第一章机械制造基础

1、机械制造基础,金属材料及热处理,绪论,1、机械制造基础的课程性质： 一门研究机械制造全过程中，金属机件制造工艺的综合性技术学科。 工科院校的一门综合性技术基础课程，是机械类专业的必修课之一。 2、机械制造基础的课程任务：可用以下表达式描述机械制造的全过程，,金属材料和热处理部分,通过学习应掌握的内容如下： 金属材料的主要性能； 铁碳合金（重点）； 钢的热处理原理与工艺（重点）； 合金钢的特性； 常用有色金属。,第一章：金属的结构与结晶,金属原子的价电子的第一电离能较非金属元素小得多，价电子脱离原子核的束缚不需很多能量。当金属原子聚集起来形成金属晶体时，外层的价电子脱离原来的原子，失去了价电子的

2、原子形成离子占据了晶体的阵点，并不停地振动，而脱离了原子的价电子为整个晶体所公有，在离子之间运动，形成了近似均匀分布的电子气。这种不属于哪一个原子的公有化电子与离子之间的库仑相互作用称为金属键。,第一节：金属的晶体结构,用金属键来解释金属的特性： 1、公有化电子的自由运动，使金属具有良好的导电性和导热性。 2、金属键无方向性，使其有良好的塑性变形能力。,金属导电性,金属变形,原子间力和势能曲线,晶体：指其原子（更为确切些说是离子）呈规则排列的物体。为研究方便我们做以下假设： 1、原子固定不动 （原子都围绕自身的平衡位置不停振动 ） 2、晶体是由许多小刚球堆砌而成 。,晶体有关概念,假设一,假设

3、二,体心立方,在假设的基础上,我们将小刚球抽象为无体积的几何点,用联线联起来,所形成的空间格子我们称之为晶格。而把能够代表晶格特征的最基本单元我们称之为晶胞。,1、晶格把构成晶体的实际质点（原子、离子、分子等）抽象成体积可以忽略的几何点（结点），用联线联接各结点，形成三维空间格架 2、晶胞是晶格最基本的几何单元。,3、晶格有6个参数：分别为a、b、c（晶格常数，单位为=110-8cm）和、。 4、晶格形式不同，或晶格常数不同，主要与其原子构造、原子间的结合键（金属键）性质有关；因晶格形式及晶格常数不同，于是不同晶体便表现出不同的物理、化学和机械性能。,三种常见的金属晶格,具有体心立方结构的常见

4、金属有：b-Ti、V、Cr、a-Fe、b-Zr、Nb、Mo、W等,具有面心立方结构的常见金属有: -Fe 、Al、b-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等,具有密排六方结构的常见金属有：a-Ti、a-Zr、Co、Mg、Zn等,三种常见的金属晶格,研究金属晶格的几个重要数据,1、晶胞中的原子数分为三种情况：一种是在晶胞内的格点，只为这个晶胞所独有；二是位于晶胞面上的格点，为两个相邻晶胞所共有。三是位于晶胞顶角处的格点，为几个晶胞所共有。 2.原子半径：首先确定原子相切的方向，即密排方向。 3、配位数：晶格中任一原子周围最近邻且等距离的原子数 。 4、致密度：原子体积占总体积的百分数 。即k=n

5、v/V，其中v为单个原子的体积 ，V为晶胞体积，n为一个晶胞中的原子数。,晶面与晶向指数,晶向：各种方向上的原子列；,确定方法:求截距并取倒数化整并加园括号,不同晶向和晶面，原子排列紧密程度不同。把原子排列最密的方向和平面称为密排方向和密排面。,由于晶体在不同的方向具有不同的微观组织结构，因此晶体表现出各向异性。而金属我们却见不到它们具有这种各向异性的特点，这是为什么呢？即现在我们讨论的金属是假设它为理想的晶体结构，但金属的实际结构不是如此。,第二节 金属的实际结构和晶体缺陷,一、多晶体结构； 二、晶格缺陷； 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体,金属多晶体结构,晶粒,晶界,晶格缺陷,二、线缺陷

6、：包括刃型位错等 三、面缺陷：晶界和亚晶界,间隙原子,晶格空位,刃型位错示意图,晶格空位和间隙原子示意图,一、点缺陷：晶格空位和间隙原子,螺型位错示意图,面缺陷的晶界及亚晶界,可以看出晶界处原子的排列比较疏松，因此原子比较容易沿着晶界扩散，杂质原子也容易在这里聚集，导致晶界成份与晶内不同。还有晶界处原子的无规则排列，这些都会导致晶格畸变，使金属各方面的性能发生显著变化。,空位引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,第三节 金属的结晶与铸锭,v则T ,结晶平衡温度出现的原因：向外界散热与内部结晶潜热析出的平衡,1结晶与凝固的区别 前者的产物是晶体，后者可以是非晶体。 2结晶条件 实际结晶温度 T

7、1 理论结晶温度 T0 （克服界面能） 过冷度：T = T0T1 0 3、过冷度与冷却曲线 冷速越快，过冷度越大,一、结晶的概念,二、结晶时晶核的形成和成长过程,金属结晶的过程： 1、形核自发与非自发形核 2、长大枝晶成长,三、影响晶核形成和成长速率的因素,1、过冷度的影响 形核速度大，长大速率慢，则晶粒总数目多，晶粒细小。 晶粒尺寸对机械性能的影响 ： 晶粒越细，则强度、硬度、塑性和韧性等越高。,2、未熔杂质的影响 变质处理：金属结晶时，向液体金属中加入微量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。,3晶粒尺寸的控制 提高冷却速度 则： 过冷度 N/G 增大，晶粒细化。 变质处理 金属结晶时，向液体金属中加入微量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。 振动，搅拌等 使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,晶粒越细、晶界越多,材料的强度就越高。另外由于在塑性变形中,晶界起着协调相邻晶粒变形的作用,所以晶粒细,晶界多，塑性也有改善。,作业： 1、试从不同方面说明晶界对材料性能的影响。 2、 如何看待金属材料的缺陷？举例说明。 3、 如何提高金属材料的强度？举例说明。（三种）, 晶粒小 晶界面积大 变形抗力大 强度大 晶粒小 晶界附近位错密度小 应