機械工程材料

機械工程材料第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論材料與材料科學(xué)的發(fā)展；21世紀機械工程材料的發(fā)展趨勢；學(xué)習本門課程的目的與要求。第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月材料與材料科學(xué)的發(fā)展材料無處不在，無處不有物質(zhì)基礎(chǔ)石器時代青銅器時代鐵器時代第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

機械工程材料的定義機械工程材料主要指用于機械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等領(lǐng)域的材料。材料與材料科學(xué)的發(fā)展第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料：綜合性能好，用量最大、應(yīng)用范圍最廣聚合物材料：質(zhì)輕、耐腐蝕，常用于化工、機械、航空航天等陶瓷材料：高強、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于電器、化工、航空航天等復(fù)合材料：輕、高的比強度、比剛度，結(jié)合兩種材料的性能優(yōu)點，用于航空航天等領(lǐng)域材料與材料科學(xué)的發(fā)展

機械工程材料的分類

按使用性能分類：結(jié)構(gòu)材料——力學(xué)性能功能材料——電、光、聲、磁、熱

按化學(xué)成分分類：第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月21世紀機械工程材料的發(fā)展趨勢高性能的新型金屬結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合化低維材料應(yīng)用擴大功能材料和非晶態(tài)材料迅速發(fā)展新型材料實用化材料的設(shè)計及選用實行計算機化第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

學(xué)習本課程的目的獲得常用的機械工程材料的基本理論知識，了解其基本特性和應(yīng)用范圍；了解材料的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系的相互關(guān)系及其變化規(guī)律；第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月機械工程材料的常用性能

包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學(xué)性能（強度、塑性韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）生物性能（相容性、自恢復(fù)性等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月課程的性質(zhì)和任務(wù)工程材料是機械類、近機械類各專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是:使學(xué)生獲得有關(guān)工程材料的基本理論和基本知識；掌握常用工程材料成分－組織－性能－應(yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律；熟悉常用工程材料的生產(chǎn)工藝過程；具有根據(jù)機械零件的服役條件和失效形式、合理選用工程材料的初步能力。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)內(nèi)容

——理論教學(xué)第一章機械工程材料的結(jié)構(gòu)第二章材料的制備與相圖第三章材料的力學(xué)行為、塑性變形與再結(jié)晶第四章機械工程材料的強韌化第五章常用的金屬材料第六章聚合物、無機與復(fù)合材料第七章機械工程材料的合理選用第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月教材與學(xué)時安排教材：機械工程材料（第2版）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社主編：齊寶森李莉房強漢理論授課學(xué)時:

26學(xué)時實驗學(xué)時:

6學(xué)時第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月考核方式平時成績占20％（包括上課出勤、作業(yè)情況、課堂提問回答情況等），卷面成績占80％，最后核定本門課程的成績。第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章機械工程材料的結(jié)構(gòu)§1.1材料的原子鍵合與排列方式§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點§1.3實際晶體的結(jié)構(gòu)特征§1.4一般工程材料的結(jié)構(gòu)特點第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1材料的原子鍵合與排列方式§1.1.1材料的原子鍵合特征

化學(xué)鍵：組成物質(zhì)的質(zhì)點（原子、分子或離子）互相作用而聯(lián)系在一起，這種粒子之間的相互聯(lián)系稱為化學(xué)鍵。

離子鍵：正、負離子經(jīng)庫侖靜電引力相互結(jié)合起來的化學(xué)鍵稱為離子鍵。如NaCl。

共價鍵：由相鄰原子共同占有其部分價電子，使每個原子的最外層電子處于滿殼狀態(tài)，原子借助電子對將相鄰原子結(jié)合起來，稱為共價鍵。如金剛石。

金屬鍵：金屬正離子和自由電子之間相互作用結(jié)合氯鈉金屬離子電子氣第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1材料的原子鍵合與排列方式范德瓦爾斯鍵（分子鍵）和氫鍵：當不易失去或獲得電子的中性原子、分子靠近時，由于各自內(nèi)部出現(xiàn)正、負電荷中心不重合而產(chǎn)生極化作用，會在這些原子和分子間形成作用力，即范德瓦爾斯力?；旌湘I第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)合鍵的性能特點離子鍵共價鍵金屬鍵分子鍵結(jié)構(gòu)特點無方向性或方向性不明顯方向性明顯無方向性和飽和性無方向性和飽和性力學(xué)性質(zhì)強度高，硬度大強度高，硬度大有各種強度，有塑性塑性好熱學(xué)性質(zhì)熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有分子有各種熔點，導(dǎo)熱性好熔點不定，導(dǎo)熱性差電學(xué)性質(zhì)絕緣體，熔體為導(dǎo)體熔體為非導(dǎo)體導(dǎo)電體導(dǎo)電性差§1.1材料的原子鍵合與排列方式第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月“短程有序”——非晶態(tài)結(jié)構(gòu)

定義：原子僅在很小的范圍（約幾十個原子尺度）內(nèi)呈一定的規(guī)則排列，而從大范圍來看，則呈無規(guī)則排列。

非晶體材料：僅存在短程有序特點：（1）結(jié)構(gòu)無序，各向同性（2）無固定熔點（3）導(dǎo)熱率和熱膨脹性均?。?）塑性變形大（5）組成的變化范圍大§1.1材料的原子鍵合與排列方式§1.1.2材料中原子排列方式第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月“長程有序”——晶體結(jié)構(gòu)

定義：原子在很大的范圍內(nèi)均是按一定規(guī)則排列（即原子在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列）。

晶體材料：具有長程有序排列特點：（1）結(jié)構(gòu)有序，物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性（2）具有固定熔點（3）晶體的排列狀態(tài)是由構(gòu)成原子或分子的幾何學(xué)形狀和鍵的形式?jīng)Q定的（4）外形變化時，晶格類型不變

§1.1材料的原子鍵合與排列方式§1.1.2材料中原子排列方式第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點§1.2.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念在自然界中除了一些少數(shù)的物質(zhì)（如普通玻璃、松香等）以外，包括金屬在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。晶體結(jié)構(gòu)：是指晶體中原子的具體排列情況，也就是晶體中的這些質(zhì)點（原子、離子、分子）在三維空間有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。原子堆垛模型空間點陣第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶胞

構(gòu)成晶格的最基本、有代表性的幾何單元。§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點晶胞在三維空間的堆砌構(gòu)成晶格

晶格(crystallattice):

用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間點陣格架。第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶格常數(shù)

晶胞的三條棱邊的長度a、b、c和棱間夾角α、β、γ是衡量晶胞大小和形狀的六個參數(shù)，其中a、b、c稱為晶格常數(shù)或點陣常數(shù)

cXZYOαβγba§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點

原子半徑晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩原子之間距離的一半

晶胞原子數(shù)一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目

配位數(shù)和致密度配位數(shù)：晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目致密度：晶胞中原子體積與晶胞體積之比。n為晶胞中原子數(shù)，r為原子半徑第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2.2純金屬的晶體結(jié)構(gòu)§1.2固體材料的晶體結(jié)構(gòu)特點一、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)類型有下面三種晶體結(jié)構(gòu)類型1.體心立方晶格

(body-centercubiclattice)立方六方四方菱方正交單斜三斜第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶格晶胞的特征參數(shù):a=b=c,α=β=γ=90°

n=8×1／8＋1=2個晶胞中的原子數(shù):原子的半徑:R=√3×a／4原子的體積:v=4πR3／3致密度:K=nV原子／V晶體

=0.68=68%配位數(shù):C=8第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月屬于體心立方晶格的金屬有:鈉(Na);鉀(K);鉻(Cr);鉬(Mo);鎢(W);釩(V);鉭(Ta);鈮(Nb);α-鐵(α-Fe)等約30余種體心立方晶格第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月面心立方晶格

(face-centercubiclattice)第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月晶胞中的原子數(shù):n=8×1/8+6×1/2=4個晶胞的特征參數(shù):a=b=c,α=β=γ=90°原子的體積:

v=4πR3／3原子的半徑:R=√2×a／4面心立方晶格第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù):

C=12致密度:K=nV原子／V晶體=0.74=74%第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月屬于面心立方晶格的金屬有:金(Au);銀(Ag);銅(Cu);鋁(Al);鎳(Ni);鉑(Pt);鉛(Pb);γ-鐵(γ-Fe)等約20種。面心立方晶格第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月密排六方晶格

(hexagonalclose-packed

lattice)第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月晶胞中的原子數(shù):n=12×1/6+2×1/2+3=6個晶胞的特征參數(shù):原子的體積:v=4πR3／3致密度:K=nV原子／V晶體

=0.74=74%配位數(shù):

C＝12原子的半徑:R=a/2

正六邊形底面邊長a,晶胞高度c,(c/a=1.633)

α=β=90°,γ=120°密排六方晶格第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月屬于密排六方晶格的金屬有:鎂(Mg);鋅(Zn);鎘(Cd);α–鈦(α–Ti);鈹(Be)等。密排六方晶格第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個重要的概念晶向——點陣中陣點的連線，表示原子列的方向晶面——點陣中陣點組成的面，表示原子面在研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的細節(jié)及其性能時，往往需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點，這樣有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號，以表示出它們在晶體中的方向，從而便于分析，晶面和晶向的這種符號分別叫“晶面指數(shù)”和“晶向指數(shù)”。用晶向指數(shù)和晶面指數(shù)來確定和區(qū)分不同的晶向和晶面，國際上通用密勒指數(shù)（Miller)統(tǒng)一標定二、晶體中的晶面及晶向

晶面指數(shù)與晶向指數(shù)是如何確定第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶面指數(shù)

用密勒(Miller)指數(shù)對晶格中某一晶面進行標定以立方晶系為例：第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月①

確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距。②

取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶面族：原子排列相同但空間位向不同的所有晶面，