第1章-材料的原子结合方式及性能

机械工程材料动力与机械学院材料系于洋洋绪论1.课程性质：技术基础课2.材料科学的含义：材料:组成或制造器件的物质.材料科学:研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系的科学。教材与参考书教材周凤云.工程材料及应用.华中科技大学出版社.2003年参考书1.刘智恩.材料科学基础.西北工业大学出版社.2003年2.石德柯.材料科学基础.机械工业出版社.2005年3.孙茂才.金属力学性能.哈尔滨工业大学出版社.2005年4.崔忠圻.金属学与热处理原理.哈尔滨工业大学出版社.2007年相关学科•材料科学基础•力学性能•物理性能•金属学及热处理•材料成型•机械制造•金属工艺学……绪论成绩考核：平时成绩：课堂提问+课堂讨论+平时测验期末成绩：考试课程总成绩＝平时成绩*30％+期末考试成绩*70％机械工程材料第1章：材料的原子结合方式和性能第2章：材料的晶体结构第3章：材料的凝固与相图第4章：铁碳合金第5章：钢铁热处理第6章：金属材料的塑性变形第7章：合金钢第8章：非铁金属材料第9章：高分子材料的结构第10章：陶瓷材料第11章：复合材料第12章：机械设计与选材第13章材料表面改性技术第14章：材料的显微组织鉴别第1章材料的原子结合方式及性能第1节固态物质的原子结合键第2节工程材料的分类第3节材料的性能第一章第一节固态物质的原子结合键第一节固态物质的原子结合键固体分类：晶体、非晶体、准晶体三大类。晶体：原子、分子或离子按照一定的规律周期排列组成的固体，长程有序，各向异性。（自然界存在）非晶：组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。各向同性，没有一定规则的外形。准晶：具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重复。（自然界不存在，一般出现在淬冷合金中）硅表面原子排列碳表面原子排列非晶准晶第一章第一节固态物质的原子结合键原子的结合方式1原子结构©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™2原子结合能①排斥力②吸引力原子间相互作用的势能具有最低值，称为原子的结合能。原子序数原子量阿佛伽德罗常数原子量单位电负性3原子结合键①金属键与金属晶体②共价键与原子晶体③离子键与离子晶体④范德瓦尔键与分子晶体第一章第一节固态物质的原子结合键©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。①金属键与金属晶体第一章第一节固态物质的原子结合键©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™②共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如陶瓷材料。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™③离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体：硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如NaCl。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™④分子键与分子晶体氢键：离子结合：X-H-Y（氢键结合），结合力弱。有方向性，如O-H—O。如高分子材料©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™第一章第一节固态物质的原子结合键第二节工程材料的分类2、按结晶状态分：单晶体材料多晶体材料非晶体材料1、按用途分：建筑材料电工材料结构材料3、按物理性能分：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、压电材料、压敏材料、声电材料、光电材料等等绪论4.工程材料的分类：（按成分分类）金属材料：综合性能等。陶瓷材料：高温、稳定性能等。高分子材料：耐腐蚀等特殊性能。复合材料：1＋1大于2。5.金属材料分类：黑色金属：铁、锰与铬有色金属：除铁、锰与铬以外的金属材料金属复合材料高分子陶瓷第三节材料的性能材料的性能包括使用性能和使工艺性能。1.使用性能：①力学性能②物理性能③化学性能①金属的力学性能：材料在外力作用下表现出来的特性。表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。①金属的力学性能强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。是衡量零件本身承载能力的重要指标。强度是机械零件首先应该满足的指标塑性：即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。拉伸试验机液压式万能电子材料试验机（一）强度和塑性①金属的力学性能图1标准拉伸试样图2拉伸试样出现颈缩现象图3拉伸式样断裂图4断口低倍放大像（SEM）图5断口高倍放大像（SEM）屈服强度力—伸长曲线b屈服弹性变形断裂塑性变形σ（F）LOaefc缩颈抗拉强度弹性极限bse延伸率：断面收缩率：OOLLLAuOOSSSZuA≈2--5%属脆性材科A≈5--10%属韧性材料A10%属塑性材料0.2①金属的力学性能大潜深潜艇（500-600m）主船体采用超高强度潜艇耐压壳体用钢：主流用钢：俄、美、日等国屈服强度为900MPa～1080MPa俄罗斯：研发的АБ系列钢最高强度甚至达到1175MPa级①金属的力学性能＞1000MPA46%13%41%≤420MPA≤220MPA汽车车身各部位用钢量及用钢强度（）0.2①金属的力学性能硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。举例说明硬度与强度的区别：金刚石、玻璃等，为高硬度、低强度的典型材料。洛氏硬度维氏硬度肖氏硬度莫氏硬度布氏硬度硬度试验方法（二）硬度①金属的力学性能布氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度计①金属的力学性能布氏、洛氏、维氏硬度压头硬度计算应用范围不可应用范围优点缺点布氏洛氏维氏球形硬质合金较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材等计算球形压痕面积成品检验、薄件表面检验误差小、稳定、重复性强压痕大，测量费时圆锥形金刚石四棱锥体金刚石直接读数较硬材料、成品检验、薄件表面检验组织不均匀材料操作简单、快捷，适用范围广，能侧薄件测量精度低、可比性差、不同标尺的硬度值不能比较计算四面体压痕面积适用于大部分材料大批生产时的组织不均匀材料适用范围广、可比性强、可测量薄件操作麻烦，效率低①金属的力学性能（三）冲击韧性材料抵抗冲击性外力而不破坏的能力。具体指：试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。）（2cmkkaJSAT(ºc)-40-20020204060ak韧脆转变温度T↓，ak急剧↓韧性→脆性金属材料的韧脆转变温度越低，材料的低温冲击韧性愈好。①金属的力学性能（四）断裂韧性低应力脆断有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。韧性脆断的评定aYKCC1式中：K1c--断裂韧性σc--断裂时的应力值（N/mm2）；Y--裂纹的几何形状因子;a--裂纹长度（mm）；σσa图1具有张开型裂纹的试样当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。①金属的力学性能①金属的力学性能（五）疲劳强度零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的交变应力后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳极限σ-1:表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。循环次数（N）应力σ(Mpa)σNσ-1有限寿命无限寿命钢材的循环次数N=107有色金属的循环次数N=108夹杂物放射棱线和疲劳弧线疲劳源瞬断区扩展区高周疲劳断口航空涡喷6发动机叶片疲劳断口（歼击机）叶片疲劳条带①金属的力学性能汽轮机机组第10级动叶片断裂失效A裂源区B疲劳裂纹扩展区C瞬时断裂区D剪切纯区①金属的力学性能提高疲劳极限途径：改善零件结构形状降低表面粗糙度采取表面强化2.使用性能：①力学性能②物理性能③化学性能（一）密度（二）热学性能⒈熔点⒉热容⒊热膨胀⒋热传导（三）电学性能⒈电阻率ρ⒉电阻温度系数；⒊介电性（四）磁学性能⒈磁导率μ；⒉饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Ｈc物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。②物理性能③化学性能研究内容a)化学腐蚀b)电化学腐蚀c)提高零件耐蚀性的主要措施材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。2.使用性能：①力学性能②物理性能③化学性能①铸造性能：液体金属浇铸成型的能力，称为金属的铸造性能。包括流动性、收缩率和偏析倾向。1.工艺性能：①铸造性能②锻造性能③焊接性能④切削性能缩孔及缩松的形成a.碳钢的可锻性比较好，随着碳含量的增加，可锻性变差。b.合金钢的可锻性低于碳钢，合金组分越多，可锻性越差。c.铸铁不可锻。②锻造性能：由塑性和强度衡量；取决于材料的成分、组织和加工条件，如锻造温度、变形速度、应力状态等加工条件。2.工艺性能：①铸造性能②锻造性能③焊接性能④切削性能③焊接性能：取决于材料的化学成分、焊接方法、焊接材料、工艺参数和结构形式等。④切削性能金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能；切削性能与材料及切削条件有关。通常，材料硬度低时切削性能较好，一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。①金属的力学性能第一章结束