第一章材料結(jié)構(gòu)和性能

工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)十五國(guó)家規(guī)劃教材，北京市精品教材呂廣庶張遠(yuǎn)明主編課件草稿緒論材料與成形技術(shù)的經(jīng)濟(jì)地位材料的發(fā)展史材料的分類本課程在人才培養(yǎng)中的地位和作用本課程的內(nèi)容和要求第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

1.1材料原子的相互作用

1.2晶體材料的原子排列

1.3非晶態(tài)材料中的原子排列

1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

1.5高聚物的結(jié)構(gòu)

1.6陶瓷的結(jié)構(gòu)

1.7工程材料的性能

本章小結(jié)

1.1材料原子的相互作用第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵分子鍵原子結(jié)合鍵類型1.2晶體材料的原子排列1.2.1理想晶體結(jié)構(gòu)

1).晶格

2).常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)

3).晶面和晶向的表示方法1.2.2實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

1).單晶體與多晶體

2).晶體缺陷第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能原子排列模型晶格晶胞1.2.1理想晶體結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

晶體、非晶體晶格、點(diǎn)陣、陣點(diǎn)、晶面、晶向、常見金屬晶體結(jié)構(gòu)2).常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能XYZ3)晶向和晶面的表示方法晶面第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能晶向和晶面的表示方法分別采用晶面指數(shù)(hkl)和晶向指數(shù)[uvw]形式（以立方晶系為例）。

晶向指數(shù)（hkl)的確定方法是：以晶胞的某一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，三個(gè)基矢為坐標(biāo)軸，并以點(diǎn)陣基矢的長(zhǎng)度作為三個(gè)坐標(biāo)的單位長(zhǎng)度；過原點(diǎn)作一直線OP，使其平行于待標(biāo)志的晶向AB,在直線OP上選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)P，確定P點(diǎn)的坐標(biāo)值；將此值乘以最小公倍數(shù)化為最小整數(shù)u,v,w,加上方括號(hào)，[uvw]即為AB的晶向指數(shù)。晶面指數(shù)的確定方法第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能-ZYXZ-YX(326)在點(diǎn)陣中設(shè)置參考坐標(biāo)系，方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同，但不能將坐標(biāo)原點(diǎn)選在待確定指數(shù)的晶面上；以點(diǎn)陣基矢長(zhǎng)度為單位，量出待定體晶面在各坐標(biāo)軸上截距；取三個(gè)截距的倒數(shù)，并以最小公倍數(shù)乘這三個(gè)倒數(shù)，得到三個(gè)最小的整數(shù)h、k、l;將求得的h、k、l用圓括號(hào)括起來，（hkl)即為該晶面的晶面指數(shù)。單晶體的各向異性

單晶體中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.2.2實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能單晶體多晶體晶粒晶界2).晶體缺陷種類第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能亞晶界第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能晶體缺陷的影響晶體缺陷

晶體缺陷的出現(xiàn),將使其周圍的晶格產(chǎn)生畸變,而晶格畸變使材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能和電阻率、耐蝕性等物理及化學(xué)性能發(fā)生改變。第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.3非晶態(tài)材料中的原子排列1.3.1短程有序1.3.2亞穩(wěn)態(tài)性1.4.1合金的相結(jié)構(gòu)、組織極其關(guān)系1.4.2固溶體1.4.3金屬間化合物1.4.4合金性能1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

溶質(zhì)原子溶劑原子間隙固溶體置換固溶體1.4.2固溶體第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.4.3金屬間化合物

1)正常價(jià)化合物

2)電子化合物

3)間隙化合物1.4.4合金性能

1)固溶體與固溶強(qiáng)化

2)化合物與第二相強(qiáng)化第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.5高聚物的結(jié)構(gòu)

高聚物又稱高分子化合物,通常由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很大，一般在104～107的范圍內(nèi)。高聚物的結(jié)構(gòu)主要是指大分子鏈的結(jié)構(gòu)，即大分子鏈的形態(tài)、和大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.5.1大分子鏈的結(jié)構(gòu)

1.5.2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.5.1大分子鏈的結(jié)構(gòu)

大分子鏈的結(jié)構(gòu)包括大分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成、鍵接方式、空間構(gòu)型等。

1)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成：由C、H、N、O、Si等元素構(gòu)成。其中碳原子之間以共價(jià)鍵結(jié)合的碳鏈高分子是最重要的高聚物。

2)結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和鏈的構(gòu)型（頭_尾連接、頭_頭連接、尾_尾連接等連接方式；空間構(gòu)型有全同立構(gòu)、間同立構(gòu)和無規(guī)立構(gòu)

3)大分子鏈的形態(tài)：（大分子鏈的幾何形態(tài)、大分子鏈的構(gòu)象及柔順性）第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能大分子鏈的幾何形態(tài)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能線型帶有支鏈體型1.5.2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.6陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷的基本相結(jié)構(gòu)主要有:晶相、玻璃相、氣相等。其組織示意圖見下圖陶瓷的性能主要取決于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸鹽、氧化物、非氧化物。

第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.7工程材料的性能第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.7.1工程材料的力學(xué)性能

1.強(qiáng)度

2.

塑性

3.硬度

4.沖擊韌性

5.斷裂韌性

6.耐磨性

7.粘彈性1.7.2工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化學(xué)性能1.7.4工程材料的工藝性能1.強(qiáng)度第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1)靜載時(shí)的強(qiáng)度

(1)彈性和剛度

(2)屈服點(diǎn)

(3)抗拉強(qiáng)度2)變載時(shí)的強(qiáng)度3)高溫強(qiáng)度應(yīng)變?chǔ)?%應(yīng)力?低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線εσ第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能2.塑性材料在外力的作用下,產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。其大小用伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ來表示。

3.硬度第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能布氏硬度原理洛氏硬度原理維氏硬度原理硬度第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能布氏硬度用HB表示:當(dāng)試驗(yàn)壓力的單位為kgf時(shí)當(dāng)試驗(yàn)壓力的單位為牛頓(N)時(shí)低碳鋼:?b=3.53HB,高碳鋼:?b=3.33HB,合金調(diào)質(zhì)鋼:?b=3.19HB灰鑄鐵:?b=0.98HB,退火鋁合金:?b=4.70HB硬度第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能符號(hào)壓頭類型壓力Kgf硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRC120o金剛石圓錐15020~60HRC淬火鋼件HRBФ1/16inch淬火鋼球10025~100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金HRA120o金剛石圓錐6070HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼4.沖擊韌性第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能Ak=G(H-h)JJ/cm25.斷裂韌性第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能σMpa.m1/2σ6.耐磨性和粘彈性第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能耐磨性粘彈性蠕變應(yīng)力松弛滯后與內(nèi)耗1.7.2工程材料的物理性能材料第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.電性能

1)導(dǎo)電性能

2)介電性能(材料在電場(chǎng)中的極化；介電常數(shù)和介電強(qiáng)度；壓電現(xiàn)象和電致伸縮現(xiàn)象；電鐵效應(yīng)）

3)磁性能（磁導(dǎo)率、磁化強(qiáng)度；抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性；磁疇結(jié)構(gòu)）。。。。（加強(qiáng)）

4)光學(xué)性能（連續(xù)光譜和特征譜線、材料與光子的交互作用）

5)熱性能（熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率）比容C=摩爾熱容/摩爾質(zhì)量線脹系數(shù)Δl=α1ΔT1.7.3工程材料的化學(xué)性能第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能抗氧化性抗腐蝕性FeH2(+)(-)(+)(-)(+)Fe3CFe-Cu電池珠光體腐蝕電解液Fe3CF本章小結(jié)第二章金屬的凝固與固態(tài)相變2.1純金屬的結(jié)晶2.2合金的凝固2.3鐵碳合金平衡態(tài)的相變基礎(chǔ)2.4鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變2.5鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變2.6焊接接頭的相變本章小結(jié)2.1純金屬的結(jié)晶第二章金屬的凝固與固態(tài)相變2.1.1凝固的基本概念

1.晶體的結(jié)晶

2.非晶體的凝固2.1.2金屬的結(jié)晶2.1.3材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象1.晶體的結(jié)晶第二章金屬的凝固與固態(tài)相變時(shí)間固體液+固固體溫度時(shí)間2.非晶體的凝固第二章金屬的凝固與固態(tài)相變2.1.2金屬的結(jié)晶第二章金屬的凝固與固態(tài)相變3.晶粒大小及控制晶粒度的概念

晶粒大小的控制(增大過冷度、變質(zhì)處理）1.金屬的結(jié)晶過程2.影響形核和長(zhǎng)大的因素

過冷度的影響難熔雜質(zhì)的影響晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系第二章金屬的凝固與固態(tài)相變晶粒度晶粒數(shù)/mm2σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)6.32374635.3512747044.819429410847.52.1.3材料的同素異構(gòu)第二章金屬的凝固與固態(tài)相變?chǔ)?Feγ-Feα-Fe1394oC912oC1.晶體的同素異構(gòu)2.同分異構(gòu)α-石英α-鱗石英α-方石英β-石英β-鱗石英β-方石英870oC1470oC573oC163oC180~270oC

2.2合金的凝固第二章金屬的凝固與固態(tài)相變2.2.1二元合金相圖與凝固1.勻晶相圖

勻晶相圖的建立

杠桿定律枝晶偏析2.共晶相圖3.包晶相圖4其他相圖2.2.2合金的性能與相圖的關(guān)系2.2.3鑄錠(件)的凝固勻晶相圖的建立第二章金屬的凝固與固態(tài)相變合金的結(jié)晶過程第二章金屬的凝固與固態(tài)相變杠桿定律第二章金屬的凝固與固態(tài)相變QL+Qα=1QLX+QαX’=K解方程得:第二章金屬的凝固與固態(tài)相變共晶轉(zhuǎn)變Lc

αd+βe冷卻曲線及結(jié)晶過程共晶相圖共晶相圖中的組織組成物第二章金屬的凝固與固態(tài)相變包晶相圖第二章金屬的凝固與固態(tài)相變其他相圖第二章金屬的凝固與固態(tài)相變WB/%Wsi/%共析相圖鎂-硅相圖2.2.2合金的性能與相圖的關(guān)系第二章金屬的凝固與固態(tài)相變合金的使用性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖的關(guān)系2.2.3鑄錠(件)的凝固第二章金屬的凝固與固態(tài)相變1-表面細(xì)晶粒層2-柱狀晶粒層3-心部等軸晶粒區(qū)影響鑄錠(件)結(jié)晶組織的因素冷卻速度加熱溫度、澆注溫度和澆注速度外加雜質(zhì)（或變質(zhì)處理）2.3鐵碳合金平衡態(tài)的相變基礎(chǔ)第二章金屬的凝固與固態(tài)相變2.3.1Fe-Fe3C亞穩(wěn)相圖

鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能相圖分析2.3.2鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的相變2.3.3含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響2.3.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用2.3.1Fe-Fe3C亞穩(wěn)相圖第二章金屬的凝固與固態(tài)相變1.鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能第二章金屬的凝固與固態(tài)相變鐵素體F奧氏體A滲碳體Fe3C2.相圖分析2.3.2在鐵碳合金平衡狀態(tài)下的相變第二章金屬的凝固與固態(tài)相變種類工業(yè)純鐵鋼白口鑄鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵含碳量/%<0.02180.0218-0.770.770.77-2.112.11-4.34.34.3-6.69平衡組織FF+PPP+Fe3CⅡFe3CⅡ+P+Ld`Ld`Ld`+Fe3CⅠ鐵碳合金的分類1.鋼的平衡結(jié)晶過程2.白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過程1.鋼的平衡結(jié)晶過程第二章金屬的凝固與固態(tài)相變1)共析鋼(Ⅰ)

杠桿定律的應(yīng)用:2)亞共析