《工程材料學》課件

1、 緒緒 論論 工程材料按其性能特點分為：工程材料按其性能特點分為：結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料 按化學材料分類法對工程材料進行分類按化學材料分類法對工程材料進行分類 工程材料工程材料 金屬材料金屬材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 復合材料復合材料 黑色金屬材料黑色金屬材料 有色金屬材料有色金屬材料 氧化物氧化物 陶瓷陶瓷 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 塑料塑料 橡膠橡膠 合成纖維合成纖維 金屬基復合材料金屬基復合材料 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 樹脂基復合材料樹脂基復合材料 鑄鐵鑄鐵 鋼鋼 面向二十一世紀，新材料的發(fā)展趨勢如下：面向二十一世紀，新材料的發(fā)展趨勢如下： 1、繼續(xù)

2、重視高性能的新型金屬材料；、繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料； 2、結(jié)構(gòu)材料趨向于復合化；、結(jié)構(gòu)材料趨向于復合化； 3、低維材料正在擴大應用；、低維材料正在擴大應用； 4、非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視；、非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視； 5、功能材料迅速發(fā)展；、功能材料迅速發(fā)展； 6、特殊條件下應用的材料；、特殊條件下應用的材料； 7、材料的設(shè)計及選用計算機化。、材料的設(shè)計及選用計算機化。 本課程的內(nèi)容有金屬學熱處理學金屬材料三方面組成，本課程的內(nèi)容有金屬學熱處理學金屬材料三方面組成， 基本要求如下：基本要求如下： 1、在金屬學方面：、在金屬學方面： 了解金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程、塑性變形

3、與了解金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程、塑性變形與 再結(jié)晶以及二元合金的基本理論再結(jié)晶以及二元合金的基本理論 2、在熱處理方面：、在熱處理方面： 了解鋼材的熱處理基本原理和工藝，以及熱處理工藝了解鋼材的熱處理基本原理和工藝，以及熱處理工藝 在零件加工過程中的地位和作用，以便能根據(jù)零件的技在零件加工過程中的地位和作用，以便能根據(jù)零件的技 術(shù)條件正確選定熱處理工藝方法，合理按排工藝路線。術(shù)條件正確選定熱處理工藝方法，合理按排工藝路線。 3、在金屬材料方面、在金屬材料方面 掌握常用的碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金、軸承合掌握常用的碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金、軸承合 金等金屬材料的成分組織性能和用途的基

4、本知識，以金等金屬材料的成分組織性能和用途的基本知識，以 便合理選用金屬材料。便合理選用金屬材料。 第一章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 一、概念一、概念 晶體晶體其原子呈規(guī)則排列的物體。其原子呈規(guī)則排列的物體。 晶格（點陣）晶格（點陣）把表示晶體中原子排列形式的空間子。把表示晶體中原子排列形式的空間子。 晶胞晶胞組成晶格的這種最基本的幾何單元。組成晶格的這種最基本的幾何單元。 （二）面心立方晶格（共有（二）面心立方晶格（共有14個原子）個原子） 其晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，但在其立方體的其晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，但在其立方體的 每一面的中心還有一個原子。每一面的中心還有一個

5、原子。 具有這種晶格的金屬有：鋁、銅、鎳、鉛等。具有這種晶格的金屬有：鋁、銅、鎳、鉛等。 二、三種常見的金屬晶格二、三種常見的金屬晶格 （一）體心立方晶格（共有（一）體心立方晶格（共有9個原子個原子） 具有這種晶格的金屬有：鐵、鉻、鉬、鎢、釩等。具有這種晶格的金屬有：鐵、鉻、鉬、鎢、釩等。 其晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，并在其立方體的其晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，并在其立方體的 體積中心還有一個原子。體積中心還有一個原子。 （三）密排六方晶格（共有（三）密排六方晶格（共有17個原子）個原子） 其晶胞中十二個金屬原子分布在六方體的十二個角其晶胞中十二個金屬原子分布在六方體的十二個角 上，在上

6、下底面的中心各分布一個原子，上下底面之上，在上下底面的中心各分布一個原子，上下底面之 間均勻分布三個原子。間均勻分布三個原子。 如圖如圖1-4所示。所示。 具有這種晶格的金屬有鈹（具有這種晶格的金屬有鈹（Be）、鎂（）、鎂（Mg）、鋅）、鋅 （Zn）、鎘（）、鎘（Cd）等。）等。 三、金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷三、金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 （一）概念：一）概念： 1、單晶體單晶體晶體的內(nèi)部晶格位向完全一致。晶體的內(nèi)部晶格位向完全一致。 2、晶粒晶粒外形不規(guī)則的小晶體。外形不規(guī)則的小晶體。 3、多晶體多晶體由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。 4、晶界晶界晶粒與晶粒之間的接觸界面晶粒與

7、晶粒之間的接觸界面。如如圖圖1-8 、 1-9所示。所示。 5、亞晶（嵌鑲塊）亞晶（嵌鑲塊）在晶格位向上彼此有微小差別的在晶格位向上彼此有微小差別的 晶內(nèi)小區(qū)域晶內(nèi)小區(qū)域 （二）晶格缺陷（二）晶格缺陷 （3）面缺陷面缺陷二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。 四、金屬的結(jié)晶四、金屬的結(jié)晶 按其幾何形式的特點可分為三類：按其幾何形式的特點可分為三類： （1）點缺陷點缺陷在三維尺度上都很小的，不超過幾個原在三維尺度上都很小的，不超過幾個原 子直徑的缺陷。子直徑的缺陷。 最常見的點缺陷是晶格空位和間隙原子。最常見的點缺陷是晶格空位和間隙原子。 （2）線缺陷線缺陷二維

8、尺度很小而第三維尺度很大的缺二維尺度很小而第三維尺度很大的缺 陷（位錯）。陷（位錯）。 凝固凝固一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。 結(jié)晶結(jié)晶通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)。通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)。 結(jié)晶過程結(jié)晶過程金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過程。金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過程。 一次結(jié)晶一次結(jié)晶把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程。把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程。 圖1-4 液體和晶體在不同溫度下的自由能變化 T0 二次結(jié)晶二次結(jié)晶（或重結(jié)晶）（或重結(jié)晶）把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱戆呀饘購囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?一種固體晶態(tài)的過程。一種固體晶態(tài)的過程。 溫度 時間

9、T 純銅的冷卻曲線 純銅的熔點（又稱理論結(jié)晶溫度） 開始結(jié)晶溫度 段-液態(tài)金屬逐漸冷卻 bcd段-溫度低于理論結(jié)晶溫度 T-過冷度 de段-金屬正在結(jié)晶 段-金屬全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體 后，金屬晶體逐漸冷卻 T1 T1 1、純金屬結(jié)晶的條件、純金屬結(jié)晶的條件 自由能自由能物質(zhì)中能夠自動向外界釋放出多余的或能夠?qū)ν馕镔|(zhì)中能夠自動向外界釋放出多余的或能夠?qū)ν?作功的這一部分能量。作功的這一部分能量。 液態(tài)金屬要結(jié)晶必須過冷。過冷是指液態(tài)金屬實際冷液態(tài)金屬要結(jié)晶必須過冷。過冷是指液態(tài)金屬實際冷 卻到結(jié)晶溫度以下而暫不結(jié)晶的現(xiàn)象。它表明金屬在液態(tài)卻到結(jié)晶溫度以下而暫不結(jié)晶的現(xiàn)象。它表明金屬在液態(tài) 和固態(tài)之間存在一個自由能差。這個能量差就是促使液體和固態(tài)之間存在一個自由能差。這