工程材料教案总-第1章.docx

工程材料基础课程教案任课老师：唐思文职称：讲师2013年8月湖南科技大学课程教案（首页）授课教师：唐思文职称：讲师单位： 机电工程学院课程名称工程材料基础课程编号授课学期2013-2014学年1学期考核方式考试（闭卷）学 分2.5授课年级2011级专业班级机械设计制造及其自动化学生人数87总学时数40学时理论学时32学时实践学时8学时课堂讲授32学时小组讨论 0学时现场讲解0学时教学目标及基本要求工程材料基础是高等院校机械类专业的一门十分重要的技术基础课。本课程的任务是从机械工程的应用角度出发，阐明机械工程材料的基本理论。了解材料的成分、加工工艺、组织、结构和性能之间的关系；介绍常用的机械工程材料及其应用等基本知识。本课程的目的是使学生通过学习，在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。教学重点材料的晶体结构、材料的性能、金属材料的塑性变形、材料的凝固与相图、铁碳相图、钢铁热处理、合金钢、机械设计与选材。教学难点材料的凝固与相图、铁碳相图、钢铁热处理、机械设计与选材教材名称机械工程材料作者高为国出版社中南大学出版社出版时间2011.7指定参考书工程材料作者张淑珍出版社及出版时间化学工业出版社工程材料作者朱张校出版社及出版时间清华大学出版社工程材料基础作者周凤云出版社及出版时间华中科技大学出版社 2002湖南科技大学课程教案（章节、专题首页）授课教师：唐思文职称：讲师单位：机电工程学院课程名称工程材料基础章节、专题第1章 材料的结构与凝固教学目标及基本要求1、 掌握金属和合金的晶体结构特点2、 掌握晶面和晶向的标定过程3、 掌握结晶的概念、驱动力和过程4、 掌握晶粒度的概念以及影响铸态金属晶粒度的因素5、 了解晶体的同素异构现象教学重点1、 金属和合金的晶体结构2、 晶面和晶向标定3、 密排面、密排方向4、 结晶5、 过冷度6、 晶粒度教学难点1、 结晶的条件2、 晶面和晶向的确定教学内容与时间分配1.1 金属的晶体结构1.2 合金的晶体结构1.3 非金属材料的结构1.4 凝固的基本概念1.5 金属的结晶1.6 材料的同素异构现象2学时习题P30：6、7、10、14第1章 材料的结构与凝固本章目录1.1 金属的晶体结构1.2 合金的晶体结构1.3 非金属材料的结构1.4 凝固的基本概念1.5 金属的结晶1.6 材料的同素异构现象1.1 金属的晶体结构 1.1.1 晶体结构的基本概念 晶体：内部原子或离子按一定几何形状有规则排列的固体。 非晶体：原子排列无规则的固体。 晶格：将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的 几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。 晶胞：能够反映晶格特征的最小组成单元。 晶格参数：晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、六个参数来描述。晶格常数：a、b、c。1.1.2 三种常见的金属晶体结构 体心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及a-Fe等属此种晶格。面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及g-Fe等属此种晶格。密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等属此种晶格。1.1.3 常见金属晶体结构的特征（1） 晶胞中的原子数 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 （2） 原子半径晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间球心距离的一半称为原子半径(r原子)。 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格（3） 配位数：晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。体心立方晶格：8面心立方晶格：12密排六方晶格：12（4） 致密度：晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，配位数大，则致密度亦大。体心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格三种典型金属晶体结构的特征1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性 晶面：通过晶体中原子中心的平面。 晶面指数：用以表示晶面的数字符号称为晶面指数。晶体中一些特定的晶向、晶面与晶体表现出的性能有密切关系。立方晶系的晶面指数的标定以图中的晶面ABBA为例, 晶面指数的标定过程如下： 1、设定一空间坐标系, 原点在预定晶面外,以晶胞三棱边作三维坐标的X、Y、Z，并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。 2、以晶格常数a为长度单位, 写出预定晶面在三条坐标轴上的截距:a3、截距取倒数：1/a 0 04、截距的倒数化为最小整数：1005、将三整数写在圆括号内：(100)6、晶面ABBA的晶面指数即为(100)。l 晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。 l 在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同的晶面, 这些晶面总称为晶面族, 用大括号表示, 即hkl。 晶向：晶体中原子列所表示的方向。 晶向指数：表示晶向的数字符号称为晶向指数。以图中的晶向OA为例,说明晶向指数的标定过程：1、设定一空间坐标系,原点在预定晶向的一结点上，并以晶胞三棱边作三维坐标的X、Y、Z，通过原点作平行于所求晶向的直线。2、 以相应的晶格常数为测量单位，写出该晶向上另一结点的空间坐标值：a003、 将坐标值按比例化为最小整数：1004、 将化好的整数记在方括号内：1005、得到晶向OA的晶向指数为100。 晶面原子密度：该晶面单位面积中的原子数。l 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 晶向原子密度：该晶向单位长度上的原子数。 体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度1.1.5 实际金属的晶体结构l 实际晶体结构单晶体：金属内部的晶格方位完全一致。多晶体：多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒：组成多晶体的外形不规则的小晶体。晶界：晶粒与晶粒间的界面。组织：指金属的内部形貌。显微组织：利用金相显微镜所观察到的组织。亚晶粒：晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。亚晶界：亚晶粒之间的界。l 晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷：包括晶格空位、间隙原子和异类原子，点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。线缺陷：即位错，或称为位错线。位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律的错排现象。包括刃型位错和螺型位错。面缺陷： 晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。 1.2合金的晶体结构n 合金：一种金属元素同另一种或几种金属或非金属元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。n 组元：组成合金最基本的独立物质。n 二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金。 n 相：在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。n 组织组成物：合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制和特殊形态的组成部分。不同的相形成不同的组织，不同的组织导致不同的性能。l 固态合金包含两种基本的相结构：固溶体和金属化合物n 固溶体 ：合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。 习惯以、。溶剂与溶质：与合金晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。n 有限固溶体：若溶质超过某个溶解度有其他相形成，即两个元素之间的相互溶解度有一定的限度的固溶体。n 无限固溶体：溶质与溶剂能以任何比例相互溶解的固溶体。n 置换固溶体：在溶剂晶格的某些结点上，其原子被溶质原子所替代而形成的固溶体。n 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中形成的固溶体。n 置换固溶体 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体。 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体。n 间隙固溶体形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。 n 固溶体的溶解度 有限固溶体：溶解度有一定限度的固溶体。 无限固溶体：组成元素无限互溶的固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。n 固溶强化：通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象。 固溶强化的原因：溶质原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸变，阻碍了晶体的滑移，从而使合金固溶体的强度和硬度得到提高。l 固溶体的性能随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。n 金属化合物：合金组元之间相互作用形成的、晶格类型和特性均不同于任一组元的新相。正常价化合物：由元素周期表上相距较远而化学性质相差较大的两元素形成的、严格遵守化合价规律的化合物。大多数金属和A族、A族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等。 1.3高分子材料的结构（1）高分子材料概述n 高分子聚合物（简称高聚物）：以高分子化合物为主要组分的有机材料，其相对分子质量在5000以上。分类：分为天然和人工合成两类。天然的包括天然橡胶、蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、蛋白质淀粉等；人工合成的有合成橡胶、塑料、合成纤维、涂料和胶粘剂等。n 单体：彼此能相互连接起来而形成高分子化合物的低分子化合物。如聚乙烯是由乙烯单体（CH2=CH2）聚合而成的。n 链节：组成高分子化合物的长链中的基本结构单元。 n 高分子化合物化学结构的特点：高分子化合物的分子量很大，化学组成比较简单，同有机化合物一样仅由几种元素所组成。其结构像一条长链，这个长链是由许多结构相同的重复单元（即链节）组成。高分子链的所有原子之间的结合键都是共价键。高分子化合物总含有各种大小不同（键长不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一个平均值。大分子链的结构均聚物：只含有一种单体链节，若干个链节由共价键按一定方式重复连接起来，像一根又细又长的链子一样。 共聚物：由两种以上不同的单体链节聚合而成的高分子聚合物。 1.4凝固的基本概念n 凝固：指物质从液态冷却转变为固态的过程n 从本质上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金属的结晶。l 凝固状态的影响因素熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力。粘度是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表现。越大，流体层间的内摩擦力就越大，相对运动越困难，甚至使原子无法迁移排成晶体，凝固时很容易形成无规则的原子排列。金属材料的值极小，熔点附近原子的迁移能力极强，绝大多数凝固为晶体。1.5 金属的结晶l 纯金属的结晶bc段开始结晶温度低于理论结晶温度, 这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度 Tn之差叫做过冷度, 用 T 表示。 T =T0- Tn冷却速度越大, 则开始结晶温度越低, 过冷度也就越大。de段 结晶时温度保持不变。液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持结晶过程温度不变。在非常缓慢冷却的条件下，平台温度与理论结晶温度相差很小。ef段 金属全部转变为固态晶体后, 固态金属逐渐冷却。 l 结晶的能量条件在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能降低的过程才能自发进行。F=U-TS F固=U固-TS固F液=U液-TS液过冷是金属结晶的必要条件F 就是液态金属结晶的驱动力。l 结晶的结构条件：液态金属内部极小范围内瞬时呈现的短程有序原子集团，就是金属结晶所需的结构条件。 l 金属的结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。l 结晶后晶粒大小金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小对材料的性能影响很大。常温下的金属材料，晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。晶粒的大小取决于形核率N和晶核的长大速率G。金属凝固后，单位体积中的晶粒数Z与N、G的关系为：晶粒大小与N、G及过冷度的关系l 细化铸态金属晶粒有以下措施增大金属的过冷度变质处理 振动电磁搅拌l 金属铸锭的结晶组织金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶