第一章工程材料的结构与性能

第一章工程材料的结构与性能工程材料及成形技术基础第一章工程材料的结构与性能绪论材料与成形技术的经济地位材料的发展史材料的分类本课程在人才培养中的地位和作用本课程的内容和要求第一章工程材料的结构与性能材料的分类按化学成分分类金属（黑色金属、有色金属）非金属无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料）现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷）有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂）按用途分类结构材料（利用其力学性能）功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物化学等特性完成特定功能）按状态分类单晶体、多晶体、非晶体第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能绪论本课程在人才培养中的地位和作用本课程的内容和要求第一章工程材料的结构与性能第一章工程材料的结构与性能1.1材料原子的相互作用1.2晶体材料的原子排列1.3非晶态材料中的原子排列1.4合金的晶体结构1.5高聚物的结构1.6陶瓷的结构1.7工程材料的性能本章小结第一章工程材料的结构与性能1.1材料原子的相互作用离子键共价键金属键分子键原子结合键类型第一章工程材料的结构与性能1.2晶体材料的原子排列1.2.1理想晶体结构1).晶格2).常见的金属晶体结构3).晶面和晶向的表示方法1.2.2实际晶体结构1).单晶体与多晶体2).晶体缺陷第一章工程材料的结构与性能晶体、非晶体晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向1.2.1理想晶体结构第一章工程材料的结构与性能根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵常见的三种金属晶格类型有：体心立方晶格。面心立方晶格。密排六方晶格。常见的晶格类型39第一章工程材料的结构与性能(1)体心立方晶格结构40第一章工程材料的结构与性能(2)面心立方晶格结构41第一章工程材料的结构与性能(3)密排六方晶格结构。42动画15密排六方晶胞第一章工程材料的结构与性能3).晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数(hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。晶向指数[uvw]的确定方法是：以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个坐标的单位长度；过原点作一直线OP，使其平行于待标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些阵点；在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的坐标值；将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括号，[uvw]即为AB的晶向指数。晶面XYZ第一章工程材料的结构与性能-ZYXZ-YX(326)在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶向指数时相同，但不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上；以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面在各坐标轴上的截距；取三个截距的倒数，并以最小公倍数乘这三个倒数，得到三个最小的整数h、k、l;将求得的h、k、l用圆括号括起来，（hkl)即为该晶面的晶面指数。晶面指数的确定方法第一章工程材料的结构与性能单晶体的各向异性单晶体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种性能也不同，这种现象称为各向异性。第一章工程材料的结构与性能1.2.2实际晶体结构1.多晶体与亚结构实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。单晶体多晶体晶粒晶界第一章工程材料的结构与性能2).晶体缺陷种类第一章工程材料的结构与性能点缺陷第一章工程材料的结构与性能线缺陷第一章工程材料的结构与性能面缺陷第一章工程材料的结构与性能晶体缺陷的影响晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用。如：晶体缺陷的出现,将使其周围的晶格产生畸变,而晶格畸变使材料的强度、硬度等力学性能和电阻率、耐蚀性等物理及化学性能发生改变。第一章工程材料的结构与性能1.3非晶态材料中的原子排列1.3.1短程有序1.3.2亚稳态性第一章工程材料的结构与性能1.4合金的晶体结构1.4.1合金的相结构、组织极其关系1.4.2固溶体1.4.3金属间化合物1.4.4合金性能第一章工程材料的结构与性能由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化合物两类。1.4.1合金、相、组织及其相互关系57第一章工程材料的结构与性能置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni合金，这叫无限互溶，形成无限置换固溶体。间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å的非金属元素，如:H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。1.4.2固溶体溶剂原子间隙固溶体置换固溶体溶质原子第一章工程材料的结构与性能1.4.3金属间化合物1)正常价化合物2)电子化合物3)间隙化合物1.4.4合金性能1)固溶体与固溶强化2)化合物与第二相强化第一章工程材料的结构与性能1.5高聚物的结构高聚物又称高分子化合物,通常由一种或几种简单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的范围内。高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大分子链的形态、和大分子的聚集态结构。1.5.1大分子链的结构1.5.2高聚物的聚集态结构第一章工程材料的结构与性能1.5.1大分子链的结构大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型等。1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si等元素构成。其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚物。2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头连接、尾_尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同立构和无规立构3)大分子链的形态：（大分子链的几何形态、大分子链的构象及柔顺性）第一章工程材料的结构与性能大分子链的几何形态线型带有支链体型第一章工程材料的结构与性能单键内旋转示意图第一章工程材料的结构与性能1.5.2高聚物的聚集态结构第一章工程材料的结构与性能1.6陶瓷的结构陶瓷的基本相结构主要有:晶相、玻璃相、气相等。其组织示意图见下图陶瓷的性能主要取决于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物。第一章工程材料的结构与性能传统陶瓷由粘土、石英、长石等成分组成，以天然为主。现代陶瓷由Al3O2、SiC、Si3N4等成分组成，以合成为主。第一章工程材料的结构与性能1.7工程材料的性能1.7.1工程材料的力学性能1.强度2.塑性3.硬度4.冲击韧性5.断裂韧性6.耐磨性7.粘弹性1.7.2工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化学性能1.7.4工程材料的工艺性能第一章工程材料的结构与性能1.强度1)静载时的强度(1)弹性和刚度(2)屈服点σs(3)抗拉强度σb2)变载时的强度3)高温强度第一章工程材料的结构与性能2.塑性材料在外力的作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。%100001LLL%100010AAA第一章工程材料的结构与性能3.硬度布氏硬度原理洛氏硬度原理维氏硬度原理第一章工程材料的结构与性能布氏硬度第一章工程材料的结构与性能硬度布氏硬度用HB表示:当试验压力的单位为kgf时)(222dDDDFDhFFFHB凹当试验压力的单位为牛顿(N)时)(2102.022dDDDFHB低碳钢:ơb=3.53HB,高碳钢:ơb=3.33HB,合金调质钢:ơb=3.19HB灰铸铁:ơb=0.98HB,退火铝合金:ơb=4.70HB第一章工程材料的结构与性能洛氏硬度第一章工程材料的结构与性能硬度符号压头类型压力Kgf硬度值有效范围应用举例HRC120º金刚石圆锥15020~60HRC淬火钢件HRBФ1/16inch淬火钢球10025~100HRB软钢、退火钢、铜合金HRA120º金刚石圆锥6070HRA硬质合金、表面淬火钢第一章工程材料的结构与性能4.冲击韧性Ak=G(H-h)J0AAkkaJ/cm2第一章工程材料的结构与性能5.断裂韧性aYK1Mpa.m1/2研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的。材料在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会突然失稳扩展，导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。第一章工程材料的结构与性能6.耐磨性和粘弹性耐磨性粘弹性•蠕变•应力松弛•滞后与内耗第一章工程材料的结构与性能1.7.2工程材料的物理性能材料1.电性能1)导电性能2)介电性能(材料在电场中的极化；介电常数和介电强度；压电现象和电致伸缩现象；电铁效应）3)磁性能（磁导率、磁化强度；抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性；磁畴结构）。。。。（加强）4)光学性能（连续光谱和特征谱线、材料与光子的交互作用）5)热性能（热容、热膨胀系数、热导率）比容C=摩尔热容/摩尔质量线胀系数l=1T第一章工程材料的结构与性能Fe-Cu电池珠光体腐蚀电解液Fe3CF1.7.3工程材料的化学性能•抗氧化性•抗腐蚀性FeH2(+)(-)(+)(-)(+)第一章工程材料的结构与性能本章小结本章中介绍本课程的性质和任务。介绍了工程材料（含金属材料、高分子材料、陶瓷材料等）的结构和性能。重点介绍了金属材料的结构；材料的力学性能的内容和测试方法。第一章工程材料的结构与性能复习思考题1.说明金属键、离子键、共价键的区别和联系。2.常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？3.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为2.86×10-10m和3.607×10-10m，求1cm3的铁和铜中的原子数。4.单晶体与多晶体有何区别？为什么单晶体具有各向异性，而多晶体则无各向异性？5.何谓点缺陷？对性能有何影响？6.何谓刃型位错？位错密度对材料的力学性能有何影响？7.指出下列名词的主要区别：置换固溶体与间隙固溶体；相组成物与组织组成物。8.置换原子与间隙原子的固溶强化效果哪个大些？为什么？第一章工程材料的结构与性能复习思考题9.金属间化合物在结构和性能方面与固溶体有何不同？常见的金属间化合物有几种类型？它们对合金的性能有何影响？10.陶瓷的典型组织由哪几部分构成，它们对陶瓷性能各起什么作用？11.高聚物的分子结构有几种？各有何特征及性能特点？12.试绘出低碳钢的σ-ε曲线，指出在曲线上哪点出现颈缩现象？如果拉断后试棒上没有颈缩，是否表示它未发生塑性变形？13.在什么条件下应用布氏硬度试验比洛氏硬度试验好？14.αk与K1c的概念有什么不同？15.解释下列名词：压电现象：电致伸缩现象：铁电现象：磁畴