第1章-材料的原子結(jié)合方式及性能課件

機械工程材料動力與機械學(xué)院材料系于洋洋機械工程材料動力與機械學(xué)院材料系1緒

論1.課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課2.材料科學(xué)的含義：

材料:組成或制造器件的物質(zhì).材料科學(xué):研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系的科學(xué)。緒

論1.課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課2教材

與

參考書

教材周鳳云.工程材料及應(yīng)用.華中科技大學(xué)出版社.2003年參考書劉智恩.材料科學(xué)基礎(chǔ).西北工業(yè)大學(xué)出版社.2003年石德柯.材料科學(xué)基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社.2005年孫茂才.金屬力學(xué)性能.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2005年崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理原理.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2007年相關(guān)學(xué)科材料科學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)性能物理性能金屬學(xué)及熱處理材料成型機械制造金屬工藝學(xué)……教材

與

參考書

教材相關(guān)學(xué)科3緒論成績考核：平時成績：課堂提問+課堂討論+平時測驗期末成績：考試課程總成績＝平時成績*30％+期末考試成績*70％

緒論成績考核：4機械工

程

材

料第1章：材料的原子結(jié)合方式和性能第2章：材料的晶體結(jié)構(gòu)第3章：材料的凝固與相圖第4章：鐵碳合金第5章：鋼鐵熱處理第6章：金屬材料的塑性變形第7章：合金鋼第8章：非鐵金屬材料第9章：高分子材料的結(jié)構(gòu)第10章：陶瓷材料第11章：復(fù)合材料第12章：機械設(shè)計與選材第13章材料表面改性技術(shù)第14章：材料的顯微組織鑒別機械工

程

材

料第1章：材料的原子結(jié)合方式和性能5第1章材料的原子結(jié)合方式及性能第1節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合鍵第2節(jié)工程材料的分類第3節(jié)材料的性能第1章材料的原子結(jié)合方式及性能第1節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合鍵6第一節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合鍵固體分類：晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體三大類。晶體：原子、分子或離子按照一定的規(guī)律周期排列組成的固體，長程有序，各向異性。（自然界存在）非晶：組成物質(zhì)的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體。各向同性，沒有一定規(guī)則的外形。準(zhǔn)晶：具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的固體，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重復(fù)。（自然界不存在，一般出現(xiàn)在淬冷合金中）硅表面原子排列碳表面原子排列非晶準(zhǔn)晶第一節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合鍵固體分類：晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體7原子的結(jié)合方式1原子結(jié)構(gòu)?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?2原子結(jié)合能①排斥力②吸引力原子間相互作用的勢能具有最低值，稱為原子的結(jié)合能。原子序數(shù)原子量阿佛伽德羅常數(shù)原子量單位電負(fù)性3原子結(jié)合鍵①金屬鍵與金屬晶體②共價鍵與原子晶體③離子鍵與離子晶體④范德瓦爾鍵與分子晶體原子的結(jié)合方式1原子結(jié)構(gòu)?2003Brooks/C8?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向性和飽和性；金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點較高。如金屬。金屬鍵與金屬晶體?2003Brooks/ColePublishing9?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing10共價鍵與原子晶體原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導(dǎo)電性差。如陶瓷材料。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?共價鍵與原子晶體原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和11離子鍵與離子晶體原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無方向性和飽和性；離子晶體：硬度高，脆性大，熔點高、導(dǎo)電性差。如NaCl。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?離子鍵與離子晶體?2003Brooks/ColePub12分子鍵與分子晶體

氫鍵：離子結(jié)合：X-H-Y（氫鍵結(jié)合），結(jié)合力弱。有方向性，如O-H—O。如高分子材料?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?分子鍵與分子晶體

氫鍵：?2003Brooks/Cole13第二節(jié)工程材料的分類2、按結(jié)晶狀態(tài)分：單晶體材料多晶體材料非晶體材料1、按用途分：建筑材料電工材料結(jié)構(gòu)材料3、按物理性能分：半導(dǎo)體材料、磁性材料、激光材料、熱電材料、壓電材料、壓敏材料、聲電材料、光電材料等等第二節(jié)工程材料的分類2、按結(jié)晶狀態(tài)分：1、按用途分：3、按14緒

論4.工程材料的分類：（按成分分類）

金屬材料：綜合性能等。陶瓷材料：高溫、穩(wěn)定性能等。高分子材料：耐腐蝕等特殊性能。復(fù)合材料：1＋1大于2。5.金屬材料分類：黑色金屬：鐵、錳與鉻有色金屬：除鐵、錳與鉻以

外的金屬材料金屬復(fù)合材料高分子陶瓷緒

論4.工程材料的分類：（按成分分類）15第三節(jié)

材料的性能材料的性能包括使用性能和使工藝性能。第三節(jié)

材料的性能材料的性能包括使用性161.使用性能：力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能金屬的力學(xué)性能：

材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。

表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金屬力學(xué)性能的判據(jù)。斷裂韌性疲勞沖擊韌性硬度強度塑性力學(xué)性能1.使用金屬的力學(xué)性能：斷裂疲勞沖擊硬度強度塑性力學(xué)17強度：材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。是衡量零件本身承載能力的重要指標(biāo)。強度是機械零件首先應(yīng)該滿足的指標(biāo)塑性：即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。拉伸試驗機液壓式萬能電子材料試驗機（一）強度和塑性強度：材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。是衡量零件本18圖1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣圖2拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象圖3拉伸式樣斷裂圖4斷口低倍放大像（SEM）圖5斷口高倍放大像（SEM）圖1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣圖2拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象圖3拉伸式樣19屈服強度力—伸長曲線b屈服彈性變形斷裂塑性變形σ（F）LOaefc縮頸抗拉強度彈性極限延伸率：斷面收縮率：A≈2--5%屬脆性材科A≈5--10%屬韌性材料A>10%屬塑性材料屈服強度力—伸長曲線b屈服彈性變形斷裂塑性變形σ（F）L20誰是大忽悠？汽車鋼板強度內(nèi)幕：大潛深潛艇（500-600m）主船體采用超高強度潛艇耐壓殼體用鋼：主流用鋼：俄、美、日等國屈服強度為900MPa～1080MPa俄羅斯：研發(fā)的АБ系列鋼最高強度甚至達(dá)到1175MPa級誰是大忽悠？汽車鋼板強度內(nèi)幕：大潛深潛艇（500-600m）21＞1000MPA46%13%41%≤420MPA≤220MPA汽車車身各部位用鋼量及用鋼強度（）＞1000MPA46%13%41%≤420MPA≤220MP22硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力。是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)。舉例說明硬度與強度的區(qū)別：金剛石、玻璃等，為高硬度、低強度的典型材料。洛氏硬度維氏硬度肖氏硬度莫氏硬度布氏硬度硬度試驗方法（二）硬度硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力。洛氏維氏肖氏莫氏布氏23布氏硬度計洛氏硬度計維氏硬度計布氏硬度計洛氏硬度計維24布氏、洛氏、維氏硬度壓頭硬度計算應(yīng)用范圍不可應(yīng)用范圍優(yōu)點缺點布氏洛氏維氏球形硬質(zhì)合金較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材等計算球形壓痕面積成品檢驗、薄件表面檢驗誤差小、穩(wěn)定、重復(fù)性強壓痕大，測量費時圓錐形金剛石四棱錐體金剛石直接讀數(shù)較硬材料、成品檢驗、薄件表面檢驗組織不均勻材料操作簡單、快捷，適用范圍廣，能側(cè)薄件測量精度低、可比性差、不同標(biāo)尺的硬度值不能比較計算四面體壓痕面積適用于大部分材料大批生產(chǎn)時的組織不均勻材料適用范圍廣、可比性強、可測量薄件操作麻煩，效率低布氏、洛氏、維氏硬度壓頭硬度計算應(yīng)用范圍不可應(yīng)用范圍優(yōu)點缺點25（三）沖擊韌性材料抵抗沖擊性外力而不破壞的能力。具體指：試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。T(oc)-40-20020204060ak韌脆轉(zhuǎn)變溫度T↓，ak急劇↓韌性→脆性金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊韌性愈好。（三）沖擊韌性材料抵抗沖擊性T(oc)-40-26（四）斷裂韌性低應(yīng)力脆斷有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。韌性脆斷的評定式中：K1c--斷裂韌性σc--斷裂時的應(yīng)力值（N/mm2）；

Y--裂紋的幾何形狀因子;

a--裂紋長度（mm）；

σσa圖1具有張開型裂紋的試樣當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時，零件安全可靠。（四）斷裂韌性低應(yīng)力脆斷式中：K1c--斷裂韌性σσa圖127第1章-材料的原子結(jié)合方式及性能ppt課件28（五）疲勞強度零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的交變應(yīng)力后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞極限σ-1:表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。循環(huán)次數(shù)（N）應(yīng)力σ(Mpa)σNσ-1有限壽命無限壽命鋼材的循環(huán)次數(shù)N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)N=108（五）疲勞強度零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受29夾雜物放射棱線和疲勞弧線疲勞源瞬斷區(qū)擴(kuò)展區(qū)高周疲勞斷口

航空渦噴6發(fā)動機葉片疲勞斷口（殲擊機）葉片疲勞條帶夾雜物放射棱線和疲勞弧線疲勞源瞬斷區(qū)擴(kuò)展區(qū)高周疲勞斷口航空30汽輪機機組第10級動葉片斷裂失效A裂源區(qū)B疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)C瞬時斷裂區(qū)D剪切純區(qū)汽輪機機組第10級動葉片斷裂失效ABCD31提高疲勞極限途徑：改善零件結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度采取表面強化提高疲勞極限途徑：322.使用性能：力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能（一）密度（二）熱學(xué)性能⒈熔點⒉熱容⒊熱膨脹⒋熱傳導(dǎo)（三）電學(xué)性能⒈電阻率ρ⒉電阻溫度系數(shù)；⒊介電性（四）磁學(xué)性能⒈磁導(dǎo)率μ；⒉飽和磁化強度Ms和磁矯頑力Ｈc

物理性能，不僅對工程材料的選用來說，有著重要的意義；而且也會對材料