工程材料及材料成型技术基础

1工程材料及材料成型技术基础234高压容器5绪论•材料•毛坯的三大类成型方法：铸造焊接锻造6绪论第一篇工程材料第二篇材料成形技术目录7工程材料8•绪论•第一章工程材料的结构与性能•第二章金属材料的凝固与固态相变•第四章金属材料热处理•第五章金属材料表面改性•第六章金属材料本篇内容9绪论一、材料的发展史材料(metals)是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。反映人类社会文明的水平。1.石器时代：古猿到原始人的漫长进化过程。原料：燧石和石英石。2.新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器。3.青铜器时代：夏(公元前2140年始)以前就开始了4.铁器时代：春秋战国时期(公元前770～221年)开始大量使用铁器105.钢铁新时代十八世纪前人们对材料的认识是非理性的,只停留在工匠和艺人的水平上。而其后西欧和俄国工业迅速发展，钢铁需求急剧增加，推动发展出一门新学科—金属学。人们才开始理性的认识材料。6.二十世纪以来的现代支撑人类文明大厦的四大支柱技术：材料科学与技术、生物科学与技术能源科学与技术、信息科学与技术二十世纪五、六十年代钢铁基本达到鼎盛时期,其它新材料快速发展。有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等等。出现了很多新材料学科。11•材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家技术和国防力量的重要标志之一。•据粗略估计，目前世界的材料达36万多种，今后每年还将以5％的增长率增加。12二、工程材料学的任务工程材料：制造工程结构和机器零件使用的材料工程材料学：是材料学的实用部分,主要阐述结构材料的成分、组织、性能及应用等方面的一般规律。13学习《工程材料》课程基本要求（教学目标）：1.了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及变化规律。2.掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。3.具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。4.对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。14三．材料的分类1、金属材料①黑色金属—铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等)②有色金属—黑色金属以外的所有金属及其合金。2、高分子材料①塑料—主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料。②合成纤维—由单体聚合而成再经过机械处理成纤维材料。③橡胶—经硫化处理，弹性优良的聚合物。分通用和特种橡胶④胶粘剂—分树脂型、橡胶型和混合型。153．陶瓷材料①普通陶瓷—主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料.②特种陶瓷—高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。③金属陶瓷—用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。4．复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。①按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、石墨基等。②按用途分：结构、功能、智能复合材料。16本部分重点1)工程材料的概念–制造工程结构和机器零件使用的材料2)工程材料的分类•金属材料钢铁材料有色金属及其合金•有机高分子材料塑料橡胶等•陶瓷材料•复合材料17第一章工程材料的结构与性能§1-1材料原子(或分子)的相互作用当大量原子(或分子)处于聚集状态时，它们之间以键合方式相互作用。由于组成不同物质的原子结构各不相同，原子间的结合键性质和状态存在很大区别。18§1-1材料原子(或分子)的相互作用1、离子键当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，故称这种结合键为离子键。离子晶体硬度高，强度大，脆性大。如氯化钠，陶瓷。192、共价键当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时原子间借共用电子对所产生的力而结合，这种结合方式称为共价键。结合力很大，硬度高，强度大，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低。如金刚石、SiC、BN等203、金属键金属自由原子结构的特点是具有较少的外层电子，并且电离能很小。这就决定了它们与其它元素结合时，易失去外层价电子而成为阳离子的倾向较大。金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子结合起来形成金属整体，这种结合方式称为金属键。有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，强韧性好。214、分子键自由原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体He、Ne、Ar等和分子状态的H2、N2、02等在低温时都能结合成液态或固态，在此结合过程中，并不给出或接受电子。这种存在于中性的原子或分子之间的结合力称为分子键。硬度低，熔点低，良好的绝缘性。如高分子材料塑料。225、氢键氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结合时，氢原子与一种原子之间形成共价键，与另一种原子之间形成氢键。如F—H…F，O—H…O，N—H…O等。氢键的本质是静电吸引力，具有饱和性和方向性。23晶体结合的强度用结合能表示，是指晶体分解为单个原子(或分子)所作的功，或单个原子凝聚形成晶体所放出的能量，用J／mol表示。共价键晶体和离子键晶体的结合能约为105(J／mol)数量级；金属键晶体的结合能约为104(J／mol))数量级；分子键晶体的结合能约为103(J／mol)数量级。因此，共价键晶体和离子键晶体结合最强，金属键晶体次之，分子键晶体最弱。24晶体——材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体§1-2晶体材料的原子排列251．2．1金属的晶体结构1)晶体(从宏观上看）•晶体的特点：其原子在空间作有规律的排列。•晶体的性能：具有一定的熔点和凝固点，呈各向异性。26原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶体结构27晶胞点阵（晶格）模型28晶胞XYZabc晶格常数a，b，c29金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc302）晶格和晶胞（从微观上看）晶格：用—些假想的几何线条将晶体中原子的振动中心连接起来所构成的空间格子。晶胞：晶格的一个基本单元。313）常见金属晶格形式①体心立方晶格•特点：具有相当高的强度和较好的塑性。•这种晶格的金属有：铬、钼、钨、钒和铁（0℃—912℃，α—Fe）等。32晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2raa233②面心立方晶格•特点：塑性良好。•这种晶格的金属有：铝、钢、镍和铁（912℃—1394℃，γ—Fe)等。34晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc435③密排六方晶格•属于密排六方晶格的金属有C（石墨）Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、Ti等。36晶格常数：底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74371.2.2实际晶体结构1)单晶体和多晶体单晶体——结晶方位完全一致的晶体，如单晶Si半导体。多晶体——由许多外形不规则的晶体颗粒(简称晶粒)所组成。这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积。各晶粒之间的界面——晶界。38晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，其直径一般在1～0.001mm之间。在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各向异性受到了抵消，造成各向性能接近相同的现象，称为——各向同性晶粒体积越大，强度、韧性等综合力学性能越差。晶粒体积越小，强度、韧性等综合力学性能越好。392)晶体缺陷(1)点缺陷——是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。空位包括：间隙原子置换原子等40•（2）线缺陷——是指在三维空间两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。•位错——是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。位错最基本的形式有：刃型位错螺型位错41（3）面缺陷——是指在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。42实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响:•点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低;•面缺陷能提高金属材料的强度和塑性;•细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段;43本节重点•晶体、晶格和晶胞•三种典型晶格类型•晶粒大小和性能的关系•晶体缺陷类型44§1-4合金的晶体结构合金——由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结或其他结合生成的具有金属特性的物质。如：铁碳合金、铜合金、铝合金等。45合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。组成合金的元素或稳定化合物——组元。由几种元素构成即为几元合金46•相——具有相同化学成分、相同晶体结构，并由明显分界面隔开的各个均匀组成部分。1.4.1合金的相、组织及其关系•组织——用金相显微镜观察法,在金属及合金内部看到的涉及各相(晶体或晶粒)大小、方向、形状排列状况等组成关系和构造情况的微观形貌。47•合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。•不同组织具有不同的性能。•由不同组织构成的材料具有不同的性能。•同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。481.4.2固溶体固溶体分类置换固溶体间隙固溶体固溶体——有些合金组元在凝固后溶质原子溶入溶剂晶格而形成的单一均匀的晶体49溶质与溶剂以任何比例都能互溶，固溶度达100％，则称为无限固溶体，否则为有限固溶体。溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。否则为无序固溶体。-1850间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之比应小于0．59方可。直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C、N、H、B等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。间隙固溶体都是无序固溶体。51置换固溶体无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固溶体形成条件两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rA—rB)\rA小于8%左右时。两元素间的电负性相差越小越好。521.4.3金属化合物金属化合物——合金各组元相互化合而形成的一种新的物质。性能特点：具有明显的金属的性质。具有自己特殊的晶格，与各组元不同。具有较高的熔点、较大的脆性和较高的硬度。531.4.4合金性能1、固溶强化溶剂的晶格发生畸变，使固溶体的强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力学性能的重要途径之一。2、第二相强化——化合物作为第二相可以提高合金材料强度的现象。性能特点：取决于化合物的数量、形状、大小与分布状况等。54本节重点•合金、相、组织的基本概念。•固溶体和金属化合物的概念及其类型。•固溶体和金属化合物对合金性能的影响。•固溶强化概念及其强化原理。55§1-5高聚物的结构•高聚物——分子中含原子数很多、分子量很大的物质。是由一种或几种简单的低分子聚合而成的大分子链结构。又称高分子化合物。•在长链中结构相同的重复单元——链节如：在聚乙烯中，—CH2—CH2—即为一个链节。•链节的重复数量称为——聚合度。•由若干个链节所组成的具有独立运动能力的最小运动单元——链段。561.5.1大分子链的形态•高聚物的结构形式，按其大分子链的几何形状，可分为：•线型结构——是由许多链节联成一条长链。•体型结构——是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或立体结构。5