工程材料的结构与性能

工程材料的结构与性能第1页，共28页，2023年，2月20日，星期四二.力学性能(一)强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力1.静载强度(1)弹性和刚度不产生永久变形的性能：弹性不产生永久变形的最大应力：弹性极限弹性变形阶段的应力/应变值E：

刚度(弹性模量)E表征材料抵抗弹性变形的能力8第2页，共28页，2023年，2月20日，星期四(2)屈服(点)强度材料产生微量塑性变形的应力:屈服点零件工作时一般不允许发生塑性变形，是设计选材的主要依据(3)抗拉强度材料断裂前能承受的最大应力:抗拉强度对要求不发生断裂的零件，是设计选材的主要参数说明:(1)屈强比(

)小，零构件安全性好，但材料强度有效利用率低(2)各种加工处理对

、有显著影响9第3页，共28页，2023年，2月20日，星期四2.变载强度材料在无数次交变载荷作用下不断裂的最大应力：疲劳强度

与抗拉强度关系:(二)塑性材料产生塑性变形而不断裂的能力1.伸长率：试样至拉断的伸长程度2.断面收缩率：至拉断的断面收缩程度3.实际意义(1)提高零件使用安全性(2)材料能承受变形加工10第4页，共28页，2023年，2月20日，星期四(三)硬度表示材料表面抵抗外物压入的能力1.布氏硬度(HB)淬火钢球：HBS≤450(如259HBS)硬质合金球：HBW≤650(如550HBW)测量误差小，试验压痕大用于半成品件检验2.洛氏硬度(HR)HRC20～67表示：55HRC试验压痕小,测量迅速简便成品件，较薄工件、硬化表层硬度测定11第5页，共28页，2023年，2月20日，星期四3.维氏硬度(HV)用于薄工件或表面薄层硬度测定,软硬均可测定范围：0～1000HV硬度特点：(1)测定简便、迅速，不破坏测试件(2)与强度、耐磨性关系密切

图纸技术条件标注硬度12第6页，共28页，2023年，2月20日，星期四

(四)冲击性能1.冲击韧度材料抵抗大能量冲击载荷的能力,用ak表示工作中承受大能量冲击载荷的零件，选材时应考虑ak值

ak受温度影响很大,可用以评定材料冷脆性2.多冲抗力

材料承受小能量多次冲击载荷的能力，主要取决于强度13第7页，共28页，2023年，2月20日，星期四(五)耐磨性

相对运动的接触表面会因摩擦损耗,引起尺寸、形状变化材料抵抗磨损的能力,用磨损量(体积、重量和长度)表示提高材料硬度与减摩可提高耐磨性(六)材料的强韧化关系材料的强韧化：提高强度、硬度、塑性、韧性的综合效应措施：1.强、硬、塑、韧应合理搭配2.探索强韧化方法14第8页，共28页，2023年，2月20日，星期四1.2结合键

一.金属键强键1.具良好塑性2.强度、硬度较高强而韧3.刚度较大二.离子键三.共价键强键

1.硬度高2.刚度大硬而脆3.脆性大

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第9页，共28页，2023年，2月20日，星期四

四.分子键弱键1.强度、硬度低2.刚度小3.易变形五.四大材料结合键金属材料以金属键为主陶瓷材料以共价键或离子键为主有机高分子材料分子内共价键，分子间分子键复合材料取决于组成物结合键

16第10页，共28页，2023年，2月20日，星期四1.3晶体结构

一.理想晶体结构

(一)晶格17第11页，共28页，2023年，2月20日，星期四(二)常见金属晶体结构

1.体心立方

-Fe、Cr、Mo、V、W等

2.面心立方

-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag等

3.密排六方

Mg、Cd、Zn、Be等二.实际晶体结构存在原子偏离规则排列的区域：晶体缺陷(1)相对数量很少(2)对金属性能有极重要影响(3)会随条件而发生变动

18第12页，共28页，2023年，2月20日，星期四(一)点缺陷

1.空位2.间隙原子3.置换原子产生的影响(1)结构上：会造成晶格畸变(2)性能上：电阻增大强度、硬度提高

19第13页，共28页，2023年，2月20日，星期四(二)线缺陷位错晶体中一列或若干列原子发生了有规则的错排造成晶格畸变

(1)位错对金属的强度有极大影响(2)形变、热处理可改变位错密度20第14页，共28页，2023年，2月20日，星期四(三)面缺陷

1.晶界2.亚晶界(1)晶界、亚晶界对金属强度有重要作用(2)热处理、形变等会改变晶粒大小21第15页，共28页，2023年，2月20日，星期四1.4非晶体结构

一.短程有序

晶体非晶体长程有序—规则排列各向异性短程有序—长程无规则排列各向同性二.亚稳定性非晶体晶体(亚稳定)(稳定)22第16页，共28页，2023年，2月20日，星期四1.5合金的晶体结构一.合金的相、组织及其关系(一)合金的概念合金：为获得某些性能，有意在金属中加入其它元素所形成的金属材料加入的其它元素称为合金元素组成合金的元素称“元”(二)相与组织的概念1.相合金的组成元素之间形成“相”

23第17页，共28页，2023年，2月20日，星期四同一种“相”成分一致、结构相同，并以界面与其它部分分开

合金中的相按结构可分为固溶体和金属化合物两大类

2.组织

在显微镜下看到的由组成相构成的形貌灰铸铁组织石墨相铁素体相24第18页，共28页，2023年，2月20日，星期四(三)相与组织的关系二.固溶体(一)固溶体的概念其它原子溶入金属晶格中形成的固态合金相溶质溶剂固溶体固溶体的晶格与溶剂相同溶质原子溶于固溶体的量，称固溶体的浓度。其极限浓度称固溶度25第19页，共28页，2023年，2月20日，星期四(二)置换固溶体溶剂溶质溶质原子占据晶格结点位置造成晶格畸变按固溶度分：1.有限固溶体2.无限固溶体如Cu-Ni(三)间隙固溶体溶质原子分布在晶格间隙造成晶格畸变均为有限固溶体26第20页，共28页，2023年，2月20日，星期四三.金属化合物

合金组元间相互化合形成的固态合金相

晶体结构与组成元素均不同，通常比较复杂化学成分通常一定，可用分子式表示如渗碳体：成分为6.69%C，分子式为Fe3C，结构复杂四.合金性能(一)固溶体性能及作用1.固溶强化(晶格畸变引起)随溶质原子浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高间隙溶质原子比置换溶质原子的固溶强化效应大27第21页，共28页，2023年，2月20日，星期四2.仍具良好塑性韧性(因以溶剂金属为基)3.单相固溶体合金制作冷成形件复相合金中作为基体相，以保证合金韧性(二)化合物性能与应用1.高熔点，高硬度，高脆性2.分布在固溶体基体上起第二相强化作用强化效果受第二相性质、形状、大小(粗细)、分布(均匀程度)数量(多少)影响颗粒细小,分布均匀,数量适当的球状第二相,使金属的强度、硬度显著提高,而塑性、韧性下降较小——弥散强化

28第22页，共28页，2023年，2月20日，星期四第二相形状球片网第二相大小(粗细)粗细第二相分布均匀不均29第23页，共28页，2023年，2月20日，星期四1.6高聚物的结构一.高聚物的组成高聚物又称高分子化合物，分子量很大，是由一种或几种低分子化合物重复连接(聚合)而成高分子内原子间为共价键结合30第24页，共28页，2023年，2月20日，星期四二.大分子链的结构具良好塑性与弹性热可软、熔可反复冷则凝、硬易加工成形，反复使用硬度、强度高，弹性、塑性低固化后不熔不软，硬脆，耐热不能反复使用线型不带支链带支链体型交联点(一)大分子链的形态31第25页，共28页，2023年，2月20日，星期四(二)大分子链的柔顺性

键长、键角不变,键可以旋转内旋转分子链出现不同构象，获得不同蜷曲柔顺性使高聚物具有高弹性

影响因素：(1)主链结构:Si-O>C-O>C-C(2)侧基性质分子链柔顺性降低，高聚物刚硬性提高，弹性下降32第26页，共28页，2023年，2月20日，星期四三.高聚物的聚集态结构(一)非晶态

分子链排列远程无序(无规则)体型分子链与部分线型分子链为非晶态高聚物(二)晶态

晶区内大分子链规则紧密排列