相图分析相图分析2.3.2

24、铁碳合金在平衡状态下的相变铁碳合金在平衡状态下的相变2.3.3含碳量对铁碳合金组织性能的影响含碳量对铁碳合金组织性能的影响2.3.4Fe-Fe3C相图的应用相图的应用2.3.1Fe-Fe2.3.1Fe-Fe3 3C C亚稳相图亚稳相图第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变1.铁碳合金的相结构与性能铁碳合金的相结构与性能第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变铁素体铁素体 F 奥氏体奥氏体 A渗碳体渗碳体 Fe3C2.相图分析相图分析2.3.2在铁碳合金平衡状态下的相变在铁碳合金平衡状态下的相变第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变种类种类工业纯铁工业纯铁

25、钢钢白口铸铁白口铸铁亚共析亚共析钢钢共析钢共析钢过共析过共析钢钢亚共晶亚共晶白口铁白口铁共晶白共晶白 口铁口铁过共晶过共晶白口铁白口铁含碳含碳量量/%/%0.02180.02180.02180.0218-0.77-0.770.770.770.77-0.77- 2.11 2.112.112.11-4.3-4.34.34.34.3-4.3- 6.69 6.69平衡平衡组织组织F FF+PF+PP PP+ P+ FeFe3 3C CFeFe3 3C C+P P+L+Ld d L Ld d L Ld d + +FeFe3 3C C铁碳合金的分类铁碳合金的分类1.钢的平衡结晶过程钢的平衡结晶过程2.白口铸铁的平衡结晶过程白口铸铁的平衡结晶过程1.钢的平衡结晶过程钢的平衡结晶过程第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固态相变1)共析钢共析钢() 杠杆定律的应用杠杆定律的应用: :2)亚共析钢亚共析钢() WC%=0.77%*QP3)3)过共析钢过共析钢()()%7 .880218. 069. 677. 069. 6PKSKQ%3 .110218. 069. 60218. 077. 03PKPSCFeQ钢的显微组织图钢的显微组织图第二章金属的凝固与固态相变第二章金属的凝固与固