机械工程材料

1、机械工程材料绪 论绪论绪论课程介绍机械工程材料课程 机械设计制造及自动化专业的一门必修课，是一门重要的技术基础课。计划讲课：26学时 实验：6学时 学分：2个。 精品课程：2007年度省级精品课程，2009年度国家级精品课程。 绪论返回绪论材料发展概述绪论 什么是材料？ 材料经历了一个什么样的发展历程？ 什么是材料科学？材料是人类社会所能接受的，可经济地制造有用物品的物质。（materials）广义的材料包括人们思想意识之外的所有物质。（substance）材料无处不在，无处不有工农业生产国防科学技术研究人民生活材料能源信息并称现代技术三大支柱，其中材料又是能源与信息产业的基础材料的含义材料的

2、分类 用途：结构材料、功能材料 属性：金属材料、无机非金属材料、高分子材料 物理性质：晶体材料、非晶材料 几何形态： 三维材料、二维材料、一维材料、0维材料 材料的发展：传统材料、新材料返回材料的发展历程材料的发展史就是人类社会的发展史，也是科学技术的发展史 石器时代 公元前10万年 青铜时代 公元前3000年 铁器时代 公元前1000年 钢时代 公元1800年 硅时代 公元1950年 新材料时代 公元1990年石器时代石斧、石磨 西安半坡遗址石犁、石锄、石镰 浙江湖州的马桥文化，距今4000年石器时代司母戊鼎（商代） 河南省安阳殷墟出土，世界上迄今为止发现的最重的古代青铜器，它重达875公斤

3、，通高约米，长110厘米，宽78厘米青铜时代铜爵（夏代）中国青铜文化中最早出现的青铜容器之一，也是最早的青铜酒器，1980年于河南省偃师县二里头出土，重千克青铜时代四羊方尊（商代） 1938年湖南省宁乡县出土,中国现存商代青铜器中最大的方尊，高厘米，重近公斤青铜时代青铜时代越王勾践宝剑 1965年于湖北荆州市附近的望山楚墓群出土 此剑锋芒犀利，寒光闪闪，出土时插入漆木鞘里，保存如新，至今犹能断发。经分析测定，剑脊含锡低（10%），韧性好而不易折断；刃部含锡高（20%），刚而锋利。这种复合金属制造技术其他国家直到近代才掌握。曾侯乙编钟（战国） 1978年于湖北随县擂鼓墩曾侯乙墓出土总重量达250

4、0多公斤，是迄今中国发现的数量最多、保存最好的一套编钟。青铜时代铜车马（战国 秦）1980年于陕西省临潼县秦始皇陵西侧出土，该铜车马结构完整，装饰华丽，是研究秦代舆服制度、单辕车系驾方法和冶金铸造技术的重要实物，被誉为“青铜之冠”。青铜时代铁器时代战国凹形铁锄 湖南长沙砂子塘出土 春秋时期的铁锄（1953年于湖南长沙子弹库出土）沧州铁狮 中国现存最早的大型铸铁艺术品，当地称镇海吼，铁狮的总重量为吨，采用一种特殊的“泥范明铸法”，分节叠铸而成的铁器时代湖北当阳宋代玉泉铁塔 玉泉铁塔是目前中国现存铁塔中保存得极为完整的一个，完全用生铁铸成，重53吨，塔身逐层叠加，不用焊接。此塔铸造工艺细腻，不论是

5、总体结构还是细部装饰都看不出铸造痕迹，艺术上达到完美的境地。铁器时代新材料时代新材料：以人造为特征，而不是自然界中现存的；是根据我们对材料的物理化学性能的了解，为了特定的需要而设计和加工的材料。新材料时代：是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代。发展趋势1. 从均质材料向复合材料发展2. 高性能结构材料的开发是永恒的主题3. 材料结构的尺度向越来越小的方向发展4. 由被动材料向具有主动性的智能材料发展5. 生物材料具有很大的发展空间返回工程材料 金属材料 非金属材料黑色金属材料：钢和铸铁 有色金属材料高分子材料铜及铜合金滑动轴承合金陶瓷材料复合材料铝及铝合金工程材料的分类金属材料的性能 使用

6、性能 加工工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等 铸造性能：流动性、收缩性等 锻造性能：压力加工成型性等切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等 物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等 焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等 热处理性能：淬透性、回火稳定性等 金属材料具有良好的机械性能，是由它的成分和内部结构与组织所决定的。 金属材料的结构 是其晶体结构的简称，它指的是构成金属材料的质点（如分子、原子或离子等）的具体组合状态、结合方式和排列情况。金属材料的组织 是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌，故也称为显微组织。材料科学返回材料科学：是研究材料的成

7、分、结构、组织和性能以及它们之间关系的科学。材料工程：属于工程领域，包括材料设计、选用、制造、加工、工艺、质量控制与检测、工程应用及失效分析等过程。绪论本课程的主要内容本课程共设12章，可分为五个部分：金属学部分 是本书的1-4章为金属学基础知识，主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律。它主要包括金属材料的结构、结晶过程、塑性变形、回复与再结晶，以及二元合金相图、铁碳合金相图等；热处理部分 是本书的第5章，主要包括钢的热处理原理与工艺两方面，本章着重阐述钢在不同工艺条件下的组织转变规律，并在此基础上，介绍改善与强化钢的组织与性能的常用热处理工艺，为合理使用热处理做

8、准备。金属材料部分 是本书的6-8章，这部分主要结合金属学与热处理基本知识，较全面地介绍常用金属材料的牌号、成分、组织与性能特点及用途，为正确选用金属材料打基础。它主要包括合金钢、铸铁、有色金属及合金等。绪论绪论本课程的主要内容非金属材料部分 是本书的9-11章，这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料，由于讲课学时少，只能简单介绍上述几类材料的结构、组织与性能特点，为初步了解有关非金属材料的基础知识，打一点基础。 材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分 是本书的第12章，主要介绍材料的常用机械性能指标，和机械零件的失效形式、原因与分析方法，以及选材的原则和典型零件的选材与工艺分析。

9、 本教材按编者安排全书讲课共需36学时，实验4学时。这与我校实际教学计划相差较大，故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩。为了尽量保证课程体系的完整性，我们重点介绍1-8章内容，9-12章内容根据教学进度与时间，只作简单介绍。 绪论返回第一章 金属的结构与结晶第一章 金属的结构与结晶金属的特性和金属键；金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一； 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响； 纯金属结晶过程；晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细化晶粒的途径和方法。晶粒细化1.1 金属的特征 1.2 金属的晶体结构 1.3 实际晶体中的缺陷 1.

10、4 金属的结晶过程 1.5 晶粒大小控制第一章 金属的结构与结晶与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。这些是 金属的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？思考1.1 金属的特征不是1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽；2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。 因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。 3. 金属的特征：正的电阻温度系数1.1 金属的特征主要是与金属原子的内部结构以及原子间的

11、结合方式有关金属为何具有上述这些特性呢？金属键 金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。1.1 金属的特征金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有光泽： 自由电子

12、容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。 1.1 金属的特征返回1.2 金属的 晶体结构1）晶体与非晶体 2）金属的晶体结构 3）晶面和晶向及其表示方法 4）金属晶体的特点 晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列长程有序。 非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”短程有序。晶体金刚石、NaCl、冰 等。液体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。1.2 金属的 晶体结构微

13、晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和非晶体之间；液晶：二维长程有序。扩充知识1.2 金属的 晶体结构返回1.2 金属的 晶体结构a 原子堆垛模型b 空间点阵c 晶格zxyabcd 晶胞1.2 金属的 晶体结构空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反

14、映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。1.2 金属的 晶体结构七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方描述金属晶体结构的一些重要概念晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比1.2 金属的 晶体结构常见的金属晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的

15、为以下三种： （1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp体心立方晶格在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有- Fe, Cr, Mo, W,V等。 1.2 金属的 晶体结构体心立方晶胞晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa21.2 金属的 晶体结构返回面心立方晶格1.2 金属的 晶体结构面心立方晶胞晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：XYZabc密排方向41

16、.2 金属的 晶体结构返回C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0. 74密排六方晶格1.2 金属的 晶体结构返回XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc1.2 金属的 晶体结构 a.晶向指数的确定方法 1) 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。 2) 以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 3) 将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如101。 具体晶向指数如图所示，其形式为uvw

17、。立方晶系的晶面、晶向表示方法 1.2 金属的 晶体结构 b.晶面指数的确定方法 1) 选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 2) 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 3) 求三个截距值的倒数。 4) 将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。 1.2 金属的 晶体结构 注意： 1) 每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。 2) 立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情况相同但空间位向不同的晶面

18、（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。 1.2 金属的 晶体结构返回（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线1.2 金属的 晶体结构（2）各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ多晶体材料的伪等向性1.2 金属的 晶体结构返回1.3 实际晶体中的缺陷理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。晶粒（单晶体）1

19、.3 实际晶体中的缺陷一、 点缺陷1. 点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。2. 点缺陷的类型 主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。 置换原子空位复合空位间隙原子置换原子1.3 实际晶体中的缺陷二、 线缺陷线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。 位错的类型:刃型位错 螺型位错 1.3 实际晶体中的缺陷刃位错 刃位错 刃型位错示意图1.3 实际晶体中的缺陷螺型位错示意图1.3 实际晶体中的缺陷位错密度

20、 ：单位体积中位错线的总长度, 或单位面积上位错线的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系,当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。三、 面缺陷概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。 1. 晶界 晶

21、界是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。 根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又可将晶界分为大角度晶界（10）和小角度晶界（ 固体（晶体 或 非晶体）- 凝固液体 - 晶体 - 结晶 晶体液体结晶1.4 金属的结晶过程一、液态金属的结构 经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：是近程有序远程无序结构，见右图；存在着能量起伏和结构起伏。1.4

22、 金属的结晶过程局部的近程有序二、结晶过程的宏观现象 研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见右图。过冷现象冷却过程中的温度平台TmTT理论结晶温度开始结晶温度T = Tm - T时间温度纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）1.4 金属的结晶过程过冷现象： 液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。1.4 金属的结晶过程三、金属结晶的热力学条件 过冷后，液固相自由能之差G就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。结晶只有在系统自由能G降低的条件下才可以发生只有存在过冷度T的条件下才可能存在G0GTGTSL1.4 金属的结晶过程四、金属结晶的微观基本过程 形核长大过程液态金属形