1、緒論,材料與成形技術(shù)的經(jīng)濟(jì)地位 材料的發(fā)展史:石器時代、青銅器時代、鐵器時代 材料的分類:金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料 材料的應(yīng)用 :人造衛(wèi)星天線、隱形飛機(jī)、磁性材料、 本課程在人才培養(yǎng)中的地位和作用 是機(jī)械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課 是機(jī)械設(shè)計的重要基礎(chǔ)之一 在機(jī)械制造中占有重要地位 本課程的內(nèi)容和要求 內(nèi)容和要求:基本原理、基本知識、工程應(yīng)用（及三者之間 的關(guān)系） 特點: 內(nèi)容多、廣而淺、夠用為度 方法：前后貫通、靈活應(yīng)用,基本原理,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,基本知識,1.各類工程材料(金屬材料、工程陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合 材料)的特點及應(yīng)用. 2.材料改性工藝的特點及

2、應(yīng)用(熱處理工藝、表面改性). 3.各種成形工藝的特點及應(yīng)用(液態(tài)成形技術(shù)、固態(tài)成形技術(shù) 和連接技術(shù)).主要以金屬材料的鑄造、塑性加工及焊接工藝 為主. 4.零件材料的質(zhì)量控制(質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)、檢驗項目及方法). 5.新材料的發(fā)展及現(xiàn)代改性與成形工藝的進(jìn)展.,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,工程應(yīng)用,1.掌握工程材料和成形工藝的合理選用. 2.合理安排材料改性與成形工藝在流程中的位置. 3.掌握成形零件的結(jié)構(gòu)工藝性. 4.掌握材料及其加工中圖樣和技術(shù)條件的標(biāo)注方法. 5.了解材料質(zhì)量檢驗方法與分析方法. 6.具有對工程材料及改性與成形的工藝的分析能力.,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,車床,齒輪,火箭,

3、球形容器,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.1材料原子的相互作用 1.2晶體材料的原子排列 1.3非晶態(tài)材料中的原子排列 1.4合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.5高聚物的結(jié)構(gòu) 1.6陶瓷的結(jié)構(gòu) 1.7工程材料的性能 本章小結(jié),1.1材料原子的相互作用,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,離子鍵 共價鍵 金屬鍵 分子鍵,原子結(jié)合鍵類型,1.2晶體材料的原子排列,1.2.1理想晶體結(jié)構(gòu) 1).晶格 2).常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 3).晶面和晶向的表示方法 1.2.2實際晶體結(jié)構(gòu) 1).單晶體與多晶體 2).晶體缺陷,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.2.1理想晶體結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,2).常見的金屬晶體結(jié)構(gòu),第

4、一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,體心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格,1.2晶體材料的原子排列,1.2.1理想晶體結(jié)構(gòu) 1).晶格 2).常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 3).晶面和晶向的表示方法 1.2.2實際晶體結(jié)構(gòu) 1).單晶體與多晶體 2).晶體缺陷,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,晶面和晶向的表示方法分別采用晶面指數(shù) (hkl)和晶向指數(shù)uvw形式（以立方晶系為例）。,3).晶面和晶向的表示方法,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,晶向指數(shù)（hkl)的確定方法,晶面,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,以晶胞的某一陣點為原點，三個基矢 為坐標(biāo)軸，并以點陣基矢的長度作為三 個坐標(biāo)的單位長度； 過原點作一直線OP，使其平

5、行于待 標(biāo)志的晶向AB,這一直線必定會通過 某些陣點； 在直線OP上選取距原點O最近的一個陣 點P，確定P點的坐標(biāo)值； 將此值乘以最小公倍數(shù)化為最小整數(shù)u、 v、w,加上方括號，uvw即為AB的晶向指數(shù)。,晶面指數(shù)的確定方法,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,在點陣中設(shè)置參考坐標(biāo)系，方法與確定晶 向指數(shù)時相同，但不能將坐標(biāo)原點選在待 確定指數(shù)的晶面上； 以點陣基矢的長度為單位，量出待定晶面 在各坐標(biāo)軸上的截距； 取三個截距的倒數(shù)，并以最小 公倍數(shù)乘這三個倒數(shù)，得到三個 最小的整數(shù)h、k、l; 將求得的h、 k、 l用圓括號括 起來，（hkl)即為該晶面的晶面 指數(shù)。,單晶體的各向異性,單晶體中不同晶

6、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種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.2.2實際晶體結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,2).晶體缺陷種類,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,亞晶界,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,材料強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系,晶體缺陷的影響,晶體缺陷,晶體缺陷的出現(xiàn),將使其周圍的晶格產(chǎn)生畸變,而晶格畸變使材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能和電阻率、耐蝕性等物理及化學(xué)性能發(fā)生改變。,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.3非晶態(tài)材料中的原子排列,1.3.1短程有序 1.3.2亞穩(wěn)態(tài)性,熔體、晶體、非晶體的能量關(guān)系,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,

7、1.4.1合金的相結(jié)構(gòu)、組織及其關(guān)系 1.4.2固溶體 1.4.3金屬間化合物 1.4.4合金性能,1.4合金的晶體結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.4.2固溶體,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.4.3金屬間化合物,1)正常價化合物 2)電子化合物 3)間隙化合物 1.4.4合金性能 1)固溶體與固溶強(qiáng)化 2)化合物與第二相強(qiáng)化,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.5高聚物的結(jié)構(gòu),高聚物又稱高分子化合物,通常由一種或幾種簡單的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很大，一般在104107的范圍內(nèi)。 高聚物的結(jié)構(gòu)主要是指大分子鏈的結(jié)構(gòu)，即大分子鏈的形態(tài)、和大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。 1.5.1大分子鏈的

8、結(jié)構(gòu) 1.5.2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.5.1大分子鏈的結(jié)構(gòu),大分子鏈的結(jié)構(gòu)包括大分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成、鍵接方式、空間構(gòu)型等。 1)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成：由C、H、N、O、Si等元素構(gòu)成。其中碳原子之間以共價鍵結(jié)合的碳鏈高分子是最重要的高聚物。 2)結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和鏈的構(gòu)型（頭_尾連接、頭_頭連接、尾_尾連接等連接方式；空間構(gòu)型有全同立構(gòu)、間同立構(gòu)和無規(guī)立構(gòu) 3)大分子鏈的形態(tài)： （大分子鏈的幾何形態(tài)、大分子鏈的構(gòu)象及柔順性）,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,大分子鏈的幾何形態(tài),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,大分子鏈的構(gòu)象及柔順性,單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖,第一章工程材料的結(jié)

9、構(gòu)與性能,1.5.2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.6陶瓷的結(jié)構(gòu),陶瓷的基本相結(jié)構(gòu)主要有:晶相、玻璃相、氣相等。其組織示意圖見下圖 陶瓷的性能主要取決于晶相。陶 瓷中的晶相主要有硅酸鹽、氧化物、 非氧化物。,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,相,1.7工程材料的性能,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.7.1工程材料的力學(xué)性能 1. 強(qiáng)度 2. 塑性 3. 硬度 4. 沖擊韌性 5. 斷裂韌性 6. 耐磨性 7.粘彈性 1.7.2工程材料的物理性能 1.7.3工程材料的化學(xué)性能 1.7.4工程材料的工藝性能,拉伸實驗,現(xiàn)在播放錄象，請同學(xué)把視頻放大。,1.強(qiáng)度,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與

10、性能,1)靜載時的強(qiáng)度 (1) 彈性和剛度 (2) 屈服點 (3) 抗拉強(qiáng)度 2)變載時的強(qiáng)度 3)高溫強(qiáng)度,E,P,變載時的強(qiáng)度,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,金屬疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間的關(guān)系: 碳素鋼: -1(0.40.5) b; 灰鑄鐵: -1 0.4 b; 有色金屬:-1(0.30.4) b,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,2.塑性,材料在外力的作用下,產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為 塑性。其大小用伸長率和斷面收縮率來表示。,3.硬度,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,硬度,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,布氏硬度用HB表示:當(dāng)試驗壓力的單位為kgf時,當(dāng)試驗壓力的單位為牛頓(N)時,低碳鋼:b=3.5

11、3HB,高碳鋼: b=3.33HB,合金調(diào)質(zhì)鋼: b=3.19HB 灰鑄鐵: b=0.98HB,退火鋁合金: b=4.70HB,硬度,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,布氏硬度,洛氏硬度,4.沖擊韌性,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,溫度對沖擊韌性的影響,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,多次沖擊試驗原理圖,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,5.斷裂韌性,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,6.耐磨性,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,7.粘彈性,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.7.2工程材料的物理性能材料,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1.電性能 (1)導(dǎo)電性能 (2)介電性能 2.磁性能 3.光學(xué)性能 4.熱性能,（1）導(dǎo)電性

12、能,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,定義:導(dǎo)電性能是指材料傳導(dǎo)電流的能力。用電導(dǎo) 率表示，（電阻率的倒數(shù)1/），單位為cm-1。 材料的超導(dǎo)性,（2）介電性能,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,1）材料在電場中的極化 2）介電常數(shù)和介電強(qiáng)度： 介電常數(shù)K是材料的電容率與真空電容率的比值 （K=/0）。 介電強(qiáng)度是極板間介電體可保持不被擊穿的最大電 場強(qiáng)度，它決定了電容C和電荷量Q的上限。 3）壓電現(xiàn)象和電致伸縮現(xiàn)象 4）電鐵現(xiàn)象,2.磁性能,磁導(dǎo)率為磁場強(qiáng)度與磁 感應(yīng)強(qiáng)度的比值(=B/H). 相對磁導(dǎo)率r= / 0 (2)抗磁性、順磁性、鐵磁性、 反鐵磁性、亞鐵磁性 (3)磁疇結(jié)構(gòu),第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,3.光學(xué)性能,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,(1)連續(xù)光譜和特征譜線 (2)材料與光子的交互作用,4.熱性能,第一章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能,(1)熱容: 摩爾熱容是將1mol材料的溫度升高1K所需要的能量。 比熱容是指將單位質(zhì)量的材料的溫度升高1K所需要的能量。 其與摩爾熱容之間的關(guān)系是： 比容C=摩爾熱容/摩爾質(zhì)量 (2)熱膨脹系數(shù)： 線膨脹系數(shù)是指每升高1K單位長度上的變化量。 l=1T (3)熱導(dǎo)率： 熱導(dǎo)率是材料傳導(dǎo)熱量速率的量度，單位為W/（mK）,1.7.3工