东南大学材料成型基础第一章

第一章 工程材料的结构与性能
第一章 工程材料的结构与性能
绪论
本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求
第一章 工程材料的结构与性能
第一章工程材料的结构与性能
1.1材料原子的相互作用 1.2晶体材料的原子排列
1.3非晶态材料中的原子排列
1.4合金的晶体结构
1.5高聚物的结构
1.6陶瓷的结构 1.7工程材料的性能 本章小结
1.2.1理想晶体结构
晶体、非晶体
晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向
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常见的晶格类型
根据晶胞的三条棱边是否
相等、三个夹角是否相等以及 是否为直角，晶体学将所有晶
体分为7个晶系，14种空间点阵。
称作布喇菲空间点阵 常见的三种金属晶格类型有： 体心立方晶格。 面心立方晶格。 密排六方晶格。
A0 A1 100% A0
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3.硬度
布氏硬度原理
洛氏硬度原理
维氏硬度原理
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布氏硬度
第一章 工程材料的结构与性能
硬度
布氏硬度用HB表示:当试验压力的单位为kgf时
F F 2F HB F凹 Dh D( D D 2 d 2 )
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1.1材料原子的相互作用
离子键
共价键
金属键
分子键
原子结合键类型
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1.2晶体材料的原子排列 1.2.1理想晶体结构 1).晶格 2).常见的金属晶体结构 3).晶面和晶向的表示方法 1.2.2实际晶体结构 1).单晶体与多晶体 2).晶体缺陷
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晶粒 晶界
单晶体
多晶体
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2).晶体缺陷种类
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点缺陷
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线缺陷
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面缺陷
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晶体缺陷的影响
晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响， 与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关 系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性 的作用。 如：晶体缺陷的出现,将使其周围的晶格产生畸 变,而晶格畸变使材料的强度、硬度等力学性能和电 阻率、耐蚀性等物理及化学性能发生改变。
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6.耐磨性和粘弹性
粘弹性 耐磨性
•蠕变 •应力松弛 •滞后与内耗
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1.7.2工程材料的物理性能材料
1.电性能 1)导电性能 2)介电性能(材料在电场中的极化；介电常数和介电
强度；压电现象和电致伸缩现象；电铁效应） 3)磁性能（磁导率、磁化强度；抗磁性、顺磁性、铁 磁性、反铁磁性、亚铁磁性；磁畴结构）。。。。（加强） 4)光学性能（连续光谱和特征谱线、材料与光子的交 互作用） 5)热性能（热容、热膨胀系数、 热导率）
当试验压力的单位为牛顿(N)时
HB 0.102
2F
D( D D 2 d 2 )
低碳钢:ơb=3.53HB,高碳钢: ơb=3.33HB,合金调质钢: ơb=3.19HB 灰铸铁: ơb=0.98HB,退火铝合金: ơb=4.70HB
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洛氏硬度
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第一章 工程材料的结构与性能
工程材料及成形 技术基础
第一章 工程材料的结构与性能
绪论
材料与成形技术的经济地位
材料的发展史 材料的分类
本课程在人才培养中的地位和作用
本课程的内容和要求
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材料的分类
按化学成分分类 金属（黑色金属、有色金属） 非金属 无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材 料） 现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷） 有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂） 按用途分类 结构材料（利用其力学性能） 功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物 化学等特性完成特定功能） 按状态分类 单晶体、多晶体、非晶体
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(1)体心立方晶格结构
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(2)面心立方晶格结构
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(3)密排六方晶格结构。
动画15 密排六方晶胞
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3).晶面和晶向的表示方法
晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数 (hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。 晶面 晶向指数[uvw] 的确定方法是： Z 以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢 为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个 坐标的单位长度； 过原点作一直线OP，使其平行于待 Y 标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些 X 阵点； 在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点 的坐标值； 将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括 号，[uvw]即为AB的晶向指数。
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大分子链的几何形态
线型
带有支链
体型
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单键内旋转示意图
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1.5.2高聚物的聚集态结构
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1.6陶瓷的结构
陶瓷的基本相结构主要有:晶相、玻璃相、气相等。其组 织示意图见下图 陶瓷的性能主要取决于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐 、氧化物、非氧化物。
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1.4.2固溶体
溶剂原子
溶质原子
置换固溶体
间隙固溶体
置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无 规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则 称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何 比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换 固溶体。 间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å 的非金属元素，如:H、 O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直 径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。 溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。
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晶面指数的确定方法
在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶 向指数时相同，但不能将坐标原点选在待 确定指数的晶面上； 以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面 在各坐标轴上的截距； -Y 取三个截距的倒数，并以最小 公倍数乘这三个倒数，得到三个 最小的整数h、k、l; 将求得的h、 k、 l用圆括号括 X 起来，（hkl)即为该晶面的晶面 指数。 Z
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1.强度
1)静载时的强度 (1) 弹性和刚度 (2) 屈服点σs (3) 抗拉强度σb 2)变载时的强度 3)高温强度
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2.塑性
材料在外力的作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称 为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。
L1 L0 100% L0
(326)
X
Y
-Z
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单晶体的各向异性
单晶体中不同晶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种性 能也不同，这种现象称为各向异性。
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1.2.2实际晶体结构
1.多晶体与亚结构 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个 小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。 小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结 构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。
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传统陶瓷 由粘土、 石英、长石等成分 组成，以天然为主。 现代陶瓷 由 Al3O2、SiC、Si3N4等 成分组成，以合成 为主。
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1.7工程材料的性能
1.7.1工程材料的力学性能 1. 强度 2. 塑性 3. 硬度 4. 冲击韧性 5. 断裂韧性 6. 耐磨性 7.粘弹性 1.7.2工程材料的物理性能 1.7.3工程材料的化学性能 1.7.4工程材料的工艺性能
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由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元 素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元 素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分 以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是 一种相，也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为 组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了 不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可 以分为固溶体和化合物两类。
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复习思考题
1. 说明金属键、离子键、共价键的区别和联系。 2. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格 常数有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、 Mg、Zn各属何种晶体结构？ 3. 已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为2.86×10-10m和 3.607×10-10m，求1cm3的铁和铜中的原子数。 4. 单晶体与多晶体有何区别？为什么单晶体具有各向异性， 而多晶体则无各向异性？ 5. 何谓点缺陷？对性能有何影响？ 6. 何谓刃型位错？位错密度对材料的力学性能有何影响？ 7. 指出下列名词的主要区别：置换固溶体与间隙固溶体； 相组成物与组织组成物。 8. 置换原子与间隙原子的固溶强化效果哪个大些？为什么？
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1.4.3金属间化合物
1)正常价化合物 2)电子化合物 3)间隙化合物 1.4.4合金性能 1)固溶体与固溶强化 2)化合物与第二相强化
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1.5高聚物的结构
高聚物又称高分子化合物,通常由一种或几种 简单的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很 大，一般在104～107的范围内。 高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大 分子链的形态、和大分子的聚百度文库态结构。 1.5.1大分子链的结构
Ak=G(H-h) Ak k A0
J J/cm2
a
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5.断裂韧性
K1 Y a
Mpa.m1/2
研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引
起的。这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也
可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的。材料 在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会突然 失稳扩展，导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失 稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。
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1.3非晶态材料中的原子排列
1.3.1短程有序 1.3.2亚稳态性
第一章 工程材料的结构与性能
1.4合金的晶体结构
1.4.1合金的相结构、组织极其关系 1.4.2固溶体 1.4.3金属间化合物 1.4.4合金性能
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1.4.1合金、相、组织及其相互关系
比容C=摩尔热容/摩尔质量
线胀系数l=1T
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1.7.3工程材料的化学性能
•抗氧化性 •抗腐蚀性
电解液
Fe H2
F Fe3C (+) (-) (+) (-) (+)
Fe-Cu电池
珠光体腐蚀
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本章小结
本章中介绍本课程的性质和任务。介绍了工程 材料（含金属材料、高分子材料、陶瓷材料等）的 结构和性能。重点介绍了金属材料的结构；材料的 力学性能的内容和测试方法。
硬度
符号 压头类型 压力 Kgf 150 硬度值 有效范围 20~60 HRC 25~100 HRB 70HRA 应用举例
HRC
金刚石圆锥
120º
淬火钢件
HRB
Ф1/16inch 淬火钢球 120º
金刚石圆锥
100
软钢、退火钢、铜合金
HRA
60
硬质合金、表面淬火钢
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4.冲击韧性
1.5.2高聚物的聚集态结构
第一章 工程材料的结构与性能
1.5.1大分子链的结构
大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接 方式、空间构型等。 1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si等元素构成。 其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚 物。 2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头 连接、尾_尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同 立构和无规立构 3)大分子链的形态： （大分子链的几何形态、大分子 链的构象及柔顺性）