材料緒論、第一章

1、2022-5-21機械工程材料主編 王 忠 鄭明新 主講 李慶芬清華大學(xué)出版社（第2版）2022-5-22第1章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 2第2章 金屬的塑性變形與 再結(jié)晶 4第3章 合金的相結(jié)構(gòu)與二 元合金相圖 4第4章 鐵碳合金 4第5章 鋼的熱處理 12第6章 合金鋼 8第7章 鑄鐵 2第8章 有色金屬及其合金 2第9章 非金屬材料 0第10章 納米材料與功能材料 0第11章 表面技術(shù)簡介 0第12章機械工程材料的選用 4復(fù)習(xí) 機械工程材料 內(nèi)容進度安排（共50課時）2022-5-23緒論緒論材料發(fā)展史材料發(fā)展史 材料是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)材料是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ), ,材料材料的發(fā)展

2、和應(yīng)用是人類進化的標(biāo)志。的發(fā)展和應(yīng)用是人類進化的標(biāo)志?！安牟牧狭稀?、“能源能源”與與“信息信息”被稱為現(xiàn)代被稱為現(xiàn)代文明的三大支柱。文明的三大支柱。 一、材料一、材料二、二、人類發(fā)展與材料人類發(fā)展與材料人們按照在使用中占主導(dǎo)地位的材料劃分歷史：人們按照在使用中占主導(dǎo)地位的材料劃分歷史：石器時代石器時代陶器陶器青銅器青銅器鐵器鐵器鋼鐵（資本主義大工業(yè)時期）鋼鐵（資本主義大工業(yè)時期）合成材料（合成材料（2020世紀(jì)）世紀(jì)）復(fù)合材料（復(fù)合材料（2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代）年代）結(jié)構(gòu)材料陶瓷高分子材料功能材料金屬 工程材料2022-5-24三、三、材料科學(xué)技術(shù)材料科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代文明的支柱之一現(xiàn)代文明的

3、支柱之一 人與動物的區(qū)別：人與動物的區(qū)別： 1 1、制造工具（本質(zhì)）、制造工具（本質(zhì)） 2 2、能源的利用、能源的利用 3 3、信息的傳播和保存、信息的傳播和保存人類文明大廈的四大支柱技術(shù)：人類文明大廈的四大支柱技術(shù)： 材料科學(xué)與技術(shù)材料科學(xué)與技術(shù) 生物科學(xué)與技術(shù)生物科學(xué)與技術(shù) 能源科學(xué)與技術(shù)能源科學(xué)與技術(shù) 信息科學(xué)與技術(shù)信息科學(xué)與技術(shù)緒論緒論材料發(fā)展史材料發(fā)展史 2022-5-25緒論五、五、工程材料的常見分類工程材料的常見分類 1 無機材料無機材料（金屬、（金屬、 金屬間化合物、無機非金屬材金屬間化合物、無機非金屬材料（料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷）玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷） 2 有機材料有機材

4、料（有機天然材料、有機合成高分子材料）（有機天然材料、有機合成高分子材料） 3 復(fù)合材料復(fù)合材料 （金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化（金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化合物基）合物基）金屬材料金屬材料 陶瓷材料（離子鍵和共價鍵，離子鍵為主）陶瓷材料（離子鍵和共價鍵，離子鍵為主） 高分子材料（共價鍵、分子鍵和氫鍵，高分子材料（共價鍵、分子鍵和氫鍵，共價鍵為主）共價鍵為主）。 2022-5-26第1章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.1金屬鍵、金屬晶體、金屬特性 金屬鍵 金屬晶體 金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、不透明、具有特殊光澤、塑性2022-5-27 晶體：晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期

5、性排列遠程有序。 非晶體：非晶體：原子無規(guī)則堆積，也稱為 “過冷液體”短程有序。晶體晶體金剛石、NaCl、冰 等。液體液體近程有序非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2022-5-28 晶格：空間格架晶格：空間格架 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)zxy a ab bc c 晶胞：基本幾何單元晶胞：基本幾何單元 晶格常數(shù)：尺寸，晶胞大小晶格常數(shù)：尺寸，晶胞大小 各邊長度各邊長度 a a、b b、c c 單位埃單位埃 空間角度空間角度、 2022-5-29常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬大都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型的為以下三種：（金屬大都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型

6、的為以下三種：（1 1）體心立方晶格）體心立方晶格bccbcc（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格fccfcc（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格hcphcp2022-5-210體心立方晶格體心立方晶格在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，在體中心有一個原子，每個原子與空間點陣中的一個陣點相對應(yīng)。屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有- Fe, Cr, Mo, W,V等。 2022-5-211體心立方體心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3X2返回返回P51.2.2P61.2.3晶格的致密度是

7、指晶胞中，原子球所占的晶格的致密度是指晶胞中，原子球所占的體積與晶胞體積之比值：體積與晶胞體積之比值：V原子原子 / V晶胞晶胞2022-5-212面心立方晶格面心立方晶格2022-5-213面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向42022-5-214C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常數(shù)晶格常數(shù) 底面邊長a 底面間距c 側(cè)面間角120 側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0. 74密排六方晶格密排六方晶格2022-5-21521818n4216818n632126112n2022-5-216ar43ar

8、42ar212022-5-21733334342234U30.68arnKVaa33334244434U30.74arnKVaa333241466U3230.743 383 223arnKVaaa2022-5-2182022-5-219XYZabc晶面晶面通過原子中心的平面晶向晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc晶面指數(shù)表示a、設(shè)坐標(biāo) b、求面與坐標(biāo)軸截距 c、取倒數(shù) d、化簡后入圓括號（hkl）20 立方晶系常見的晶面為：立方晶系常見的晶面為：110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY2022-5-223212022-5-224 100晶面族有：晶面族有

9、：（100）、（）、（010）和（）和（001）晶面。）晶面。111晶面族有：晶面族有：（111）、（）、（ 11）、（）、（1 1）和（和（11 ）晶面）晶面 。11125晶向族晶向族-原子排列情況相同但空間位向不同的所有晶向，用u v w表示 。如：如：晶向族包括：110、101、011、 、 、 、 、 、 、 、 、 12個晶向；晶向族包括：111、 、 、 、 、 、 、 8個晶向。 （2）晶向）晶向-晶體中原子列所表示的方向。晶體中原子列所表示的方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù)-表示晶向的數(shù)字符號稱為晶向指數(shù)。表示晶向的數(shù)字符號稱為晶向指數(shù)。uvw晶向指數(shù)的確定：晶向指數(shù)的確定：n設(shè)定一空間

10、坐標(biāo)系，原點在待定晶向的一結(jié)點上。n寫出該晶向上另一結(jié)點的空間坐標(biāo)值：即為001、210。n將坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)：001、210。n將化好的整數(shù)記在方括號中。10101111001110111001111010111111111111111111111126密排六方晶格的晶向晶面指數(shù) 六方晶系采用四指數(shù)六方晶系采用四指數(shù)方法表示晶面和晶向。方法表示晶面和晶向。水平坐標(biāo)軸選取互相成水平坐標(biāo)軸選取互相成120120夾角的三坐標(biāo)軸夾角的三坐標(biāo)軸a1a1、a2a2和和a3, a3, 垂直軸為垂直軸為c c軸。軸。晶面表示為晶面表示為( (hkilhkil), ), 晶晶面族為面族為 hkilhk

11、il, , 晶向表晶向表示為示為 uvtwuvtw, , 晶向族為晶向族為 。2022-5-2271.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2022-5-2281.3 金屬的結(jié)晶 結(jié)晶金屬由液體狀態(tài)變?yōu)榫w狀態(tài)的過程 1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)局部“原子集團”、近程有序固態(tài)遠程有序 2理論結(jié)晶溫度T0、實際結(jié)晶溫度Tn純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進行的 3過冷與過冷度T T= T0-Tn金屬結(jié)晶的充分和必要條件是具有過冷度冷卻速度越大， T越大，越促進結(jié)晶原子間距相差不大結(jié)構(gòu)相似 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線2022-5-2291.3 金屬的結(jié)晶 4結(jié)晶過程晶核形成+晶核長大晶核形成自發(fā)形核非自發(fā)形核提高冷卻速度加

12、入雜質(zhì)晶核長大合適過冷度樹枝狀長大2022-5-230液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長大晶核長大完全結(jié)晶完全結(jié)晶形核形核和和晶核長大晶核長大的過程的過程1.3 金屬的結(jié)晶2022-5-2311.3 金屬的結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶2022-5-232p 理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。p 實際晶體：實際晶體：多晶體+晶體缺陷晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）1.4金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)和缺陷 晶界晶界多晶體2022-

13、5-233亞晶粒亞晶粒晶粒內(nèi)因雜質(zhì)和受力等破碎，較小部分近似于理想晶體的結(jié)構(gòu)稱為亞晶粒亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差一般為幾十分到幾度。大晶粒中的小晶粒稱為亞晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界亞晶界晶界、亞晶界特點：（1）強度高 （2） 易被腐蝕2022-5-234p 晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。1.4金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)和缺陷點缺陷晶體中的各種點缺陷a）空位 b）間隙原子 c）、d）置換原子 線缺陷 刃形和螺旋形位錯2022-5-235p 晶體缺陷：晶體缺陷

14、：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。1.4金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)和缺陷面缺陷晶界亞晶界2022-5-2361.5金屬的鑄錠和鑄件1 金屬鑄錠組織1） 鑄錠的形成和組織：細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、等軸晶區(qū)2） 鑄錠組織的特性：組織較致密，力學(xué)性能好表面細晶粒區(qū)表面細晶粒區(qū)中間柱狀晶粒區(qū)中間柱狀晶粒區(qū)中心等軸晶粒區(qū)中心等軸晶粒區(qū)2022-5-237細晶區(qū)1.5金屬的鑄錠和鑄件鑄模壁金屬層，過冷度大，鑄模壁表面粗糙，起非自發(fā)形核作用，大量晶核出現(xiàn)，形成很薄一層細小晶粒區(qū)域柱狀晶區(qū)細晶區(qū)形成，過冷度降低，散熱是沿垂直與模壁方向，晶體只能由外向

15、里生長，長大又受四周正在長大的晶體限制，形成彼此相互平行的柱狀晶區(qū)。此區(qū)密度大，但晶界處雜質(zhì)多強度下降且有方向性等軸晶區(qū)柱狀晶區(qū)形成，內(nèi)部散熱更慢，過冷度降到最低，柱狀晶區(qū)形成放出部分潛熱，使得中心區(qū)域溫度居高不下而且均勻，促進了等軸粗大晶粒的形成。此區(qū)交叉結(jié)合牢固，性能均勻，無方向性，但晶枝使密度稍差l純金屬、高溫澆注、冷卻速度快、使用金屬模時有利于柱狀晶區(qū)形成l低溫澆注、冷卻速度小、界面溫度均勻時有利于等軸晶區(qū)形成2022-5-23831.5金屬的鑄錠和鑄件2 金屬鑄件組織1）金屬鑄件性能的關(guān)鍵在于：細化晶粒+設(shè)計采用過渡圓角2) 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響： 晶粒越細，金屬強度越高，塑

16、性和韌性也越好 生產(chǎn)中常通過細化晶粒來改善核提高金屬鑄件的性能3）細化晶粒的措施： 增加過冷度 采用金屬模，提高冷卻速度 變質(zhì)處理 加入高熔點固體粒子，增加形核，稱孕育劑 振動減少氣孔、縮孔，控制粒度均勻4）圓角過渡：避免尖銳處形成的雜質(zhì)弱面，減少垂直柱狀區(qū)易開裂的危險2) 2) 為細化晶粒，可采用：為細化晶粒，可采用： 快速澆注（高溫熔化，低溫澆注）快速澆注（高溫熔化，低溫澆注） b. b. 加加變質(zhì)劑變質(zhì)劑c. c. 以砂型代金屬型（反了）以砂型代金屬型（反了）1) 1) 金屬結(jié)晶時，冷卻速度越快，其實際結(jié)晶溫度將金屬結(jié)晶時，冷卻速度越快，其實際結(jié)晶溫度將：a. a. 越高越高b. b. 越低越低c. c. 越接近越接近理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度a. a. 提高過冷度提高過冷度b. b. 變質(zhì)處理變質(zhì)處理c. c. 振動結(jié)晶振動結(jié)晶4) 4) 如果其他條件相同，試比較下列鑄造條件下鑄件晶粒的大?。喝?/p>