材料與成形1(2014秋)

1、姚勤 緒 論 一、材料與人類社會發(fā)展的關(guān)系一、材料與人類社會發(fā)展的關(guān)系 材料是人類生存所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是人類生存所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。 人的衣、食、住、行都離不開材料，從人的衣、食、住、行都離不開材料，從 原始社會最簡單的日常生活用具和手工勞動原始社會最簡單的日常生活用具和手工勞動 工具到如今高精尖的計(jì)算機(jī)、航天器、機(jī)器工具到如今高精尖的計(jì)算機(jī)、航天器、機(jī)器 人等，都是用各種各樣的材料加工而成的。人等，都是用各種各樣的材料加工而成的。 即使在科技如此發(fā)達(dá)的今天，我們也很難想即使在科技如此發(fā)達(dá)的今天，我們也很難想 象，如果沒有了糧食、石油、煤炭等資源，象，如果沒有了糧食、石油、煤炭等資源， 人

2、類將怎樣生存。人類將怎樣生存。 材料是人類社會文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。材料是人類社會文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。 石器時代石器時代青銅器時代青銅器時代鋼鐵時代鋼鐵時代 人類歷史是按人類所使用的材料種類劃分的，人類歷史是按人類所使用的材料種類劃分的， 材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類文明史的里程碑。材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類文明史的里程碑。 材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。 能源能源 信息信息 交通交通 材料材料 材料工業(yè)是生產(chǎn)力發(fā)展的基礎(chǔ)和動力材料工業(yè)是生產(chǎn)力發(fā)展的基礎(chǔ)和動力。 就制造業(yè)而言，材料是其必要的基礎(chǔ)和就制造業(yè)而言，材料是其必要的基礎(chǔ)和 有力的保證，沒有了材料工業(yè)的發(fā)展，制

3、造有力的保證，沒有了材料工業(yè)的發(fā)展，制造 業(yè)也就成了業(yè)也就成了“無米之炊無米之炊”。同時，材料也是。同時，材料也是 制造業(yè)發(fā)展的動力，不斷涌現(xiàn)的新材料促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的動力，不斷涌現(xiàn)的新材料促進(jìn) 了制造新工藝的研究開發(fā)，反過來，新工藝了制造新工藝的研究開發(fā)，反過來，新工藝 又對材料提出了進(jìn)一步的性能要求，又帶動又對材料提出了進(jìn)一步的性能要求，又帶動 了新材料的出現(xiàn)。如此循環(huán)交替，推動了社了新材料的出現(xiàn)。如此循環(huán)交替，推動了社 會生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步。會生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步。 二、材料科學(xué)及其發(fā)展趨勢二、材料科學(xué)及其發(fā)展趨勢 材料科學(xué)材料科學(xué)-是研究材料的化學(xué)組成和微是研究材料的化學(xué)組成和微 觀結(jié)構(gòu)與材料

4、宏觀性能之間關(guān)系的一門科學(xué)，觀結(jié)構(gòu)與材料宏觀性能之間關(guān)系的一門科學(xué)， 它同時還研究制取和使用材料的有關(guān)知識。它同時還研究制取和使用材料的有關(guān)知識。 材料科學(xué)的發(fā)展趨勢材料科學(xué)的發(fā)展趨勢 新手段新手段 新品種新品種 新工藝新工藝 新新 手手 段段 光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等先進(jìn)分析工具的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等先進(jìn)分析工具的 研制研制, 固體物理、量子力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展固體物理、量子力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展, 將人們從宏觀世界帶入了微觀世界，揭示了材將人們從宏觀世界帶入了微觀世界，揭示了材 料的成分、結(jié)構(gòu)、性能之間的相互關(guān)系。料的成分、結(jié)構(gòu)、性能之間的相互關(guān)系。 高性能：高性能：低密度、高強(qiáng)度、耐高

5、溫、耐磨損、低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、 耐腐蝕、耐腐蝕、 新功能：新功能：隨著原子能、航天航空、電子技術(shù)、隨著原子能、航天航空、電子技術(shù)、 生物醫(yī)療等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了許生物醫(yī)療等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了許 多特殊的性能要求。如現(xiàn)代電子技術(shù)中的超導(dǎo)多特殊的性能要求。如現(xiàn)代電子技術(shù)中的超導(dǎo) 材料；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的形狀記憶材料；人工器官、材料；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的形狀記憶材料；人工器官、 生物傳感器、血液代用品等等；以及現(xiàn)在非常生物傳感器、血液代用品等等；以及現(xiàn)在非常 熱門的納米材料（熱門的納米材料（1納米納米=10-9米）米）,人們關(guān)注的人們關(guān)注的 不僅是其尺寸的微細(xì)可以用來制造不僅是其

6、尺寸的微細(xì)可以用來制造“微機(jī)械微機(jī)械”， 更關(guān)注的是由此而來的一些奇特的性能，如納更關(guān)注的是由此而來的一些奇特的性能，如納 米陶瓷的塑性、導(dǎo)體變非導(dǎo)體、吸波性等。米陶瓷的塑性、導(dǎo)體變非導(dǎo)體、吸波性等。 新新 品品 種種 三、三、“材料與成形材料與成形A”課程簡介課程簡介 “材料與成形材料與成形A”是機(jī)械類各專業(yè)的一門必修是機(jī)械類各專業(yè)的一門必修 的技術(shù)基礎(chǔ)課。主要介紹工程材料的一般知識和的技術(shù)基礎(chǔ)課。主要介紹工程材料的一般知識和 鑄造成形、鍛壓成形及焊接等常用的成形方法和鑄造成形、鍛壓成形及焊接等常用的成形方法和 低能耗、低污染，可持續(xù)發(fā)展等已成為現(xiàn)低能耗、低污染，可持續(xù)發(fā)展等已成為現(xiàn) 代工業(yè)

7、生產(chǎn)的必然趨勢。因此，鑄、鍛、焊等代工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢。因此，鑄、鍛、焊等 傳統(tǒng)的材料成形技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步。傳統(tǒng)的材料成形技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步。 少、無切屑的精密鑄造和精密鍛造以及計(jì)算機(jī)少、無切屑的精密鑄造和精密鍛造以及計(jì)算機(jī) 控制的機(jī)械化、自動化生產(chǎn)裝備得到了廣泛的控制的機(jī)械化、自動化生產(chǎn)裝備得到了廣泛的 應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)率，減輕勞動強(qiáng)度。應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)率，減輕勞動強(qiáng)度。 新新 工工 藝藝 工藝，使學(xué)生初步具備合理選擇材料、選擇毛坯工藝，使學(xué)生初步具備合理選擇材料、選擇毛坯 或零件的加工方法與加工工藝以及分析零件結(jié)構(gòu)或零件的加工方法與加工工藝以及分析零件結(jié)構(gòu) 工藝性

8、的能力，了解本學(xué)科領(lǐng)域中的新技術(shù)。工藝性的能力，了解本學(xué)科領(lǐng)域中的新技術(shù)。 本課程將分在兩個學(xué)期完成，本學(xué)期的本課程將分在兩個學(xué)期完成，本學(xué)期的 “材材 料與成形料與成形A（一）（一）”著重介紹工程材料，下學(xué)期的著重介紹工程材料，下學(xué)期的 “材料與成形材料與成形A（二）（二）”主要介紹鑄、鍛、焊等主要介紹鑄、鍛、焊等 材料成形的方法。材料成形的方法。 四、評分方法及其他四、評分方法及其他 平時成績：平時成績：30%（考勤與作業(yè)）（考勤與作業(yè)） 考試成績：考試成績：70% 第一章 工程材料 黑色金屬 金屬材料 有色金屬 工程材料有機(jī)高分子材料 非金屬材料 無機(jī)非金屬材料 復(fù)合材料 1-1 概述概

9、述 金屬材料 黑色金屬：黑色金屬：鐵、錳、鉻及其合金。鐵、錳、鉻及其合金。 主要指鋼和鑄鐵。主要指鋼和鑄鐵。 有色金屬：有色金屬：除黑色金屬以外的金屬除黑色金屬以外的金屬 及其合金。如銅、鋁等。及其合金。如銅、鋁等。 輕金屬輕金屬 重金屬重金屬 貴金屬貴金屬 稀有金屬稀有金屬 非金屬材料 有機(jī)高分子材料：有機(jī)高分子材料：主要含碳和氫。主要含碳和氫。 塑料塑料 橡膠橡膠 合成纖維合成纖維 無機(jī)非金屬材料：無機(jī)非金屬材料：不含碳和氫。不含碳和氫。 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不 同材料復(fù)合而成的材料。既保留原有同材料復(fù)合而成的材料。既保留

10、原有 材料各自的特性，又具有原有材料所材料各自的特性，又具有原有材料所 沒有的特殊的、優(yōu)異的性能。沒有的特殊的、優(yōu)異的性能。 樹脂基樹脂基復(fù)合材料復(fù)合材料 金屬基金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料 陶瓷基陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料 1-2 固體材料的性能固體材料的性能 一、物理性能一、物理性能 二、二、化學(xué)性能化學(xué)性能 三、力學(xué)性能三、力學(xué)性能 四、工藝性能四、工藝性能 1-2 固體材料的性能固體材料的性能 一、物理性能一、物理性能 密度密度 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 磁性磁性 二、二、化學(xué)性能化學(xué)性能 指材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。指材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。 抗氧化性抗氧化性 耐腐蝕性（如耐

11、油、耐酸、耐堿）耐腐蝕性（如耐油、耐酸、耐堿） 三、力學(xué)性能三、力學(xué)性能 力學(xué)性能是指材料在承受外力后的表現(xiàn)力學(xué)性能是指材料在承受外力后的表現(xiàn)。 常溫常溫靜態(tài)靜態(tài) 常溫常溫動態(tài)下動態(tài)下 高低溫下高低溫下 載荷形式的影響載荷形式的影響 拉伸拉伸壓縮壓縮彎曲彎曲剪切剪切扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 工作溫度的影響工作溫度的影響 運(yùn)動狀態(tài)的影響運(yùn)動狀態(tài)的影響 材料完整性的影響材料完整性的影響 四、工藝性能四、工藝性能 熱處理性能熱處理性能 鑄造性能鑄造性能 鍛壓性能鍛壓性能 焊接性能焊接性能 切削加工性能切削加工性能 工藝性能是指材料加工時的性能工藝性能是指材料加工時的性能。 1.強(qiáng)度強(qiáng)度 彈性極限彈性極限 e - 發(fā)

12、生最大彈性變形時的應(yīng)力。發(fā)生最大彈性變形時的應(yīng)力。 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s - 開始出現(xiàn)明顯塑性變形時的應(yīng)力。開始出現(xiàn)明顯塑性變形時的應(yīng)力。 條件條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 0.2 - 產(chǎn)生產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力。塑性變形時的應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b -拉斷前所承受的最大應(yīng)力。拉斷前所承受的最大應(yīng)力。 應(yīng)力應(yīng)力- 單位面積上所承受的內(nèi)力，以單位面積上所承受的內(nèi)力，以 表示。表示。 （MPa） 應(yīng)變應(yīng)變-單位尺寸上的變形量，以單位尺寸上的變形量，以 表示。表示。 （%） 彈性變形彈性變形-受力后立即發(fā)生，并隨力的消失而消失的變形。受力后立即發(fā)生，并隨力的消失而消失的變形。 塑性變形塑性變形-應(yīng)

13、力超過一定數(shù)值后才發(fā)生的并將永久保留的變形。應(yīng)力超過一定數(shù)值后才發(fā)生的并將永久保留的變形。 在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂 的能力。的能力。 三三、力學(xué)性能、力學(xué)性能 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) l 0l S 0 S 拉伸前拉伸前 拉斷后拉斷后 b 縮頸點(diǎn)縮頸點(diǎn) s e e s b e - 最大彈性變形時的應(yīng)力最大彈性變形時的應(yīng)力 s - 開始塑性變形時的應(yīng)力開始塑性變形時的應(yīng)力 b - 拉斷前所承受的最大應(yīng)力拉斷前所承受的最大應(yīng)力 應(yīng)力應(yīng)力 （MPa） 應(yīng)變應(yīng)變 （%） 剛度剛度- 材料抵抗彈性變形的能力。用材料抵抗彈性變形的能力。用彈性彈性 模量模量E（彈性范圍內(nèi)，

14、應(yīng)力與應(yīng)變的比例）（彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比例） 表示（表示（E=tg ），），E越大剛性越好。越大剛性越好。 拉伸拉伸 試樣試樣 拉拉 伸伸 曲曲 線線 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) k 拉斷點(diǎn)拉斷點(diǎn) 對那些沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定對那些沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定 以試樣產(chǎn)生以試樣產(chǎn)生0.2%殘余伸長率時的應(yīng)力作為其屈服殘余伸長率時的應(yīng)力作為其屈服 強(qiáng)度，稱為條件強(qiáng)度，稱為條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 0.2 應(yīng)變應(yīng)變 （%） 應(yīng)力應(yīng)力 （MPa） 0.2% 0.2 2.2.塑性塑性 延伸率延伸率 - 試樣斷裂前后的長度變化率試樣斷裂前后的長度變化率。 斷面收縮率斷面收縮率 - 試樣斷裂前后的面積變

15、化率試樣斷裂前后的面積變化率。 在外力作用下，材料產(chǎn)生塑性變形在外力作用下，材料產(chǎn)生塑性變形 而不發(fā)生斷裂的能力。而不發(fā)生斷裂的能力。 l l 0 l 0 = 100 % = S 0 S 100 % S 0 4 4 3 3 2 21 1 例題例題：圖示：圖示1-41-4為四種不同材料的應(yīng)力為四種不同材料的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線，應(yīng)變曲線， 請比較這四種材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、請比較這四種材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、 剛度和塑性。剛度和塑性。 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變 1 12 2 4 4 3 3 2 21 1 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變 0. 2 0. 2 s3 s2 0. 2 b1 b2 b3 b4 抗拉強(qiáng)度

16、：抗拉強(qiáng)度：2 2 1 1 3 3 4 4 （根據(jù)拉斷前的最大應(yīng)力）根據(jù)拉斷前的最大應(yīng)力） 屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根據(jù)屈服點(diǎn)或條件屈服點(diǎn)）根據(jù)屈服點(diǎn)或條件屈服點(diǎn)） 4 4 3 3 2 21 1 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變 1 4 2 3 塑性：塑性：3 3 2 2 4 4 1 1 （根據(jù)斷裂時的應(yīng)變根據(jù)斷裂時的應(yīng)變 ） 剛度：剛度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根據(jù)彈性模量根據(jù)彈性模量 E E） 直線斜率直線斜率 總總= = 彈彈+ + 塑塑 = = 塑塑 此方法為錯誤的此方法為錯誤的 4 4 3 3 2 21 1 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變 塑性：塑性：3 3 2 2 4

17、 4 1 1 （根據(jù)試樣的延伸率根據(jù)試樣的延伸率） 剛度：剛度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根據(jù)彈性模量根據(jù)彈性模量 E E） 直線斜率直線斜率 總總= = 彈彈+ + 塑塑 = = 塑塑 1 234 3.3.硬度硬度 布氏硬度布氏硬度： 用用淬火鋼球淬火鋼球或或硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球作作 壓頭，以壓痕直徑來衡量材料硬度。壓頭，以壓痕直徑來衡量材料硬度。 壓痕大，不適宜測薄片或成品，主要用于測較軟的壓痕大，不適宜測薄片或成品，主要用于測較軟的 原材料、半成品的硬度，如有色合金、軟鋼、鑄鐵等。原材料、半成品的硬度，如有色合金、軟鋼、鑄鐵等。 注意：注意：壓頭為鋼球時表示成數(shù)字壓頭為鋼球時表示

18、成數(shù)字+ HBS ，如，如450HBS， 用硬質(zhì)合金球時表示為數(shù)字用硬質(zhì)合金球時表示為數(shù)字+ HBW ，如，如650HBW 洛氏硬度洛氏硬度： 用用金剛石圓錐金剛石圓錐或或淬火鋼球淬火鋼球作作壓壓 頭，以壓痕深度來衡量材料的硬度頭，以壓痕深度來衡量材料的硬度 。 F F 材料抵抗更硬物體壓入的能力。材料抵抗更硬物體壓入的能力。 由壓頭和載荷的不同，洛氏硬度由壓頭和載荷的不同，洛氏硬度分成分成 HRA、 HRB、HRC三種，以三種，以HRC應(yīng)應(yīng)用最廣。用最廣。 洛氏硬度壓痕小，不損傷工件，常用于測洛氏硬度壓痕小，不損傷工件，常用于測硬硬 材料、薄試樣及成品零件。材料、薄試樣及成品零件。 標(biāo)尺標(biāo)尺

19、壓頭類型壓頭類型總載荷總載荷(N)應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 HRA120金剛石圓錐體金剛石圓錐體588.4 硬質(zhì)合金、表面淬火硬質(zhì)合金、表面淬火 層、滲碳鋼層、滲碳鋼 HRB 1.588mm淬火鋼球淬火鋼球980.7 有色金屬、退火鋼、有色金屬、退火鋼、 正火鋼正火鋼 HRC120金剛石圓錐體金剛石圓錐體235.4淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼 三種洛氏硬度的試驗(yàn)規(guī)范和應(yīng)用范圍三種洛氏硬度的試驗(yàn)規(guī)范和應(yīng)用范圍 維氏硬度維氏硬度： 用用136度金剛石四棱錐度金剛石四棱錐作作壓頭。壓頭。 維氏硬度法維氏硬度法載荷小、壓痕淺，可測量各種軟載荷小、壓痕淺，可測量各種軟 硬程度的材料，但測量過程較麻煩。主要用于測

20、硬程度的材料，但測量過程較麻煩。主要用于測 極薄的表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。極薄的表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。 另外，強(qiáng)度和硬度都能反映材料抵抗塑性變形的能力，另外，強(qiáng)度和硬度都能反映材料抵抗塑性變形的能力， 兩者之間有一定的關(guān)系，可近似換算：兩者之間有一定的關(guān)系，可近似換算： 低碳鋼軋材或鍛件：低碳鋼軋材或鍛件： b 0.36 HB； 灰鑄鐵件：灰鑄鐵件： b 0.1 HB； 高碳鋼軋材或鍛件：高碳鋼軋材或鍛件： b 0.34 HB； 鑄鋁件：鑄鋁件： b 0.26 HB； 調(diào)質(zhì)合金鋼：調(diào)質(zhì)合金鋼： b 0.325 HB 特別提醒：特別提醒：不同硬度試驗(yàn)法所獲得的硬度值

21、是不能直接不同硬度試驗(yàn)法所獲得的硬度值是不能直接 進(jìn)行比較的，必須通過換算成同一硬度指標(biāo)后才能比較。進(jìn)行比較的，必須通過換算成同一硬度指標(biāo)后才能比較。 課堂練習(xí)題課堂練習(xí)題: : 1.1.某工廠欲制造一批鋼制拉桿，此拉桿的最大某工廠欲制造一批鋼制拉桿，此拉桿的最大 工作應(yīng)力為工作應(yīng)力為350MPa350MPa，且工作時不允許產(chǎn)生明，且工作時不允許產(chǎn)生明 顯的塑性變形。工廠倉庫中有一種鋼材，將顯的塑性變形。工廠倉庫中有一種鋼材，將 其制成直徑為其制成直徑為d d0 0 = = 1010 m m m m 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣后進(jìn)行 拉伸試驗(yàn)，測得拉伸試驗(yàn)，測得 F Fs s = = 21

22、50021500 N N，F(xiàn) Fb b = = 3510035100 N N。 試判斷該鋼材是否適合做拉桿？為什么？試判斷該鋼材是否適合做拉桿？為什么？ 2.2.請判斷下列說法是否正確：請判斷下列說法是否正確： 材料的強(qiáng)度越高就越不容易變形。因此和高材料的強(qiáng)度越高就越不容易變形。因此和高 強(qiáng)度材料相比，低強(qiáng)度材料一定會變形。強(qiáng)度材料相比，低強(qiáng)度材料一定會變形。 硬度高的材料，其強(qiáng)度和剛度也一定會大。硬度高的材料，其強(qiáng)度和剛度也一定會大。 彈性模量大的材料，其彈性極限就高。彈性模量大的材料，其彈性極限就高。 4.4.沖擊韌度沖擊韌度 通常采用通常采用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測

23、定，用擺錘沖進(jìn)行測定，用擺錘沖 擊缺口試樣時單位截面所消耗的沖擊功擊缺口試樣時單位截面所消耗的沖擊功 k 表示沖擊韌度。表示沖擊韌度。 材料抵抗材料抵抗一次或數(shù)次大能量一次或數(shù)次大能量 沖擊的能力。沖擊的能力。 k = G（H - h） S 其中：其中： G -擺錘質(zhì)量擺錘質(zhì)量, Kg S -試樣缺口處原始截面積試樣缺口處原始截面積, cm2 擺錘擺錘 缺口試樣缺口試樣 ! ! ! 材料的沖擊韌度主要取決于塑性，并與溫度材料的沖擊韌度主要取決于塑性，并與溫度 密切相關(guān)密切相關(guān)。 二次世界大戰(zhàn)中，美國建造了約二次世界大戰(zhàn)中，美國建造了約50005000艘全焊艘全焊 接接“自由輪自由輪”，然而在，

24、然而在19421942年年19461946年之間有年之間有 10001000艘船舶發(fā)生破斷，艘船舶發(fā)生破斷，19461946年年19561956年之間有年之間有 200200艘發(fā)生嚴(yán)重折斷。艘發(fā)生嚴(yán)重折斷。19431943年年1 1月美國的一艘月美國的一艘T-T- 2y2y油船停泊在裝貨碼頭時斷裂成兩半截，當(dāng)時計(jì)油船停泊在裝貨碼頭時斷裂成兩半截，當(dāng)時計(jì) 算的甲板應(yīng)力水平僅為算的甲板應(yīng)力水平僅為7 Kg7 Kgf/mmf/mm2 2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于船，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于船 板鋼的強(qiáng)度極限。板鋼的強(qiáng)度極限。為什么會斷裂呢？為什么會斷裂呢？ 通過在不同溫度下對材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)通過在不同溫度下對材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，

25、結(jié) 果表明果表明: :材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小，材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小， 當(dāng)溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下當(dāng)溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下 降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。 冷脆冷脆- 材料在某一材料在某一低溫低溫范圍內(nèi)，沖擊韌度急劇下降，由范圍內(nèi)，沖擊韌度急劇下降，由 塑性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。塑性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。 冷脆轉(zhuǎn)變溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度- 材料發(fā)生冷脆現(xiàn)象的溫度范圍材料發(fā)生冷脆現(xiàn)象的溫度范圍。 其數(shù)值愈低，表示材料的低溫抗沖擊性能愈好。其數(shù)值愈低，表示材料的低溫抗沖擊性能愈好。 銅、鋁、鎳等面心立方結(jié)

26、構(gòu)金屬不存在銅、鋁、鎳等面心立方結(jié)構(gòu)金屬不存在“冷脆冷脆”。 溫度溫度 k 冷脆轉(zhuǎn)變溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度 一般用應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)曲線（如圖）一般用應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)曲線（如圖） 上應(yīng)力與橫坐標(biāo)平行時的應(yīng)力值表示上應(yīng)力與橫坐標(biāo)平行時的應(yīng)力值表示 可經(jīng)無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的疲勞強(qiáng)度?？山?jīng)無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的疲勞強(qiáng)度。 對不出現(xiàn)水平段的材料，工程上則規(guī)對不出現(xiàn)水平段的材料，工程上則規(guī) 定達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)（定達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)（鋼鋼107，有色金有色金 屬屬108）仍不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值為）仍不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值為 其疲勞強(qiáng)度。其疲勞強(qiáng)度。 5.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 用材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不用材料在無

27、數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不 致發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力致發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力 -1表示。表示。 -1 N N 材料在材料在無數(shù)次重復(fù)無數(shù)次重復(fù)或或交變載荷交變載荷 作用下不產(chǎn)生斷裂的能力。作用下不產(chǎn)生斷裂的能力。 6.斷裂韌度斷裂韌度 材料有材料有裂紋存在裂紋存在時抵抗脆性斷裂時抵抗脆性斷裂 的能力。的能力。 斷裂韌度斷裂韌度通常用材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子通常用材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的臨界的臨界 值值KIC來描述。即：來描述。即： KIC = 當(dāng)材料內(nèi)部存在宏觀裂紋時當(dāng)材料內(nèi)部存在宏觀裂紋時, ,往往 往會由于裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展而使制件往會由于裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展而使制件 即使在遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力的條件下工即使在遠(yuǎn)低于

28、許用應(yīng)力的條件下工 作，也會產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷作，也會產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷 裂，即裂，即低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷。這是因?yàn)榱鸭y。這是因?yàn)榱鸭y 尖端附近的尖端附近的應(yīng)力集中應(yīng)力集中造成的。造成的。 KI = 應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度因子強(qiáng)度因子 N-2/3 mm mm( N ) . 2 3 - max 7.7.高溫蠕變高溫蠕變 材料在高溫環(huán)境下，長時間承材料在高溫環(huán)境下，長時間承 受恒溫、恒應(yīng)力（遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該受恒溫、恒應(yīng)力（遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該 溫度下的屈服強(qiáng)度溫度下的屈服強(qiáng)度 s ）而產(chǎn)生）而產(chǎn)生 緩慢塑性變形甚至斷裂的現(xiàn)象。緩慢塑性變形甚至斷裂的現(xiàn)象。 一般而言，材料的強(qiáng)度、剛度、硬度等指標(biāo)將一般而言，材料的強(qiáng)度

29、、剛度、硬度等指標(biāo)將 隨溫度的升高而降低，只有塑性會變好。因此在對隨溫度的升高而降低，只有塑性會變好。因此在對 高溫下工作的零件選材時應(yīng)適當(dāng)提高對強(qiáng)度和硬度高溫下工作的零件選材時應(yīng)適當(dāng)提高對強(qiáng)度和硬度 的要求。然而許多高溫下工作零件的應(yīng)力松弛甚至的要求。然而許多高溫下工作零件的應(yīng)力松弛甚至 斷裂卻更多地是由于蠕變而造成的，故高溫零件應(yīng)斷裂卻更多地是由于蠕變而造成的，故高溫零件應(yīng) 選用高溫蠕變性小的材料。選用高溫蠕變性小的材料。 有機(jī)高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變。有機(jī)高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變。 1-3 固體材料的結(jié)構(gòu)固體材料的結(jié)構(gòu) 材料的宏觀性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的材料的宏

30、觀性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的 分子是保持物質(zhì)基本化學(xué)性質(zhì)的最小微粒分子是保持物質(zhì)基本化學(xué)性質(zhì)的最小微粒, 而分子又是由原子組成的而分子又是由原子組成的 組成分子的組成分子的原子的種類、數(shù)目、排列方式原子的種類、數(shù)目、排列方式 及原子間的相互作用決定了分子的性質(zhì)及原子間的相互作用決定了分子的性質(zhì) 結(jié)合鍵又稱為化學(xué)鍵，是指分子中各原子結(jié)合鍵又稱為化學(xué)鍵，是指分子中各原子 之間的相互作用。之間的相互作用。 1、幾種典型的結(jié)合鍵、幾種典型的結(jié)合鍵 離子鍵離子鍵 - 金屬原子失去價電子成為正離子，金屬原子失去價電子成為正離子， 非金屬原子獲得價電子成為負(fù)離子，非金屬原子獲得價電子成為負(fù)離子， 這種由正、

31、負(fù)離子相互作用而產(chǎn)生這種由正、負(fù)離子相互作用而產(chǎn)生 的強(qiáng)大鍵合力稱為離子鍵。的強(qiáng)大鍵合力稱為離子鍵。 大多數(shù)由金屬和非金屬結(jié)合形成的鹽類、堿類大多數(shù)由金屬和非金屬結(jié)合形成的鹽類、堿類 和金屬氧化物是以離子鍵結(jié)合的。和金屬氧化物是以離子鍵結(jié)合的。 - 一、固體材料的結(jié)合鍵一、固體材料的結(jié)合鍵 - - - - - + + + + + + 共價鍵共價鍵 - 原子間通過形成共用電子對而產(chǎn)生原子間通過形成共用電子對而產(chǎn)生 的結(jié)合鍵。是由相同原子或性能相的結(jié)合鍵。是由相同原子或性能相 近的原子組成分子時采用的原子結(jié)近的原子組成分子時采用的原子結(jié) 合方式，如金剛石、碳化硅等。合方式，如金剛石、碳化硅等。 金

32、屬鍵金屬鍵 - 金屬原子的外層價電子脫離原子，金屬原子的外層價電子脫離原子， 形成金屬正離子和共用電子云。形成金屬正離子和共用電子云。 這種由正離子和電子云的相互吸這種由正離子和電子云的相互吸 引而形成的結(jié)合鍵稱為金屬鍵。引而形成的結(jié)合鍵稱為金屬鍵。 分子鍵分子鍵 - 分子之間通過一個分子的負(fù)電性分子之間通過一個分子的負(fù)電性 部分與另一個分子的正電性部分部分與另一個分子的正電性部分 相互吸引而產(chǎn)生的結(jié)合鍵。相互吸引而產(chǎn)生的結(jié)合鍵。 + + + + + + + + + 2、工程材料的結(jié)合鍵與性能、工程材料的結(jié)合鍵與性能 金屬金屬材料材料 -以以金屬鍵金屬鍵為主。為主。 高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)，良

33、好的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)，良好的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱 性及大密度性及大密度 有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料 -分子內(nèi)分子內(nèi)共價鍵共價鍵,分子間分子間分子鍵分子鍵。 不高的強(qiáng)度和硬度，低的熔點(diǎn)和耐熱性，密度小，耐不高的強(qiáng)度和硬度，低的熔點(diǎn)和耐熱性，密度小，耐 蝕和絕緣性好蝕和絕緣性好 陶瓷材料陶瓷材料（無機(jī)材料）（無機(jī)材料）-離子鍵離子鍵或或共價鍵共價鍵為主。為主。 硬而脆，高熔點(diǎn)，耐熱、耐蝕性好，絕緣好硬而脆，高熔點(diǎn)，耐熱、耐蝕性好，絕緣好 復(fù)合材料復(fù)合材料 -取決于組成物的結(jié)合鍵取決于組成物的結(jié)合鍵。 二、二、金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)金屬材料的顯微結(jié)構(gòu) 固態(tài)物質(zhì)按原子聚集狀態(tài)分為晶體和

34、非晶體。 晶體晶體 - 原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。 非非晶體晶體 - 原子呈現(xiàn)無規(guī)律、無次序的堆積。原子呈現(xiàn)無規(guī)律、無次序的堆積。 絕大多數(shù)的固態(tài)金屬和合金都是晶體。 金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽和性和方向性。自由電子金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽和性和方向性。自由電子 的定向移動形成了電流，使金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；的定向移動形成了電流，使金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性； 正電荷的熱振動阻礙了自由電子的定向移動，使金屬正電荷的熱振動阻礙了自由電子的定向移動，使金屬 具有電阻；溫度升高，正電荷熱振動振幅增加，電阻具有電阻；溫度升高，正電荷熱振動振幅增加，電阻 增大，

35、電阻溫度系數(shù)增大，使金屬具有正的溫度系數(shù)；增大，電阻溫度系數(shù)增大，使金屬具有正的溫度系數(shù)； 1、金屬鍵及金屬的特性、金屬鍵及金屬的特性 自由電子能吸收可見光的能量，使金屬具有不透明性；自由電子能吸收可見光的能量，使金屬具有不透明性； 當(dāng)自由電子從高能級回到低能級時，將吸收的可見光的當(dāng)自由電子從高能級回到低能級時，將吸收的可見光的 能量以電磁波的形式輻射出來，使金屬具有光澤；晶體能量以電磁波的形式輻射出來，使金屬具有光澤；晶體 中原子發(fā)生相對移動時，正電荷與自由電子仍能保持金中原子發(fā)生相對移動時，正電荷與自由電子仍能保持金 屬鍵結(jié)合，使金屬具有良好的塑性。屬鍵結(jié)合，使金屬具有良好的塑性。 晶格晶

36、格-將將晶體中的每一個原子假設(shè)成一個幾何晶體中的每一個原子假設(shè)成一個幾何 點(diǎn)，忽略其尺寸和重量，再用假想線把點(diǎn)，忽略其尺寸和重量，再用假想線把 這些點(diǎn)連接起來，所得到的一個表示金這些點(diǎn)連接起來，所得到的一個表示金 屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子。屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子。 2、晶格、晶胞和晶格常數(shù)、晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶胞晶胞-反映晶格特征的最小幾何單元。反映晶格特征的最小幾何單元。 （a） 原子排列模型原子排列模型 （b） 晶格晶格 （c） 晶胞晶胞 晶格常數(shù)晶格常數(shù)-反映晶胞大小、形狀的參數(shù)。反映晶胞大小、形狀的參數(shù)。 如棱邊長度如棱邊長度a a、b b 、c(c(以以 A

37、 A 為單位，為單位，1 1 A A =10=10-10 -10 米 米) ) 和棱間夾角和棱間夾角、 等。等。 。 3、晶向和晶面、晶向和晶面 晶向晶向-晶體中，任意二個原子之間的連線稱為晶體中，任意二個原子之間的連線稱為 原子列，連線所指方向稱為晶向。原子列，連線所指方向稱為晶向。 晶向通常采用晶向通常采用晶向指數(shù)晶向指數(shù) u v w 表示表示 即以晶胞的某個頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以即以晶胞的某個頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以 晶胞的晶胞的3 3條棱邊為坐標(biāo)軸條棱邊為坐標(biāo)軸, ,以棱邊長度以棱邊長度 為單位長度。過原點(diǎn)作一平行于待定為單位長度。過原點(diǎn)作一平行于待定 晶向的有向線段，其上任一點(diǎn)的座標(biāo)晶向的有向

38、線段，其上任一點(diǎn)的座標(biāo) 值化為最簡整數(shù)后即為值化為最簡整數(shù)后即為晶向指數(shù)晶向指數(shù)。 如左圖中如左圖中紅色紅色線段的座標(biāo)值線段的座標(biāo)值X=1X=1， Y=1/2,Z=0Y=1/2,Z=0，則其晶向指數(shù)為，則其晶向指數(shù)為210210 而而綠色綠色線段的座標(biāo)值線段的座標(biāo)值X=0X=0，Y=1,Z=Y=1,Z= -1,-1, 則其晶向指數(shù)為則其晶向指數(shù)為011011 210 110 011 晶面晶面-晶體中各種方位的原子面稱為晶面。晶體中各種方位的原子面稱為晶面。 立方晶系立方晶系的晶面指數(shù)通常采用的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法密勒指數(shù)法確定，即根據(jù)確定，即根據(jù) 晶面與晶面與3 3個坐標(biāo)軸的截距來決定晶

39、面指數(shù)。通常選晶胞中個坐標(biāo)軸的截距來決定晶面指數(shù)。通常選晶胞中 不在所求晶面上的某個頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)不在所求晶面上的某個頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)( (不出現(xiàn)零截距不出現(xiàn)零截距) )， 以晶胞以晶胞3 3條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位；取晶面的條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位；取晶面的 三坐標(biāo)三坐標(biāo)截距值的倒數(shù)截距值的倒數(shù)，并化為最簡整數(shù)即為其晶面指數(shù)。，并化為最簡整數(shù)即為其晶面指數(shù)。 晶面的方位通常采用晶面的方位通常采用晶面指數(shù)晶面指數(shù)( ( h k l ) )表示。表示。 如上圖中如上圖中綠色晶面綠色晶面與與3 3個坐標(biāo)軸的截距為個坐標(biāo)軸的截距為1 1、1 1、1/21/2， 其晶面指數(shù)為（其晶面指數(shù)

40、為（112112）。）。 ! ! ! 需要注意的是：需要注意的是： 所有所有相互平行的晶向相互平行的晶向都具有都具有相同的晶向指數(shù)相同的晶向指數(shù)。 如果晶向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同，如果晶向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同， 符號相反；符號相反； 所有所有相互平行的晶面相互平行的晶面都具有都具有相同的晶面指數(shù)相同的晶面指數(shù)。 晶面指數(shù)的數(shù)值相同而符號相反，表示這兩個晶面指數(shù)的數(shù)值相同而符號相反，表示這兩個 晶面，如（晶面，如（100100）與（）與（100100）平行地分布在坐標(biāo)）平行地分布在坐標(biāo) 原點(diǎn)的兩邊。原點(diǎn)的兩邊。 體心立方晶格體心立方晶格 -晶胞形狀為立方體，晶胞形狀為立方體

41、，8 8個頂點(diǎn)及體個頂點(diǎn)及體 心各有心各有1 1個原子個原子(1(1個晶胞個晶胞2 2個原子個原子) )，晶格常數(shù)，晶格常數(shù) = = b b = = , , = = = =90= =90。屬于此類晶格的金屬有鉻、鉬、釩、。屬于此類晶格的金屬有鉻、鉬、釩、 鎢、鎢、- -鐵等。具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和塑性。鐵等。具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和塑性。 4、常見的晶格類型及其致密度、常見的晶格類型及其致密度 c ca a 面心立方面心立方晶格晶格 -晶胞形狀為立方體，晶胞形狀為立方體，8 8個頂點(diǎn)及個頂點(diǎn)及6 6 個表面的中心各有個表面的中心各有1 1個原子個原子(1(1個晶胞個晶胞4 4個原子個原子) )，晶格常，

42、晶格常 數(shù)數(shù) = = b b = = , , = = = =90= =90。屬于此類晶格的金屬有金、。屬于此類晶格的金屬有金、 銀、銅、鋁、鎳、銀、銅、鋁、鎳、 - -鐵等。具有較好的塑性而且低溫鐵等。具有較好的塑性而且低溫 下不會發(fā)生下不會發(fā)生冷脆冷脆。 c ca a 密排六方密排六方晶格晶格 -晶胞形狀是一個六方柱體。柱體晶胞形狀是一個六方柱體。柱體 的的1212個頂點(diǎn)及上、下底面中心各有個頂點(diǎn)及上、下底面中心各有1 1個原子，柱體中心個原子，柱體中心 還有還有3 3個原子個原子(1(1個晶胞個晶胞6 6個原子個原子) )。屬于這類晶格的金屬。屬于這類晶格的金屬 有鎂、鋅、鈹、鎘等。塑性一

43、般較差。有鎂、鋅、鈹、鎘等。塑性一般較差。 致密度致密度-晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。 ？體心立方、面心立方及密排六方晶格的體心立方、面心立方及密排六方晶格的 致密度為多少？致密度為多少？ 提示提示: : 先按原子排列最緊密的晶向推算出原子半徑與先按原子排列最緊密的晶向推算出原子半徑與 晶格常數(shù)的關(guān)系，再計(jì)算一個晶胞中原子所占晶格常數(shù)的關(guān)系，再計(jì)算一個晶胞中原子所占 體積以及晶胞的體積。體積以及晶胞的體積。 如體心立方晶格中，原子排列如體心立方晶格中，原子排列 最緊密的晶向?yàn)樽罹o密的晶向?yàn)?11111，可以推出：，可以推出： 原子半徑原子半徑 r r=

44、= 3 4 4 3 3 a a 理想晶體是理想晶體是單晶體單晶體 結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)和 位向完全一致的晶體。位向完全一致的晶體。 單晶體一般性能呈現(xiàn)單晶體一般性能呈現(xiàn)各向異性各向異性， 須用特殊手段制取須用特殊手段制取。 實(shí)際金屬是實(shí)際金屬是多多晶體晶體 由許多結(jié)構(gòu)相同由許多結(jié)構(gòu)相同 但位向不同的小晶體所構(gòu)成的晶體。但位向不同的小晶體所構(gòu)成的晶體。 多晶體一般呈現(xiàn)多晶體一般呈現(xiàn)各向同性各向同性( (又稱為又稱為 偽各向同性，即各晶粒因位向不同而偽各向同性，即各晶粒因位向不同而 將各向異性抵消，使各向性能趨于相同將各向異性抵消，使各向性能趨于相同) ) 晶粒晶粒 晶界晶界 5、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

45、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 實(shí)際金屬有晶格缺陷實(shí)際金屬有晶格缺陷 原子排列規(guī)則受到破壞，原子排列規(guī)則受到破壞， 出現(xiàn)與理想結(jié)構(gòu)的偏差出現(xiàn)與理想結(jié)構(gòu)的偏差 點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：間隙原子間隙原子、 置換原子置換原子、 晶格空位晶格空位 晶格缺陷分為晶格缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷 所有的晶格所有的晶格缺陷都將導(dǎo)致其周圍的晶格發(fā)生畸變，缺陷都將導(dǎo)致其周圍的晶格發(fā)生畸變， 從而引起金屬的力學(xué)性能、化學(xué)性能等發(fā)生顯著的變化。從而引起金屬的力學(xué)性能、化學(xué)性能等發(fā)生顯著的變化。 一般而言，一般而言，晶格晶格缺陷越多，強(qiáng)度、硬度越高。缺陷越多，強(qiáng)度、硬度越高。 線缺陷：線缺陷：位錯位錯（一列或多列

46、原子發(fā)生錯排）（一列或多列原子發(fā)生錯排） 面缺陷：面缺陷：晶界晶界或或亞晶界亞晶界上的晶格畸變上的晶格畸變 晶界晶界亞晶界亞晶界 晶粒與晶粒晶粒與晶粒 之間的交界面之間的交界面 在同一晶粒內(nèi)，在同一晶粒內(nèi)， 略有位向差的略有位向差的 小晶塊之間的邊界小晶塊之間的邊界 如如NaCl是以離子鍵結(jié)合的是以離子鍵結(jié)合的離子晶體離子晶體；金剛石金剛石 是以共價鍵結(jié)合的是以共價鍵結(jié)合的共價晶體；共價晶體；塑料、橡膠等則是塑料、橡膠等則是 高分子晶體高分子晶體（分子內(nèi)分子內(nèi)共價鍵，分子間分子鍵）。共價鍵，分子間分子鍵）。 非金屬材料有些是晶體，有些是非晶體。非金屬材料有些是晶體，有些是非晶體。 三、非三、非

47、金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu) 而普通玻璃、松香等都是非晶體。由于非晶體而普通玻璃、松香等都是非晶體。由于非晶體 的原子或分子的排列狀態(tài)類似于液體，故又被稱為的原子或分子的排列狀態(tài)類似于液體，故又被稱為 “被凍結(jié)的液體被凍結(jié)的液體”。 微晶玻璃微晶玻璃（鋼化玻璃、晶態(tài)玻璃）（鋼化玻璃、晶態(tài)玻璃） 1-4 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶 一、有關(guān)結(jié)晶的幾個概念一、有關(guān)結(jié)晶的幾個概念 二、金屬的結(jié)晶過程二、金屬的結(jié)晶過程 三、結(jié)晶后的晶粒大小三、結(jié)晶后的晶粒大小 五、金屬鑄錠的組織形態(tài)五、金屬鑄錠的組織形態(tài) 四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 一、一、有關(guān)結(jié)晶的幾個概念有關(guān)結(jié)晶的幾個概念 1.結(jié)晶結(jié)

48、晶-液態(tài)金屬凝固成為原子有規(guī)則排列的液態(tài)金屬凝固成為原子有規(guī)則排列的 晶體的過程。晶體的過程。 2.冷卻曲線冷卻曲線-液態(tài)金屬從高溫冷卻至室溫的過液態(tài)金屬從高溫冷卻至室溫的過 程中測得的溫度程中測得的溫度-時間變化曲線。時間變化曲線。 溫度溫度 無限緩慢冷卻時無限緩慢冷卻時 溫度溫度 實(shí)際冷卻時實(shí)際冷卻時 T0 T 時間時間 時間時間 3.3.理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T T0 0-在無限緩慢冷卻條件下的在無限緩慢冷卻條件下的 平衡結(jié)晶溫度。平衡結(jié)晶溫度。 4.4.過冷現(xiàn)象及過冷度過冷現(xiàn)象及過冷度 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象-實(shí)際冷卻實(shí)際冷卻條件下，實(shí)際結(jié)晶溫度總條件下，實(shí)際結(jié)晶溫度總 是低于理論（平衡）

49、結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。是低于理論（平衡）結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。 過冷度過冷度-理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。 過冷度與冷卻速度的關(guān)系：過冷度與冷卻速度的關(guān)系： 冷卻速度越快，過冷度冷卻速度越快，過冷度 T T越大越大。 二、金屬的結(jié)晶過程二、金屬的結(jié)晶過程 結(jié)晶結(jié)晶=晶核形成晶核形成+晶核長大晶核長大 通常情況下，晶核形成后的晶核長大方式是通常情況下，晶核形成后的晶核長大方式是 呈樹枝狀的長大，即首先沿散熱條件最好的晶核呈樹枝狀的長大，即首先沿散熱條件最好的晶核 棱角處快速生長形成主干（一次晶軸），同時又棱角處快速生長形成主干（一次晶軸），同時又 不斷地生出新的分枝，直

50、至液體全部消耗殆盡。不斷地生出新的分枝，直至液體全部消耗殆盡。 一般結(jié)晶完畢后，這種樹枝晶形態(tài)并不顯露，一般結(jié)晶完畢后，這種樹枝晶形態(tài)并不顯露， 但在鑄錠組織中較為明顯。但在鑄錠組織中較為明顯。 根據(jù)結(jié)晶過程分析，若形核速度快于生長速根據(jù)結(jié)晶過程分析，若形核速度快于生長速 度，則結(jié)晶后的晶體晶粒細(xì)密，力學(xué)性能較好；度，則結(jié)晶后的晶體晶粒細(xì)密，力學(xué)性能較好； 而若形核少、生長快，則易得到粗大的晶粒，造而若形核少、生長快，則易得到粗大的晶粒，造 成力學(xué)性能的下降。成力學(xué)性能的下降。 三、結(jié)晶后的晶粒大小三、結(jié)晶后的晶粒大小 金屬結(jié)晶后的晶粒愈細(xì)，晶界面積就愈大金屬結(jié)晶后的晶粒愈細(xì)，晶界面積就愈大,

51、 , 意味著晶體缺陷就愈多，則對金屬力學(xué)性能的影意味著晶體缺陷就愈多，則對金屬力學(xué)性能的影 響愈大。一般情況下，響愈大。一般情況下，細(xì)晶粒組織的強(qiáng)度、硬度、細(xì)晶粒組織的強(qiáng)度、硬度、 塑性和韌性都比粗晶粒組織好塑性和韌性都比粗晶粒組織好。 細(xì)化晶粒的方法：細(xì)化晶粒的方法： 1.增大冷卻速度以提高過冷度，可細(xì)化晶粒。增大冷卻速度以提高過冷度，可細(xì)化晶粒。 如鑄造時用金屬型代替砂型，加快冷卻。如鑄造時用金屬型代替砂型，加快冷卻。 2.通過變質(zhì)處理（孕育處理）增加晶核數(shù)，可通過變質(zhì)處理（孕育處理）增加晶核數(shù)，可 細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒。 勻質(zhì)晶核（自發(fā)晶核）勻質(zhì)晶核（自發(fā)晶核） 異質(zhì)晶核（人工晶核）異質(zhì)晶

52、核（人工晶核） 3.結(jié)晶時外加振動（機(jī)械、超聲波、電磁）破結(jié)晶時外加振動（機(jī)械、超聲波、電磁）破 碎大晶粒，獲得細(xì)晶組織。碎大晶粒，獲得細(xì)晶組織。 四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 固態(tài)物質(zhì)隨溫度不同而改變其原子排列方式，固態(tài)物質(zhì)隨溫度不同而改變其原子排列方式， 得到不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為得到不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又，又 稱為稱為重結(jié)晶重結(jié)晶。 純鐵的同素純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程：異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程： 912912 13941394 -Fe-Fe -Fe-Fe - -FeFe ( (體心立方）體心立方） （面心立方）（面心立方） （體心立方）（體心立方） 具有同素

53、異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬（如具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬（如FeFe、CoCo、SnSn、MnMn等）等） 可以通過熱處理來改變組織和性能?？梢酝ㄟ^熱處理來改變組織和性能。 液態(tài)鐵液態(tài)鐵 15381538 結(jié)晶結(jié)晶重結(jié)晶重結(jié)晶重結(jié)晶重結(jié)晶 五、金屬鑄錠的組織形態(tài)五、金屬鑄錠的組織形態(tài) 生產(chǎn)中應(yīng)用的金屬材生產(chǎn)中應(yīng)用的金屬材 料，無論是板材、棒材，料，無論是板材、棒材， 還是線材，其原始的狀態(tài)還是線材，其原始的狀態(tài) 一般都為錠材，即將液態(tài)一般都為錠材，即將液態(tài) 金屬澆入鑄?；蜩T型中冷金屬澆入鑄模或鑄型中冷 卻結(jié)晶而成的。鑄錠的組卻結(jié)晶而成的。鑄錠的組 織形態(tài)將直接影響材料的織形態(tài)將直接影響材料的 性能。性

54、能。 1-表面細(xì)晶表面細(xì)晶 1 2 3 2-內(nèi)層柱狀晶內(nèi)層柱狀晶 鑄錠組織示意圖鑄錠組織示意圖 3-中心粗大等軸晶中心粗大等軸晶 1-5 二元合金二元合金 一、有關(guān)合金的幾個概念一、有關(guān)合金的幾個概念 二、合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 三、二元合金相圖三、二元合金相圖 一、有關(guān)合金的幾個概念一、有關(guān)合金的幾個概念 合金合金-由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與 非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 元元-組成合金的元素或穩(wěn)定化合物叫組元，簡稱元。組成合金的元素或穩(wěn)定化合物叫組元，簡稱元。 相相-成分相同、結(jié)構(gòu)相同，

55、并與其它部分以界面分開成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分以界面分開 的均勻物質(zhì)部分。的均勻物質(zhì)部分。 組織組織-由一個或多個相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的，由一個或多個相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的， 具有相同形貌特征的整體。具有相同形貌特征的整體。 固態(tài)合金的晶格結(jié)構(gòu)按其基本的相屬性來分，固態(tài)合金的晶格結(jié)構(gòu)按其基本的相屬性來分， 可以分為固溶體和化合物兩大類?？梢苑譃楣倘荏w和化合物兩大類。 二、合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.固溶體固溶體-( (少數(shù)少數(shù)) )溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入( (多數(shù)多數(shù)) )溶劑原子溶劑原子 的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)中所形成的合金相。中所形成的合金相。 固溶體仍將保持

56、溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)，但晶格參數(shù)固溶體仍將保持溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)，但晶格參數(shù) 發(fā)生改變。發(fā)生改變。 間隙固溶體：間隙固溶體： 置換固溶體：置換固溶體： 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化-固溶體形成時，因溶質(zhì)原子鉆入溶劑原子固溶體形成時，因溶質(zhì)原子鉆入溶劑原子 的間隙或置換溶劑原子而引起晶格畸變，造成合金強(qiáng)度、的間隙或置換溶劑原子而引起晶格畸變，造成合金強(qiáng)度、 硬度提高的現(xiàn)象。硬度提高的現(xiàn)象。 溶劑原子直徑溶劑原子直徑 溶質(zhì)原子直徑溶質(zhì)原子直徑 0.590.59 時形成。是時形成。是有限固溶體有限固溶體 溶質(zhì)和溶劑原子大小接近時形成。溶質(zhì)和溶劑原子大小接近時形成。有限有限互溶互溶 或或無限無限互溶，溫度越高，溶解

57、度越大?；ト?，溫度越高，溶解度越大。 2.金屬化合物金屬化合物-兩組元都放棄自身的原子排列方兩組元都放棄自身的原子排列方 式而形成的一種具有全新晶體結(jié)式而形成的一種具有全新晶體結(jié) 構(gòu)的新物質(zhì)。構(gòu)的新物質(zhì)。 化合物一般具有復(fù)雜的晶格，熔點(diǎn)高，硬而脆?；衔镆话憔哂袕?fù)雜的晶格，熔點(diǎn)高，硬而脆。 3.機(jī)械混合物機(jī)械混合物-由固溶體和金屬化合物均勻混合由固溶體和金屬化合物均勻混合 而成的物質(zhì)。而成的物質(zhì)。 機(jī)械混合物可以將固溶體的柔軟和化合物的硬脆進(jìn)機(jī)械混合物可以將固溶體的柔軟和化合物的硬脆進(jìn) 行不同程度的中和，從而滿足不同的性能要求。所以，行不同程度的中和，從而滿足不同的性能要求。所以， 工業(yè)中使用

58、的合金都希望有相當(dāng)比例的機(jī)械混合物存在。工業(yè)中使用的合金都希望有相當(dāng)比例的機(jī)械混合物存在。 * *另外，固態(tài)合金的晶格結(jié)構(gòu)還可按其組織屬性來分，另外，固態(tài)合金的晶格結(jié)構(gòu)還可按其組織屬性來分， 將分為將分為固溶體固溶體、化合物化合物和和機(jī)械混合物機(jī)械混合物三大類。三大類。 三、二元合金相圖三、二元合金相圖 1.幾個基本概念：幾個基本概念： 二元二元合金合金-由兩種組元組成的合金。由兩種組元組成的合金。 合金系合金系-組元組元相同但相同但配比不同的系列合金。配比不同的系列合金。 如如Cu-NiCu-Ni系、系、Pb-SnPb-Sn系等。系等。 相平衡相平衡-合金系中各相的成分、結(jié)構(gòu)和相對量合金系中

59、各相的成分、結(jié)構(gòu)和相對量 趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化的狀態(tài)。趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化的狀態(tài)。 相圖相圖-表達(dá)表達(dá)平衡條件平衡條件下，下，合金系中溫度、成分合金系中溫度、成分 和相組織之間關(guān)系的圖形。又稱為合金和相組織之間關(guān)系的圖形。又稱為合金 狀態(tài)圖。狀態(tài)圖。 自由度自由度-保持相保持相平衡時，合金體系中可獨(dú)立改平衡時，合金體系中可獨(dú)立改 變的因素?cái)?shù)目（如溫度、壓力、相的變的因素?cái)?shù)目（如溫度、壓力、相的 成分等）。成分等）。 如自由度為如自由度為0 0，表示溫度、壓力、相成分都不能獨(dú)立，表示溫度、壓力、相成分都不能獨(dú)立 改變，否則會引起平衡相的改變；自由度為改變，否則會引起平衡相的改變；自由度為1

60、1，表示只能，表示只能 改變?nèi)咧欢挥绊懫胶庀?；依此類推。改變?nèi)咧欢挥绊懫胶庀?；依此類推?在只考慮溫度影響時，相律表達(dá)式為：在只考慮溫度影響時，相律表達(dá)式為： F FC CP P 1 1 其中其中: F 體系的自由度數(shù)；體系的自由度數(shù)； C 體系中獨(dú)立組元數(shù)；體系中獨(dú)立組元數(shù)； P 相數(shù)；相數(shù)； 相律表達(dá)式相律表達(dá)式-表示在平衡條件下，獨(dú)立組元數(shù)、表示在平衡條件下，獨(dú)立組元數(shù)、 相數(shù)和自由度三者之間的關(guān)系式。相數(shù)和自由度三者之間的關(guān)系式。 2.相圖的作用：相圖的作用： 分析各種類型、各種成分的合金在不同溫度下分析各種類型、各種成分的合金在不同溫度下 的組織形態(tài)，從而比較各自性能的差