项目一金属材料的结构与力学性能.docx

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项目一金属材料的结构与力学性能

教学章节：

1.1教学内容：

金属的晶体结构

（一）教学要求：

1、了解金属、晶体结构特点；

2、掌握三种理想晶体结构特点。

重点难点：

理想晶体结构特点。

教学过程（板书设计）：

一、金属的三大特点

1、外观特征：

金属光泽和不透明性；

2、正的电阻温度系数；

3、良好的机械性能，良好的导电性、导热性。

二、固态物质存在的形式

1、晶体：

原子呈规则排列的物体如：

铜、铝，钢铁等。

2、非晶体：

原子成不规则排列的物体如：

玻璃、松香等。

三、晶体相关概念

1、空间点阵：

阵点排列形成的空间阵列。

2、晶格：

阵点用直线连接起来形成的空间格子。

3、晶面：

晶格中各种方位的原子。

4、晶胞：

晶格中选取一个能够反映晶格特征的最小几何单元。

四、晶体的特点

1、具有一定的熔点；

2、各向异性；

3、具有特定的几何形状（天然晶体）。

五、三种典型的金属晶体结构

1、体心立方晶格：

8个顶点各有一个原子，在体心处还有一个原子。

2、面心立方晶格：

8个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。

3、密排六方晶格：

六方体的12个顶点各有一个原子，上下底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有3个原子。

六、单晶体的各向异性

晶体在不同方向上性能不同，称之为晶体的各向异性;单晶体：

由一个晶粒所组成。

（结晶方位完全一致的晶体）。

表现各向异性特征。

但各向异性在实际工业生产中使用的金属材料中一般并不表现，因为实际工业生产中使用的金属材料为多晶体。

课后作业：

1、晶体的原子是呈有序、有规则排列的物质。

（）

2、非晶体的原子是呈无序、无规则堆积的物质。

（）

教学章节：

1.1教学内容：

金属的晶体结构

（二）教学要求：

1、了解实际金属的晶体结构；2、掌握晶体缺陷类型。

重点难点：

晶体缺陷。

教学过程（板书设计）：

一、多晶体结构1、晶粒：

每个小晶体都具有的不规则的颗粒状外外形。

2、单晶体：

由一个晶粒所组成。

3、多晶体：

由许多晶粒所组成，实际金属就属于这种情况。

4、晶界：

晶粒与晶粒之间的界面，称为晶界。

一般在铜材中，晶粒的尺寸在10-1~10-3mm左右。

在金相显微镜下可以观察。

二、晶体缺陷

通常将实际金属中原子排列的不完整性区域叫做晶体缺陷。

晶体缺陷按几何特点可分为以下三种：

1、点缺陷：

晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。

常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。

（1）空位：

当晶格中的原子由于某种原因，脱离原来的平衡位置，在原处出现了一个空结点

（2）间隙原子：

处于晶格间隙中的原子。

（3）置换原子：

正常节点处的原子被其他金属种类的原子所代替。

点缺陷造成的后果：

造成晶格畸变，使性能发生变化。

晶格上的结点偏离其平衡位置，出现几个甚至更多的原子间距范围的弹性畸变区。

2、线缺陷：

就是各种类型的位错，即晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线。

晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。

位错：

在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

最基本的类型有“刃型位错”和“螺型位错”。

3、面缺陷：

在一个方向上尺寸很小，在其它两个方向上尺寸很大，也叫二维缺陷，主要有金属中的晶界和亚晶界。

（1）晶界：

晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。

（2）亚晶界：

在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。

课后作业：

1、只有一个晶粒组成的晶体成为单晶体。

2、晶体缺陷有点、线、面缺陷。

2、面缺陷分为晶界和亚晶界两种。

（）（）

（）

教学章节：

1.2

教学内容：

纯金属的结晶

教学要求：

1、了解凝固和结晶的区别；

2、掌握纯金属的结晶过程。

重点难点：

纯金属的结晶过程。

教学过程（板书设计）：

一、结晶相关术语

1、凝固：

金属由液态转变为固态的过程。

2、结晶：

结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。

通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。

而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。

二、金属结晶的现象

将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中的温度——时间曲线。

这一实验方法称为热分析法，冷却曲线又称为热分析曲线。

金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温

度T0（熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到T0之下的某一温度T1,液态金属才开始结晶。

金属的实际结晶温度T1与理论结晶温度TO之差，称为过冷度，以AT表示，AT=T0-T1。

过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。

二、金属结晶的过程

金属结晶的微观过程是形核和长大的过程。

当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。

结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。

随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。

液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各

个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程结束。

1、晶核的形成

（1）均匀晶核：

是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中

各区域出现新相晶核的几率都是相同的。

（2）非均匀晶核：

是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。

2、晶核的长大晶体的长大从宏观上来看，是晶体的界面向液相中的逐步推移过程；从微观上看，则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上，并按晶体点阵规律要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定牢靠地结合起来的过程。

课后习题:

1、结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体状态的过程。

（）

2、纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。

（）

3、金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成。

（）

教学章节：

1.3

教学内容：

金属材料的损坏与塑性变形教学要求：

1、了解金属损坏的形式；

2、掌握载荷相关概念，金属塑性变形特点。

重点难点：

载荷相关概念。

教学过程（板书设计）：

一、载荷及其分类

金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷

1、根据载荷作用性质分类：

（1）静载荷：

大小不变或变化缓慢的载荷。

如吊车悬吊重物。

（2）冲击载荷：

短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

列车通过火车桥梁。

（3）交变载荷：

大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载

荷。

火车车轮。

2、根据载荷作用形式分类:

（1）拉伸载荷

（2）压缩载荷

（3）扭转载荷

（4）弯曲载荷

剪切载荷

内力及应力

1、

内力：

工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。

应力：

单位横截面面积上的内力称为应力。

R上

S

R—应力，Pa。

F—外力，N。

S—横截面面积，m2

三、金属的变形

1、金属变形分类

（1）弹性变形：

外力消失后变形消失，金属恢复到原来的形状。

（2）弹—塑性变形：

一部分发生弹性变形，一部分发生塑性变形。

（3）断裂：

破坏，不能再恢复。

2、影响金属塑性变形的因素

（1）晶粒位向的影响；

（2）晶界的作用；

（3）晶粒大小的影响。

四、金属材料的冷塑性变形与加工硬化金属材料的冷塑性变形对金属组织结构的影响有两个方面

1、产生纤维组织：

在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。

通常晶粒会沿变形的方向压扁或拉长

2、形变加强（加工硬化）：

冷塑性变形除了使晶粒外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降）

教学章节：

1.4

教学内容：

金属的力学性能

（一）教学要求：

1、了解金属力学性能的概念；

2、掌握强度、塑性的概念呢及测定方法。

重点难点：

强度、塑性的测定方法。

教学过程（板书设计）：

一、力学性能概念及指标

1、概念

金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能

2、力学性能指标

强度、塑性、硬度、冲击韧性等。

二、强度

强度

金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。

大小用应力表示。

根据载荷作用方式不同分类：

抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。

抗拉强度通过拉伸实验测定。

1、拉伸试样

圆形、矩形、六方形。

Lo=5d短试样，Lo=1Od长试样

2、强度指标

（1）屈服强度

ReL—试样的下屈服强度，MPa。

FeL—试样屈服时的最小载荷，N

So—试样原始横截面面积，mm:

（2）抗拉强度

Rm—抗拉强度，MPa。

Fm—试样在屈服阶段后所能抵抗的最打载荷，N。

So—试样原始横截面面积，mm2。

二、塑性

材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力称为塑性。

衡量塑

性的常见指标有断后伸长率和断面收缩率，也用拉伸试验法测

^定。

1、断后伸长率

L-La

Au0100%

Lo

Lo—试样原始标距长度，mm。

Lu—试样拉断后的标距长度，mm。

2、断面收缩率

Z二So_Su100%

So

mm2

S0—试样原始横截面面积，mm2。

Su—试样拉断后缩颈处的横截面面积,

金属材料的断后伸长率和断面收缩率越高，其塑性越好。

课后习题：

1、拉伸实验时，试样拉断前所能承受的最大应力称为材料的

（）。

A、屈服强度

B、抗拉强度

C

、弹性极限

2、疲劳试验时，

试样承受的载何为（

）

。

A、静载荷

B、冲击载荷

C

、交变载荷

3、洛氏硬度C标尺所用的压头是（）

。

A、淬硬钢球

B、金刚石圆锥体

C、硬质合金球

4、金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为

（）。

A、塑性

B、硬度

C

、强度

5、用拉伸试验可测定材料的（）

性能指标。

A、强度

B、硬度

C

、韧性

教学章节：

1.4

教学内容：

金属的力学性能

（二）教学要求：

1、了解硬度的分类及适用范围；

2、掌握硬度的测定方法；

3、了解冲击韧性的测定方法。

重点难点：

硬度及测定方法。

教学过程（板书设计）：

一、硬度

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。

常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法、维氏硬度实验法。

1、布氏硬度

（1）布氏硬度的定义

使用一定直径的硬质合金球体，以规定的实验力压入试样表面，并保持规定时间后卸去实验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。

布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位MPa。

用符号HBW）表示。

HBW=F=0.102,2F—

S「：

D（D-D2-d2）

S—球面压痕表面积，mm2；

F—实验力，N;

D—压头直径，mm;

D—压痕平均直径，mm。

一般情况不用计算，而是根据压痕直径查表得出布氏硬度值。

（2）布氏硬度的表示方法

符号HBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示实验条件。

1）球体直径

2）实验力

3）实验力保持的时间（10〜15s不标注）

例如：

170HBW10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的实验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。

（3）应用范围及优缺点布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。

优点：

试验力大、球体直径大，压痕直径大，能准确反映出金属材料的平均性能。

缺点：

操作时间长，不宜于测量成品及薄件。

2、洛氏硬度

（1）洛氏硬度的定义洛氏硬度实验是目前应用范围最广的硬度实验方法。

它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。

采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

（2）洛氏硬度的表示方法符号HR前面的数字表示硬度值。

HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。

（3）常用洛氏硬度标尺及其适用范围：

HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。

（4）洛氏硬度实验法的优缺点优点：

操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕较小，可以测定成品及较薄工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的金属材料。

缺点：

压痕小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，

测量值的代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来代表金属材料的硬度。

二、冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

材料的冲击韧性用一次摆锤冲击弯曲实验来测定。

试样规格：

U形或V形缺口的式样。

So

试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面积上吸收的功，即表示冲击韧度值。

a—冲击韧度，J/cm2,a值越大，材料的冲击韧性越好；

Ak—冲击吸收功，J;

So—试样缺口处的横截面面积，cm2。

课后习题：

1、所有金属在拉仲试验过程中都会产生“屈服”现象和“颈缩”现

象。

（）

2、布氏硬度试验法适合于成品的硬度测量。

（）

3、硬度试验测试简便，属非破坏性试验，且能反映其他力学性能，

因此是生产最常见的力学性能测试法。

（）

教学章节：

第二章1.5

教学内容：

金属的工艺性能

教学要求：

1、了解金属工艺性能的概念；

2、掌握金属各项工艺性能的影响因素及控制方法。

重点难点：

工艺性能的影响因素及控制。

教学过程（板书设计）：

金属材料仅有良好的力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，只有这样才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件。

例如：

青铜铸造性能好，常用来铸造精美的工艺品。

铸铁的铸造性能好于钢，钢的锻造性能很好。

工艺性能：

金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。

包括：

铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能。

工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线必须考虑的因素之一。

一、铸造性能金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力，叫铸造性能。

主要指标：

1、流动性：

金属熔化后的流动能力。

作用：

流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺才精确、轮廓清晰的铸件。

2、收缩性：

金属在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象。

收缩性不仅影响尺寸精度，还会产生缩孔，疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。

收缩率越小越好。

3、偏析倾向：

金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象。

偏析严重会使铸件各部分的力学性能有很大差异，降低了铸件质量。

二、锻造性能

用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。

锻造性能的好坏同金属的塑性和变形抗力有关。

塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。

三、焊接性能

焊接性能：

指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

焊接性能主要同金属材料的化学成分有关（碳的影响最大）。

一般来说，含碳量越多，焊接性能越差。

四、切削加工性能切削加工金属材料的难易程度。

衡量指标：

工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命。

影响因素：

工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性、形变强化。

一般认为：

金属材料具有适当硬度和足够的脆性时较易切削。

五、热处理性能

金属材料在进行热处理时反映出来的能力，称为热处理性能。

如淬透性、淬硬性、淬火变形开裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。

热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善材料力学性能的重要途径。

热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。

课后作业：

1、铸造合金由液态凝固和冷却至温室的过程中，体积和尺寸减小的现象称为（）。

A、收缩性B、流动性C、铸造性

2、金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象称为（）。

A、流动B、伸缩C、偏析

3、用锻压成型方法获得优良锻件的难易程度称为（）性能。

A、焊接B、切削加工C、锻压