第一章材料结构和性能.

工程材料及成形技术基础十五国家规划教材，北京市精品教材吕广庶张远明主编课件草稿绪论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1.1材料原子的相互作用第一章工程材料的结构与性能离子键共价键金属键分子键原子结合键类型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原子排列模型晶格晶胞1.2.1理想晶体结构第一章工程材料的结构与性能晶体、非晶体晶格、点阵、阵点、晶面、晶向、常见金属晶体结构2).常见的金属晶体结构第一章工程材料的结构与性能XYZ3)晶向和晶面的表示方法晶面第一章工程材料的结构与性能晶向和晶面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（hkl)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,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。晶面指数的确定方法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；以点阵基矢长度为单位，量出待定体晶面在各坐标轴上截距；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。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实际晶体结构第一章工程材料的结构与性能单晶体多晶体晶粒晶界2).晶体缺陷种类第一章工程材料的结构与性能亚晶界第一章工程材料的结构与性能晶体缺陷的影响晶体缺陷晶体缺陷的出现,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1.4合金的晶体结构第一章工程材料的结构与性能溶质原子溶剂原子间隙固溶体置换固溶体1.4.2固溶体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第一章工程材料的结构与性能线型带有支链体型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1.7工程材料的性能第一章工程材料的结构与性能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1.强度第一章工程材料的结构与性能1)静载时的强度(1)弹性和刚度(2)屈服点(3)抗拉强度2)变载时的强度3)高温强度应变ε/%应力ơ低碳钢的应力—应变曲线εσ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δ和断面收缩率ψ来表示。%100001LLL%100010AAA3.硬度第一章工程材料的结构与性能布氏硬度原理洛氏硬度原理维氏硬度原理硬度第一章工程材料的结构与性能布氏硬度用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硬度第一章工程材料的结构与性能符号压头类型压力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4.冲击韧性第一章工程材料的结构与性能Ak=G(H-h)J0AAkkaJ/cm25.断裂韧性第一章工程材料的结构与性能σaYK1Mpa.m1/2σ6.耐磨性和粘弹性第一章工程材料的结构与性能耐磨性粘弹性•蠕变•应力松弛•滞后与内耗1.7.2工程材料的物理性能材料第一章工程材料的结构与性能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Δl=α1ΔT1.7.3工程材料的化学性能第一章工程材料的结构与性能•抗氧化性•抗腐蚀性FeH2(+)(-)(+)(-)(+)Fe3CFe-Cu电池珠光体腐蚀电解液Fe3CF本章小结第二章金属的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶2.2合金的凝固2.3铁碳合金平衡态的相变基础2.4钢在加热时的转变2.5钢在冷却时的转变2.6焊接接头的相变本章小结2.1纯金属的结晶第二章金属的凝固与固态相变2.1.1凝固的基本概念1.晶体的结晶2.非晶体的凝固2.1.2金属的结晶2.1.3材料的同素异构现象1.晶体的结晶第二章金属的凝固与固态相变时间固体液+固固体温度时间2.非晶体的凝固第二章金属的凝固与固态相变2.1.2金属的结晶第二章金属的凝固与固态相变3.晶粒大小及控制晶粒度的概念晶粒大小的控制(增大过冷度、变质处理）2/14/3)/(1.1)/(9.0GNZGNZsV1.金属的结晶过程2.影响形核和长大的因素过冷度的影响难熔杂质的影响晶粒度与力学性能的关系第二章金属的凝固与固态相变晶粒度晶粒数/mm2σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)6.32374635.3512747044.819429410847.52.1.3材料的同素异构第二章金属的凝固与固态相变δ-Feγ-Feα-Fe1394ºC912ºC1.晶体的同素异构2.同分异构α-石英α-鳞石英α-方石英β-石英β-鳞石英β-方石英870ºC1470ºC573ºC163ºC180~270ºC2.2合金的凝固第二章金属的凝固与固态相变2.2.1二元合金相图与凝固1.匀晶相图匀晶相图的建立杠杆定律枝晶偏析2.共晶相图3.包晶相图4其他相图2.2.2合金的性能与相图的关系2.2.3铸锭(件)的凝固匀晶相图的建立第二章金属的凝固与固态相变合金的结晶过程第二章金属的凝固与固态相变杠杆定律第二章金属的凝固与固态相变QL+Qα=1QLX+QαX’=K解方程得:XXKXXXKXLQ''''XXKXXXXKQ''KXKXQQL'第二章金属的凝固与固态相变共晶转变Lcαd+βe冷却曲线及结晶过程共晶相图共晶相图中的组织组成物第二章金属的凝固与固态相变包晶相图第二章金属的凝固与固态相变其他相图第二章金属的凝固与固态相变WB/%Wsi/%共析相图镁-硅相图2.2.2合金的性能与相图的关系第二章金属的凝固与固态相变•合金的使用性能与相图的关系•合金的工艺性能与相图的关系2.2.3铸锭(件)的凝固第二章金属的凝固与固态相变1-表面细晶粒层2-柱状晶粒层3-心部等轴晶粒区影响铸锭(件)结晶组织的因素•冷却速度•加热温度、浇注温度和浇注速度•外加杂质（或变质处理）2.3铁碳合金平衡态的相变基础第二章金属的凝固与固态相变2.3.1Fe-Fe3C亚稳相图铁碳合金的相结构与性能相图分析2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变2.3.3含碳量对铁碳合金组织性能的影响2.3.4Fe-Fe3C相图的应用2.3.1Fe-Fe3C亚稳相图第二章金属的凝固与固态相变1.铁碳合金的相结构与性能第二章金属的凝固与固态相变•铁素体F•奥氏体A•渗碳体Fe3C2.相图分析2.3.2在铁碳合金平衡状态下的相变第二章金属的凝固与固态相变种类工业纯铁钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁含碳量/%0.02180.0218-0.770.770.77-2.112.11-4.34.34.3-6.69平衡组织FF+PPP+Fe3CⅡFe3CⅡ+P+Ld`Ld`Ld`+Fe3CⅠ铁碳合金的分类1.钢的平衡结晶过程2.白口铸铁的平衡结晶过程1.钢的平衡结晶过程第二章金属的凝固与固态相变1)共析钢(Ⅰ)杠杆定律的应用:2)亚共析钢(Ⅱ)WC%=0.77%*QP3)过共析钢(Ⅲ)%7.880218.069.677.069.6PKSKQ%3.110218.069.60218.077.03PKPSCFeQ钢的显微组织图第二章金属的凝固与固态相变2.白口铸铁的平衡结晶过程第二章金属的凝固与固态相变2.3.3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响第二章金属的凝固与固态相变1.含碳量对平衡组织的影响2.含碳量对力学性能的影响2.含碳量对力学性能的影响第二章金属的凝固与固态相变2.3.4Fe-Fe3C相图的应用第二章金属的凝固与固态相变1.在选材上的应用2.在铸造工艺制订上的应用3.在塑性加工工艺制订上的应用4.在热处理工艺制订上的应用2.4钢在加热时的转变第二章金属的凝固与固态相变2.4.1钢在实际加热时的转变点2.4.2奥氏体的形成过程及影响因素2.4.3奥氏体晶粒的长大及影响因素2.4.1钢在实际加热时的转变点第二章金属的凝固与固态相变2.4.2奥氏体的形成过程及影响因素第二章金属的凝固与固态相变1.奥氏体的形成过程2.奥氏体形成的影响因素•加热温度和加热速度•原始组织•合金元素2.4.3奥氏体晶粒的长大及影响因素第二章金属的凝固与固态相变•Hell-Petch公式:•奥氏体晶粒尺寸对冷却后加热温度对晶粒尺寸的影响钢的性能的影响210kds加热温度本质粗晶粒钢本质细晶粒钢