1、 l一、材料和材料科学一、材料和材料科学 l二、工程材料的分类二、工程材料的分类 l三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展 l四、机械工程材料课程的性质和任务四、机械工程材料课程的性质和任务 l五、成绩计算五、成绩计算 l一、材料和材料科学一、材料和材料科学 l1、材料、材料 材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造 各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。 材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活 所必须的物质基础。所必须的物质基础。 手手 锤锤 锉刀锉刀 国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 石器石器 铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) ) l石器时代石器时代 l
2、青铜器时代青铜器时代 l铁器时代铁器时代 由于材料的重要性，由于材料的重要性， 历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图 龙芯龙芯联想计算机联想计算机 l没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前 的计算机技术。的计算机技术。 没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航 空工业和宇航工业。空工业和宇航工业。 在航天飞机
3、表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片 飞机发动机叶片飞机发动机叶片 波音客机波音客机 没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列， 称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出 过重大贡献。过重大贡献。 l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，年的新石器时代， 中华民族的先人就能中华民族的先人就能 用黏土烧制成陶器，用黏土烧制成陶器
4、， 到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了 瓷器，并流传海外。瓷器，并流传海外。 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商 时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。 司母戊鼎司母戊鼎 河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造青铜铸造 高高133厘米厘米 重重875kg 饰纹优美饰纹优美 春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利 锋能割断头发锋能割断头发 春秋战国时代的春秋战国时代的 青铜剑，剑身及青
5、铜剑，剑身及 剑锋由不同成分剑锋由不同成分 的青铜组成，是的青铜组成，是 复合材料很好的复合材料很好的 例子例子 梯度材料古已有之梯度材料古已有之 这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图 l黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址 l春秋晚期春秋晚期 l矿井深达矿井深达50m50m l炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨 l实属罕见实属罕见 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学 家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳 热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我
6、国 在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。 生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图 宋应星宋应星 新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量 由由49年的年的15.8万吨上升到万吨上升到10年的年的6.27亿吨。亿吨。 鞍钢 攀钢夜景 原子弹、氢原子弹、氢 弹的爆炸，弹的爆炸， 卫星、飞船卫星、飞船 的上天等都的上天等都 说明了我国说明了我国 在材料的开在材料的开 发、研究及发、研究及 应用等方面应用等方面 有了飞跃的有了飞跃的 发展。发展。 中国第一颗人中国第一颗人 造卫
7、星造卫星 长征火箭大家族长征火箭大家族 中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸 中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸 l18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用 于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使 人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微 观组织联系起来。观组织联系起来。 灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织 光学显微镜光学显微镜 Pb-Sn共晶组织共晶组织 人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪 1932年发明了电子年发明了电子 显微镜，把人们带显微镜，把人
8、们带 到了微观世界的更到了微观世界的更 深层次（深层次（10-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下 l1934年位错理论的提年位错理论的提 出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论 计算强度与实验测得计算强度与实验测得 的实际强度之间存在的实际强度之间存在 的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾， 对于人们认识材料的对于人们认识材料的 力学性能及设计高强力学性能及设计高强 度材料具有划时代的度材料具有划时代的 意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错 材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图 l主要研究内容：主要研究内容： l 研究材料的化学组
9、成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系； l 研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法； l 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术； l 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理； l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案 l材料科学是以材料为材料科学是以材料为 研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。 挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间 l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主 要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。 l按组成与结合键分：
10、按组成与结合键分： l 1、金属材料、金属材料 l 2、高分子材料、高分子材料 l 3、陶瓷材料、陶瓷材料 l 4、复合材料、复合材料 l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导 热性、延展性和金热性、延展性和金 属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最大、应用最 广泛广泛 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，1010年其世界年产量已达年其世界年产量已达1414亿亿 吨，在机械产品中的用量已占整个用材的吨，在机械产品中的用量已占
11、整个用材的60%60%以上。以上。 带材带材 异形材异形材 板材板材管材管材 陶瓷材料陶瓷材料 l以共价键和离子键以共价键和离子键 为主为主 l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特 种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷 三类三类 传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石 英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的 陶瓷，常用作工程上的耐
12、热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品 陶瓷发动机陶瓷发动机 l以分子键和共价键以分子键和共价键 为主为主 l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电 绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好， 密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及 合成纤维等合成纤维等 分子键分子键共价键共价键 高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮 船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业 中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯 l包括：包括： l金属基复合材料
13、金属基复合材料 l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料 以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。 玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料 l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复
14、合 材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度 高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机 三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展 随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要 求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、 耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机 新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。 机械工业是材料应
15、用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。 l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料 及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。 l要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料 工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安 排加工工艺路线的能力。排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘 四、机械工程材料课程的性质和任务四、机械工程材料课程的性质和任务 l课
16、程性质：课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课 l课程任务：课程任务： 了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之 间的关系：间的关系： 化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的组成材料各元素在材料中的 浓度。浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜 所观察到的金属内部的情景。所观察到的金属内部的情景。 l习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织 称低倍组织称低倍组织
17、或或宏观组织宏观组织。 l放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。 l在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称 精细组织精细组织或或电镜组织电镜组织。 钢锭的宏观组织钢锭的宏观组织 显微组织显微组织电镜组织电镜组织 显微镜的使用显微镜的使用 结构：结构：材料中各原材料中各原 子的具体组合状态。子的具体组合状态。 一般通过一般通过X-射线衍射线衍 射射或或透射电镜透射电镜研究。研究。 Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象 纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱 了解常用材料的用途了解常用材料的用途 和加工工
18、艺。和加工工艺。 初步具备合理选材、初步具备合理选材、 正确确定加工方法、正确确定加工方法、 妥善安排工艺路线的妥善安排工艺路线的 能力。能力。 课程特点：课程特点：基本概念基本概念 多，与实际联系紧密，多，与实际联系紧密， 是一门应用科学。是一门应用科学。 在在Au-Pa薄膜上用薄膜上用AFM探探 针的纳米雕刻（北大）针的纳米雕刻（北大） 课程的主要内容课程的主要内容 1.1.金属学部分：金属学部分：是本书的1-4章为金属学基础知识，主要介绍金 属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规 律，它是合理选择、正确使用、以及强化金属材料的理论基础。 它主要包括金属材料的结构、结晶过
19、程、塑性变形、回复与再结 晶，以及二元合金相图、铁碳合金相图等；这一部分是随后两部 分的直接基础。 3.3.金属材料部分：金属材料部分：是本书的68章，这部分主要结合金属学与热 处理基本知识，较全面地介绍常用金属材料的牌号、成分、组织 与性能特点及用途，为正确选用金属材料打基础。它主要包括合 金钢、铸铁、有色金属及合金等。 以上三部分是本课程的重点，其中58章更是全书重点。 2.2.热处理部分：热处理部分：是本书的第5章，主要包括钢的热处理原理与工 艺两方面，本章着重阐述钢在不同工艺条件下的组织转变规律， 并在此基础上，介绍改善与强化钢的组织与性能的常用热处理工 艺，为合理使用热处理做准备。
20、1. 了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。 2. 了解和掌握各类工程材料的牌号、成分，组织与性能之间的相 互关系及其变化规律。 3. 能正确选择常用工程材料，合理制订其生产工艺流程。 4.4.非金属材料部分：非金属材料部分：是本书的912章，这部分主要包括高分 子材料、陶瓷材料和复合材料，新型材料，由于讲课学时少， 只能简单介绍上述几类材料的结构、组织与性能特点，为初 步了解有关非金属材料的基础知识，打一点基础。 5.5.材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分：材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分：是 本书的第13章，主要介绍材料的常用机械性能指标，和机械 零件的失效
21、形式、原因与分析方法，以及选材的原则和典型 零件的选材与工艺分析。 学习目的与要求学习目的与要求 l使用性能：使用性能：材料在使用过程材料在使用过程 中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学 性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。 l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程 中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、 锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削 性能等性能等。 神舟一号飞船 l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为为变形变形。 l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称
22、为弹性变形弹性变形。 l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机 应力应力 = P/F0 应变应变 = (l-l0)/l0 低碳钢的低碳钢的应力应力- -应变曲线应变曲线 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试验机 圆形横截面标准拉伸试样圆形横截面标准拉伸试样 l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e， 即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时 的应力。的应力。 l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性 变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模 量量E E。 ）（MPatgE 弹性模量的大小主要取决于材
23、料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下 抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量 塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变残余变 形量为形量为0.2%时
24、的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前材料断裂前 所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。 0.2 E b e A A B D E E E s p C O O C A B 伸长率：伸长率： %100 0 01 l ll %100 0 10 F FF 断面收缩率：断面收缩率： 断裂后断裂后 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 l说明：说明： l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。实变形。 l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。 l当当l0=10d0
25、 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 A l AZ 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 AZ 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征 l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限，即，即 材料承受最大弹性变形时的材料承受最大弹性变形时的 应力。应力。 l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性 变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模 量量E E。 ）（MPatgE 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升
26、弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 l材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形 的能力。的能力。 l布氏硬度布氏硬度HBHB )( 2 102. 0 22 dDDD P HB 布氏硬度计布氏硬度计 l压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于 布氏硬度值在布
27、氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。 l压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布 氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。 l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示 硬度值硬度值, 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保 持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷 作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 l
28、布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。还硬的材料。 l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。 l材料的材料的Rm与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: Rm(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：Rm(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： Rm(MPa)1HB或或 Rm(MPa) 0.6(HB-40) HB b(MPa) 钢 黄铜 球墨铸铁 l洛氏硬度用符
29、号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的 标尺为标尺为A、B、C。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如 硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。 lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如 有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。 lHRC用于测量中等硬度材料，用于
30、测量中等硬度材料， 如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。 l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便， 压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。 l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。 钢球压头与钢球压头与 金刚石压头金刚石压头 洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值， 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，
31、规定了三种测定方法维氏硬维氏硬 度试验度试验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。 l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计显微维氏硬度计 l是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。 l指标为冲击指标为冲击 韧性值韧性值ak(通通 过冲击实验过冲击实验 测得测得)。 l材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温 度下降而下降。度下降而下降。在某在某 一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧 性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象 称称韧
32、脆转变韧脆转变。发生韧发生韧 脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称 韧脆转变韧脆转变温度温度。材料材料 的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧 脆转变温度。脆转变温度。 体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转 变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立 方金属没有。方金属没有。 建造中的建造中的Titanic 号号 TITANIC的沉没的沉没 与船体材料的质量与船体材料的质量 直接有关直接有关 Titanic近代船用钢板近代船用钢板 l材料在低于材料在低于Re的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应材料在规
33、定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应 力称为力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 D表示。表示。 l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。 疲劳应力示意图疲劳应力示意图 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面 光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。 轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片） 油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关材料中存在
34、缺陷有关 1943年年1月美国月美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 北极星导弹北极星导弹 裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 断裂力学认为：材料 中存在缺陷是绝对的， 常见的缺陷是裂纹。 根据受力情况，裂纹 可以分为张开型、滑 开型、撕开型三类。 在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便 会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展材料抵抗内部裂纹失稳扩展 的能力，称为断裂韧性。的能力，称为断裂韧性。 l描述裂纹尖端附近应力场强度的指标描述裂纹尖端附近应力场强度的指标:应力强度因子应力强度因子 l（对于（对于型裂纹）型裂纹） )/( 23/ I
35、mMNaYK 2/1 )( cc a CCIC aYK )/( 23 mMN C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界 裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 研究表明，断裂应力 C与裂纹长度2ac之间的关系为 （一）密度：单位体积材料的质量。（一）密度：单位体积材料的质量。 对于运动构件，材料的密度越小，消耗的能量越少，对于运动构件，材料的密度越小，消耗的能量越少， 效率越高。材料的抗拉强度与密度之比称为比强度。效率越高。材料的抗拉强度与密度之比称为比强度。 （二）熔点：材料的熔化温度。（二）熔点：材料的熔化温度。 材料的熔点越高，材料在高温下保持高强度的能力越强。材料的熔点越高，材料在高温下保
36、持高强度的能力越强。 （三）热膨胀性：（三）热膨胀性： 大部分固体材料在加热时都发生膨胀，材料的热膨胀性大部分固体材料在加热时都发生膨胀，材料的热膨胀性 通常用线膨胀系数表示。它是指温度升高通常用线膨胀系数表示。它是指温度升高1C时单位长时单位长 度材料的伸长量。度材料的伸长量。 （四）导热性：材料的导热性常用导热率表示。（四）导热性：材料的导热性常用导热率表示。 导热率是指在单位温度梯度下，单位时间内通过导热率是指在单位温度梯度下，单位时间内通过 垂直于热流方向单位截面积上的热流量。垂直于热流方向单位截面积上的热流量。 （五）导电性：材料的导电性常用电阻率表示。（五）导电性：材料的导电性常用
37、电阻率表示。 （六）磁性（六）磁性 抗磁性材料：使磁场减弱的材料。抗磁性材料：使磁场减弱的材料。 顺磁性材料：使磁场略有增强的材料。顺磁性材料：使磁场略有增强的材料。 铁磁性材料：使磁场强烈增强的材料。铁磁性材料：使磁场强烈增强的材料。 腐蚀是材料在外部介质作用下发生破坏或变质腐蚀是材料在外部介质作用下发生破坏或变质 的现象。的现象。 （一）耐腐蚀性：材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力（一）耐腐蚀性：材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力 （二）抗氧化性：材料抵抗高温氧化的能力。（二）抗氧化性：材料抵抗高温氧化的能力。 铸造性：指浇注时液体金属充满比较复杂的铸型并铸造性：指浇注时液体金属充满比较复杂的铸型
38、并 获得优质铸件的能力。获得优质铸件的能力。 可锻性：指金属材料易于锻压成型的能力。可锻性：指金属材料易于锻压成型的能力。 切削加工性：指材料容易被切削加工成型并得到切削加工性：指材料容易被切削加工成型并得到 精确的形状和高表面光洁度的能力。精确的形状和高表面光洁度的能力。 可焊性：指材料易于被焊接可焊性：指材料易于被焊接 到一起并获得优质焊到一起并获得优质焊 缝的能力。缝的能力。 桂林电子科技大学 晶体结构原 子排列方式与相 互作用的结果 第二章第二章 材料的结构材料的结构 本章目的 金属 合金 黄铜奥氏体不锈钢 桂林电子科技大学 l物质由原子组成。 l原子的结合方式和排列方式 决定了物质的
39、性能。 l原子、离子、分子之间的原子、离子、分子之间的 结合力称为结合力称为结合键。结合键。 l它们的具体组合状态称为它们的具体组合状态称为 晶体结构晶体结构。 一. 金属原子间的结合 金刚石 石墨 一、原子的结合方式一、原子的结合方式 桂林电子科技大学 l 正离子和自由电子之间的正负电荷产生吸引力而使金属正离子和自由电子之间的正负电荷产生吸引力而使金属 原子结合。原子结合。 l 金属特性：金属特性：导电、导热性，塑性，强度导电、导热性，塑性，强度，金属光泽。，金属光泽。 1. 金属键金属键 正离子与自由电子之间的 吸引力 自由自由电子气电子气模型模型 桂林电子科技大学 l 正负离子通过静电引
40、力互相吸引，当离子间的引力与斥正负离子通过静电引力互相吸引，当离子间的引力与斥 力相等时便形成稳定的离子键。力相等时便形成稳定的离子键。 l 特性：特性：离子键结合力大，因而通过离子键结合的材料强离子键结合力大，因而通过离子键结合的材料强 度高、硬度高、熔点高、脆性大。度高、硬度高、熔点高、脆性大。 2. 离子键离子键 NaCl离子键的形成过程离子键的形成过程 桂林电子科技大学 l 通过共用电子对而形成的结合键。通过共用电子对而形成的结合键。 l 特性：特性：强度高、熔点高、脆性大。强度高、熔点高、脆性大。 3. 共价键共价键 4. 分子键分子键 l 一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负
41、电部一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部 分，这种结合力称为范德华力或分子键。分，这种结合力称为范德华力或分子键。 l 特性：特性：熔点、硬度低，良好的绝缘体。熔点、硬度低，良好的绝缘体。 桂林电子科技大学 金属的结构金属的结构 晶态晶态非晶态非晶态 SiO2的结构的结构 l1、晶体与非晶体 l晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体 形式存在。晶体具有各向异性。 l非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和 非晶体可互相转化。 桂林电子科技大学 l 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来 所形成 的三维空间的三维空间 格架。格架。直线直线 的交点（原的交点（原 子中
42、心）称子中心）称 结点。结点。由结由结 点形成的空点形成的空 间点的阵列间点的阵列 称称空间点阵空间点阵 桂林电子科技大学 l 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几 何单元。 桂林电子科技大学 l 晶系： l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 l立方晶系：a=b=c，=90 l六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120 立方立方 六方六方 四方四方 菱方菱方 正交正交 单斜单斜 三斜三斜 l 晶格常数：晶晶格常数：晶 胞各边的尺寸胞各边的尺寸 a a、 b b、c c。 l各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示。表示。 桂林电子科技大学
43、 l 原子半径：晶胞中原子密原子半径：晶胞中原子密 度最大方向上相邻原子间距度最大方向上相邻原子间距 的一半。的一半。 l 晶胞原子数：一个晶胞内晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。所包含的原子数目。 l 配位数：晶格中与任一原配位数：晶格中与任一原 子距离最近且相等的原子数子距离最近且相等的原子数 目。目。 l 致密度：晶胞中原子本身致密度：晶胞中原子本身 所占的体积百分数所占的体积百分数。 桂林电子科技大学 l晶体中各方位上的原子面称 晶面。 l各方向上的原子列称晶向。 l晶面指数 l表示晶面的符号称晶面指数。 l其确定步骤为： 桂林电子科技大学 l 确定原点，建立坐标系，求出所求晶
44、面在三个坐标轴上 的截距。 l 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧， 形式为（hkl）。 桂林电子科技大学 l 晶向指数 l表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为： 桂林电子科技大学 l 确定原点，建立 坐标系，过原点作 所求晶向的平行线。 l 求直线上任一点 的坐标值并按比例 化为最小整数，加 方括弧。形式为 uvw。 桂林电子科技大学 l(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶面和晶向。 l指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶 向族或晶面族。分别用和hkl表示。 桂林电子科技大学 )111()111()111()111(:111 )110()011()101(
45、)011()101()110(:110 )001()010()100(:100 、 、 、 桂林电子科技大学 （110 ） （110 ） （101 ） （101） （011 ） （011） X Z Y 桂林电子科技大学 111111111111:111 110011101011101110:110 001010100:100 、 、 、 桂林电子科技大学 111 111 111 111 X Z Y 桂林电子科技大学 说明： 在立方晶系中， 指数相同的晶面与 晶向相互垂直。 遇到负指数，“-” 号放在该指数的上 方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110与与110方方 向相反。向相反。
46、X Z Y (221 ) 221 110 110 桂林电子科技大学 l1、纯金属的晶体结构 l金属原子是通过正离子与自由电 子的相互作用而结合的，称为金 属键。 l金属原子趋向于紧密排列。 价电子云价电子云 正离子正离子 金属键示意图金属键示意图 l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)(fcc)和和 密排六方密排六方(hcp)(hcp)晶格。晶格。 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 l体心立方
47、晶格 原子个数：原子个数：2 2 配位数：配位数： 8 8 致密度：致密度：0.680.68 常见金属：常见金属： -Fe-Fe、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等 晶格常数：晶格常数：a(a=b=c) ar 4 3 原子半径：原子半径： 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 a 4 2 r ：原子半径原子半径 原子个数：原子个数：4 4 配位数：配位数： 1212 致密度：致密度：0.740.74 常见金属：常见金属： -Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbPb、AuAu等等 晶格常数：晶格常数：a l面心立方晶格 桂林电子科技大学
48、桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 a 2 1 r ：原子半径原子半径 原子个数：原子个数：6 6 配位数：配位数： 1212 致密度：致密度：0.740.74 常见金属：常见金属： MgMg、ZnZn、 BeBe、CdCd等等 晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.633 l密排六方晶格 桂林电子科技大学 桂林电子科技大学 l 三种常见晶格的密排面和密排方向 l单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 l单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 l原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量
49、体心立方晶格体心立方晶格 11064 面心立方晶格面心立方晶格 11146 密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面 1 底面对角线底面对角线 3 桂林电子科技大学 l三种常见晶格的密 排面和密排方向 六方底面六方底面 底面对角线底面对角线 密排六方晶格密排六方晶格 面心立方晶格面心立方晶格 体心立方晶格体心立方晶格 桂林电子科技大学 体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面 桂林电子科技大学 纯铁组织纯铁组织 晶粒示意图晶粒示意图 l 单晶体与多晶体 l单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 l多晶体： l晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此 方位
50、不同、外形不规则的小晶体组成，这 些小晶体称为晶粒。变形金属晶粒尺寸约 1100m，铸造金属可达几mm。 桂林电子科技大学 l晶粒越细小，晶界面积越大。 l多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图 桂林电子科技大学 l 晶体缺陷 l晶格的不完整部位 称晶体缺陷。 l实际金属中存在着 大量的晶体缺陷， 按形状可分三类， 即点、线、面缺陷。 桂林电子科技大学 l 点缺陷 l空间三维尺寸都很小 的缺陷。 l空位空位 l间隙原子间隙原子 l置换原子置换原子 桂林电子科技大学 la. 空位：晶格中某些缺排 原子的空结点。 lb. 间隙原子：挤
