东南大学材料成型基础第一章

1、第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能工程材料及成形技术基础第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能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第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能材料的分类材料的分类按化学成分分类按化学成分分类 金属（黑色金属、有色金属）金属（黑色金属、有色金属） 非金属非金属 无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材 料）

2、料） 现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷）碳化物陶瓷、硼化物陶瓷） 有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂）有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂）按用途分类按用途分类 结构材料（利用其力学性能）结构材料（利用其力学性能） 功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物 化学等特性完成特定功能）化学等特性完成特定功能）按状态分类按状态分类 单晶体、多晶体、非晶体单晶体、多晶体、非晶体第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的

3、结构与性能绪论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第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与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 1.11.1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 第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与

4、性能1.1材料原子的相互作用材料原子的相互作用离子键离子键 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第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能1.2晶体材料的原子排列晶体材料的原子排列1.2.11.2.1理想晶体结构理想晶体结构 1).1).晶格晶格 2).2).常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构 3).3).晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法1.2.21.2.2实际晶体结构实际晶体结构 1).1).单晶体与多晶体单晶体与多晶体 2).2).晶体缺陷晶体缺陷第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 晶体、非晶体晶体、非晶体 晶格、点

5、阵、晶胞、晶面、晶向晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向1.2.1理想晶体结构理想晶体结构第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵 常见的三种金属晶格类型有： 体心立方晶格。 面心立方晶格。 密排六方晶格。常见的晶格类型常见的晶格类型39第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 (1) (1)体心立方晶格结构体心立方晶格结构40第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 (2)(2)面心立方晶格结构面心立方晶格结构41第一章第一章 工程材

6、料的结构与性能工程材料的结构与性能 (3)(3)密排六方晶格结构。密排六方晶格结构。42动画15 密排六方晶胞第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能3).晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法 晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数 (hkl)和晶向指数uvw形式（以立方晶系为例）。 晶向指数uvw 的确定方法是：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为三个坐标的单位长度； 过原点作一直线OP，使其平行于待标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些阵点；在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的坐标值；将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加

7、上方括号，uvw即为AB的晶向指数。晶面XYZ第一章第一章 工程材料的结构与性能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；确定指数的晶面上；以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面在各坐标轴上的截距；在各坐标轴上的截距；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

8、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。晶面指数的确定方法晶面指数的确定方法第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能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密度不同，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能也不同，这种现象称为各向异性。第一章第一章 工程材料的结构与性能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1.多晶体与亚结构 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位

9、向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。 单晶体单晶体多晶体多晶体晶粒晶粒晶界晶界第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能2).晶体缺陷种类晶体缺陷种类第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能点缺陷点缺陷第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能线缺陷线缺陷第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能面缺陷面缺陷第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能晶体缺陷的影响晶体缺陷的影响 晶格缺陷对金

10、属的许多性能有极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用。如：晶体缺陷的出现,将使其周围的晶格产生畸变,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生改变。第一章第一章 工程材料的结构与性能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亚稳态性亚稳态性第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能1.4合金的晶体结构合金的晶体结构1.4.11.4.1合金的相结构、组织极其关系合金的相结构、组织极其关系1.4.21.4.2固溶体固

11、溶体1.4.31.4.3金属间化合物金属间化合物1.4.41.4.4合金性能合金性能第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属

12、性来分，可以分为固溶体和化合物两类。1.4.1合金、相、组织及其相互关系57第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换固溶体。 间隙固溶体是由一些原子半径小于1 的非金属元素，如:H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。1.4.2固

13、溶体固溶体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溶质原子溶质原子第一章第一章 工程材料的结构与性能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)化合物与第二相强化化合物与第二相强化第一章第一章 工程材料的结构与性能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,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104107的范围内。 高聚物的结构主要是指大分子链的

14、结构，即大分子链的形态、和大分子的聚集态结构。 1.5.1大分子链的结构 1.5.2高聚物的聚集态结构第一章第一章 工程材料的结构与性能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、空间构型等。 1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si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。 2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头连接、尾_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 3)大分子链的形态： （大分子链的几何形态、大分子链的构象及柔顺性）第一章第一章 工程材料的结构与性

15、能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线型线型带有支链带有支链体型体型第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能单键内旋转示意图单键内旋转示意图第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能1.5.2高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构第一章第一章 工程材料的结构与性能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、气相等。其组晶相、玻璃相、气相等。其组织示意图见下图织示意图见下图 陶瓷的性能主要取决于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐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、

16、非氧化物。、氧化物、非氧化物。 第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 传统陶瓷 由粘土、石英、长石等成分组成，以天然为主。 现代陶瓷 由Al3O2、SiC、Si3N4等成分组成，以合成为主。第一章第一章 工程材料的结构与性能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工程材料的化学性能工程材料的化学性能1.7.4工程材料的工艺性能工程

17、材料的工艺性能第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能1.强度强度1)静载时的静载时的强度强度 (1) 弹性和刚度弹性和刚度 (2) 屈服点屈服点s (3) 抗拉强度抗拉强度b2)变载时的强度变载时的强度3)高温强度高温强度第一章第一章 工程材料的结构与性能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产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。 %100001LLL%100010AAA第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能3.硬度硬度布氏硬度

18、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第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能布氏硬度布氏硬度第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能硬度硬度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=4.70HB第一章第一章 工程

19、材料的结构与性能工程材料的结构与性能洛氏硬度洛氏硬度第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能硬度硬度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、表面淬火钢第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能4.冲击韧性冲击韧性Ak=G(H-h) J0AAkka J/cm2第一章第一章 工程材料的结构与

20、性能工程材料的结构与性能5.断裂韧性断裂韧性aYK1Mpa.m1/2 研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的。材料在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会突然失稳扩展，导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能6.耐磨性和粘弹性耐磨性和粘弹性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第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能1.7.2工程材料的物理性能材料工程

21、材料的物理性能材料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）强度；压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、铁磁导率、磁化强度；抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性；磁畴结构）。（磁性、反铁磁性、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、材料与光子的交连续光谱和特征谱线、材料与光子的交互作用）互作用） 5)热性能热性能（热容、热膨胀系数、（热容、热膨胀系数、热导率）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=1T第一章第一章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能Fe-Cu电池电池珠光体腐蚀珠光体腐蚀电解液电解液Fe3C F1.7.3工程材料的化学性能工程材料的化学性能抗氧化性抗氧化性抗腐蚀