工程材料及机械制造基础I课件

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1、绪 论,0.1 材料与人类文明 材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。,二、人类发展与材料,人们按照在使用中占主导地位的材料划分 历史： 石器时代陶器青铜器铁器钢铁（资本主义大工业时期）合成材料（20世纪）复合材料（20世纪40年代）,三、材料科学技术现代文明的支柱之一,人与动物的区别： 1、制造工具（本质） 2、能源的利用 3、信息的传播和保存 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,0.2 材料与机械工程,一、机械设计与材料 二、机械制造与材料 三、机械产品的失效与材料 小结：材料贯穿于机械

2、工程的始终,0.3工程材料的分类,一、按来源分为天然材料和人工材料 二、接用途分为功能材料和结构材料 三、按化学性质分为：,金属材料,陶瓷材料,高分子材料,四、工程材料的常见分类,1 无机材料（金属、 金属间化合物、无机非金属材料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷） 2 有机材料（有机天然材料、有机合成高分子材料） 3 复合材料 （金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）,第一章 金属材料的力学性能,表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能 1. 使用性能 物理、化学、力学性能 2. 工艺性能 铸造、锻、焊、切削等,第一节 静载荷条件下材料的力学性能,一、静拉伸试验及材料的强度与塑性,1.弹性极限 2.

3、材料刚度简称刚度（或刚性），即材料力学中的弹性模量。是指金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力。它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标，用符号E表示。,（二） 材料强度,1.屈服点 屈服强度s和条件屈服强度0.02 a: s=Ps/Fo （s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。） b: 0.02条件屈服强度 （中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。） 脆性材料：b=s 灰口铸铁 2.抗拉强度 b=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。,（三）材料的塑性,1.伸长率 Lk:试样拉断

4、后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do) 2断面收缩率 y =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% d ,y 越大，塑性愈好 d5%, 脆性材料,二、硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。 1布氏硬度,适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属 或质地轻软的轴承合金。,2洛氏硬度,定义：每0.002mm相当于洛氏1度 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 HRB 轻金属，未淬火钢 HRC 较硬，淬硬钢制品 HRA 硬、薄试件,3维氏硬度科学试验,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等， 小于10kg的压力可以

5、测定显微组织硬度。,第二节 非静载荷时材料的力学性能,一、冲击韧度 韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F (J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。 韧性与温度有关脆性转变温度TK,二、疲劳强度-1 （80%的断裂由疲劳造成）,应力 周次,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生

6、疲劳断裂的最高应力值。 条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,第三节 金属材料的断裂韧度,3断裂韧性,对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时， y =KI 就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。,这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧

7、性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KIKIC时，裂纹处于临界状态 KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。 KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。,4应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KIKIC ，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。

8、,5 Titanic沉没原因,12 工程材料的其它性能,一、热学性能 材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。,1热膨胀原子（或分子）受热后平均振幅增加 （1）体积膨胀系数 （2）线膨胀系数 结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。 2热传导自由电子的运动和晶格振动。 导热系数：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量： 3热容： 材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。 一克物质的热容也叫比热。,二、电学性能,导电性 RLS 电阻率： 电导率：1/ 超导体：0 导体：=10-8-10-5 半导体：=10-5-107 绝缘体：=107

9、-1022,三、磁性,1物质接磁性分类： 抗磁性物质 顺磁性物质 铁磁性物质 2磁化率 磁化强度MXH X：磁化率（或磁化系数） 3导磁率 BH （：介质导磁率） 4磁弹回线和矫顽力,四、比重和熔点 1比重 2熔点 五、耐磨性能 六、抗蚀性能,第二章 金属的晶体结构,金属的晶体结构指的是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。,第一节 纯金属的晶体结构,一、晶体结构的基本知识,（一）基本概念 1.晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵 2.晶胞：代表晶格特征的最小几何单元体 3.晶格参数与晶格常数 在晶体学中，用来描述晶胞大小与形状的几何参数称为

10、晶格参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角、共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。,（二）金属中常见的晶格 法国晶体学家布喇菲曾用数学方法计算出晶体有十四种空间点阵，可分为七大晶系。可构成几乎是无数种具体的晶体结构。对于金属材料多属于立方晶系和六方（角）晶系。在金属材料中最常见的晶格只有三种。,1.体心立方晶格BCC Body-Centered Cube 体心立方晶格属于立方晶系。 体心立方晶格金属：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等。,晶格参数：a=b=c; =900。 立方体八个角上各有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方晶胞中原子个数为两个，即1/88+1=2

11、个。,2.面心立方晶格FCC Face-Centered Cube 面心立方晶格也属于立方晶系。 面心立方晶格金属：铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、锰、铅等。,晶格参数：a=b=c；=900。 在晶胞的八个角上各有一个原子，立方体的六个面的面心各有一个原子。每个面心立方晶胞中有四个原子，即1/88+1/26=4个。,3.密排六方晶格HCP Hexagonal Close-Packed 密排六方晶格属于六方（角）晶系。 属于密排六方的常用金属有：镁、锌、铍、钛、镉等。,晶格参数：a=bc；=900；=1200。 在六棱柱晶胞十二个角上各有一个原子，两个端面内各有一个原子，晶胞内部有三个原子。每个

12、密排六方晶胞中有六个原子，即1/612+1/22+3=6个。,（三）晶格的致密度,定义：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。 经过计算可知：体心立方晶格的致密度为0.68；面心立方晶格和密排六方晶格的致密度都是0.74。晶格致密度也称作晶格密积因数。,BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数,晶面指数和晶向指数,（四）晶面指数和晶向指数,1.晶面指数的确定方法 1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴），坐标原点可以选在结点上，但不便选在待标定的晶面上。 2)以晶胞的棱长a、b、c为相应坐标轴的度量单位。测量出待标定晶面对坐标轴的截距例如：某晶面的截距分别为、2、-1。； 3)取各截

13、距的倒数，并按比例化为最小整数。上述的截距倒数是1/, 1/2, -1/1，化为最小整数为0, 1、-2。 4)将这三个最小整数依次写在圆括号内，数之间不用标点隔开，负号改写在相应数字的顶部。即（0 1 ）就是这个待定晶面的晶面指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。,2.晶向指数的确定方法 1)以晶胞的棱边作为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴），原点选在待定晶向的直线上。 2)以棱长a、b、c分别为相应坐标轴的度量单位，求出待定晶向上某点（任选）的三维坐标值。如：-2、2、0。 3)将坐标值按比例化为最小整数，并依次写在方括号内，数间不用标点隔开，负号改写到数的顶部。则上例为（ 1 0）就是这个

14、待定晶向的晶向指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶向。 对于立方晶系常用晶面是（100）、（110）、（111）。常用晶向是100、110、111，。 对于六方晶系，由于它的结构形式不同于立方晶系。其晶面指数和晶向指数需用四个数字来表示。,3.晶面族与晶向族 凡是晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的，具有相同的原子密度和性质。这些晶面被称之为一个晶面族。 如：（110）、（101）、（011）、（10 ）、（ 10）、（0 1）六个独立的晶面就组成了一个晶面族。其晶面族指数记为110。同样道理，原子排列密度完全相同的晶向也可组成一个晶向族。如

15、：111、1 1、 11、11 四个晶向组成一个晶向族。这个晶向族指数记为111 另外，在立方晶系中，凡是晶面指数与晶向指数相同的晶面与晶向都保持着垂直关系。例(111)111、(110) 110、(100) 100。,（五）晶体的各向异性,在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。 晶体分为单晶体和多晶体。 所谓单晶体是晶体内各处晶格位向是一致的晶体。多晶体是晶体内晶格位向不相同的晶体。,二、纯金属的实际晶体结构,实际金属通常都不是单晶体。而是由许多相当于单晶体的微小晶粒和晶体缺陷

16、组成的多晶体。 （一）晶粒与亚晶粒 在金属晶体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称之为一个晶粒。 在每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多晶格位向差小于20、30的更小的晶块。这些小晶块内部晶格位向完全一致。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。,（二）晶体中的晶体缺陷,1.点缺陷 点缺陷是指以一个点为中心，在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子、置换原子、晶格空位三种。,2线缺陷 位错：晶体中某一列或若干列原子发生了生了有规律的错排现象。 位错密度,3面缺陷 晶体的面缺陷，主要是指晶界和亚晶界。,第二节 合金的晶体结构,一、基本概念 1.合金 一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料 2.组元 组成合金的最基本的、能独立存在的物质，简称元。 3.合金系 有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。 4.相 在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并