机械工程材料版一课件国家精品课程.docx
- 文档编号:9754372
- 上传时间:2023-02-06
- 格式:DOCX
- 页数:56
- 大小:45.88KB
机械工程材料版一课件国家精品课程.docx
《机械工程材料版一课件国家精品课程.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械工程材料版一课件国家精品课程.docx(56页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机械工程材料版一课件国家精品课程
机械工程材料一主编赵程杨建民多媒体制作赵海霞绪论
第一章工程材料的力学性能
第二章工程材料的基础知识第三章金属的塑性变形与再结晶第四章钢的热处理
第五章金属材料第六章非金属材料和复合材料第七章常用机械工程材料的选用绪论1.1材料与人类文明1.2工程材料的分类1.3课程性质与任务§1.1材料与人类文明材料是人类作来制作各种产品的物质是先于人类存在的为人类生活和生产的物质基础。
一、材料
二、人类发展与材料人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史石器时代→陶器→青铜器→铁器→钢铁资本主义大工业时期→合成材料20世纪→复合材料20世纪40年代三、材料科学技术――现代文明的支柱之一人与动物的区别
1、制造工具本质2、能源的利用3、信息的传播和保存
支撑人类文明大厦的四大支柱技术材料科学与技术生物科学与技术能源科学与技术
信息科学与技术§1.2工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为功能材料和结构材料
三、按化学性质分为金属材料
陶瓷材料离子键和共价键离子键为主
高分子材料共价键、分子键和氢键共价键
为主。
四、工程材料的常见分类
1.无机材料金属、金属间化合物、无机非金属材料玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷2有机材料有机天然材料、有机合成高分子材料3复合材料金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基§1.3课程性质与任务1、性质在机械设计过程中不可避免地要对工程材料的选择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以全面正确的解决。
“机械工程材料”课程正是为实现
这一目标而设臵的。
2、任务通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知识的基础上了解常用材料成分、组织、性能和加工工艺之间的关系及其用途从而使其初步具备合
理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排制定加工工艺路线的能力也为后继有关课程的学习奠定必要的材料学基础。
[本章内容]1.1材料的强度与塑性1.2材料的硬度
1.3材料的冲击韧性1.4材料的疲劳强度1.5材料的断裂韧度[重点掌握]各种力学性能指标强度,塑性冲击韧性硬度HBHRCHV疲劳强度断裂韧性。
的物理意义和单位。
§1.1材料的强度与塑性
1.拉伸实验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样长试样L0=10d0短试样L0=ΔLF0低碳钢拉伸曲线
脆性材料拉伸曲线
2.拉伸机上低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)横坐标为应变ε其中σ=F/S表示材料抵抗变形和断裂的能力εL1-L0/L03.曲线分为四阶段1阶段Iope――弹性变形阶段p:
Fpe:
Fe不产生永久变形的最大抗力op段△L∝P直线阶段
pe段极微量塑性变形0.001--0.005%)2阶段IIess’段――屈服变形S:
屈服点Fs3阶段IIIs’b段――均匀塑性变形阶段b:
Fb材料所能承受的最大载荷4阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形颈缩铸铁、陶瓷只有第I阶段中、高碳钢没有第II阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1刚度和弹性刚度材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa
本质是反映了材料内部原子结应力的大小组织不敏感的力系指标。
弹性材料不产生塑性变形的情况下所能承受的最大应力。
比例极限σp=Fp/Ao应力――应变保持线性
关系的极限应力值弹性极限σe=Fe/Ao不产永久变形的最大抗力。
3.强度材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
屈服强度s材料发生微量塑性变形时的应力值。
即在拉伸实验过程中载荷不增加试样仍能继续伸长时的应力。
条件屈服强度0.2高碳钢等无屈服点国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度以σ0.2来表示抗拉强度b材料断裂前所承受的最大应力值。
材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。
s0.23.3.塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
延伸率延伸率与试样尺寸有关δ5、δ10(L0=5d,10d)断面收缩率ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%>时无颈缩为脆性材料表征<时有颈缩为塑性材料表征。
断裂后拉
伸
试
样
的
颈
缩
现
象§1.2材料的硬度抵抗外物压入的能力称为硬度综合性能指标。
1布氏硬度压头为钢球时布氏硬度用符号HBS表示适用于布氏硬度值在450以下的材料。
压头为硬质合金时用符号HBW表示
适用于布氏硬度在650以下的材料。
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf9.807kN载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
布氏硬度的优点测量误差小数据稳定。
缺点压痕大不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
材料的b与HB之间的经验关系对于低碳钢:
b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢b(MPa)≈3.4HB对于铸铁b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)2洛氏硬度定义HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有B、C、A三种①HRA硬、薄试件如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。
②HRB轻金属未淬火钢如有色金属和退火、正火钢等。
③HRC较硬淬硬钢制品如调质钢、淬火钢等。
洛氏硬度的优点操作简便压痕小适用范围广。
缺点测量结果分散度大。
h1-h0洛氏硬度测试示意图洛
氏
硬
度
计维氏硬度实验原理维氏硬度计3.3.维氏硬度维氏硬度维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点既可测量由极软到极硬的材料的硬度又能互相比较。
既可测量大块材料、表面硬化层的硬度又可测量金相
组织中不同相的硬度。
§1.3冲击韧性冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
指标为冲击韧性值ak。
ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)?
ak值低的材料叫做脆性材料断裂时无明显变形金属光泽
呈结晶状。
?
ak值高明显塑变断口呈灰色纤维状无光泽韧性材料。
材料的冲击韧性随温度下降
而下降。
在某一温度范围内
冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。
发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。
材料的使用温度应高于韧脆转变温度。
疲劳承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化交变应力作用下往往在
远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。
疲劳强度σ-1材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。
条件疲劳极限经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低金属材料疲劳强度较高纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。
影响因素循环应力特征、温度、材料成分和组织、
夹杂物、表面状态、残余应力等。
§1.4疲劳强度80%的断裂由疲劳造成周次σ轴的疲劳断口疲劳辉纹扫描电镜照片疲劳断口疲劳断口
通过改善材料的形状结构减少表面缺陷提高表面
光洁度进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
§1.5材料的断裂韧性1问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.2应力场强度因子K前面所述的力学性能都是假定材料内部是完整、连续的但是实际上内部不可避免的存在各种缺陷夹杂、气孔等由于缺陷的存在使材料内部不连续这可看成材料
的裂纹在裂纹尖端前沿有应力集中产生形成一个裂纹尖
端应力场。
表示应力场强度的参数——―应力场强度因子”。
I单位厚度无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹
Y裂纹形状加载方式试样几何尺寸实验类型有关
的系数――几何形状因子。
Y=I3断裂韧性对于一个有裂纹的试样在拉伸载荷作用下Y值是一定的当外力逐渐增大或裂纹长度逐渐扩展时应力场强度因子也不断增大当应力场强度因子KI增大到某一值时就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离从而导致裂纹突然失稳扩展即发生脆断。
这个应力场强度因子的临界值称为材料的断裂韧性用KIC表示它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。
当KI>KIC时裂纹失稳扩展发生脆断。
KIKIC时裂纹处于临界状态KI KIC可通过实验测得它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。 是材料的一种固有特性与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。 4应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 1探测出裂纹形状和尺寸根据KIC制定零件工作是否安全K≥KIC失稳扩展。 2已知内部裂纹2a计算承受的最大应力。 3已知载荷大小计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。 5.Titanic沉没原因I第二章工程材料的基础知识对材料的认识宏观微观。 材料结构--------微观认识。 如晶体结构[重点掌握]1.有关晶体结构的基本概念金属键晶面晶向 晶体晶格晶粒单晶体三种常见的金属晶格。 实际晶体的缺陷2.合金相结构的基本类型固溶体、化合物及混合物以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。 4.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成长大规律及其影响因素4.二元合金相图的基本概念相、组织、组元、相图、合金、合金系等5.二元合金相图的分析方法熟悉几种最基本的二元 合金相图6.杠杆定律及其应用。 7.纯铁的同素异构转变8.铁碳合金的基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的结构和性能特点及显微组织形貌 9.铁碳合金相图中各点、线、区的含义了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律根据相图分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程10.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系铁碳相图的应用。 [一般要求]1.晶格的致密度晶体的各向异性2.金属中的扩散。 5.复习并进一步熟悉强度塑性等机械性能指标4.形成稳定化合物的相图 5.合金相图与性能的关系6.各类特殊性能铸铁的成分组织性能特点和应用7.白口铁的组织与性能 [教案内容] §2.1金属的晶体结构和组织§2.2合金的相结构§2.3纯金属的结晶 §2.4合金的结晶 §2.5铁碳合金相图§2.1金属的晶体结构和组织1.晶体与非晶体3.实际金属的晶体结构4.晶体中的扩散2.金属的晶体结构一、晶体与非晶体1.晶体指原子呈规则、周期性排列的固体。 常态下金属主要以晶体形式存在。 晶体具有各向异性。 非晶体原子呈无规则堆积和液体相似亦称为“过冷液体”或“无定形体”。 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 2.区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性金属的结构晶态非晶态Si2O的结构二、金属的晶体结构1.金属的晶体结构 晶体结构描述了晶体中原子离子、分子的排列方式。 1理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续无边界·严格按周期性规划排列是完整的、无缺陷。 ·原子在其平衡位臵静止不动 2理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格刚球抽象为 晶格结点构成空间格架→晶胞具有周期性最小组成单元晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空 间格架。 直线的交点即原子中心称结点。 由结点形成的空间的阵列称空间点阵。 晶胞能代表晶格原子排列规律的最小几何单元3晶胞的描述晶体学参数a,b,c,α,β,γ晶格常数a,b,c 4)晶系根据晶胞参数不同将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系a=b=c===90六方晶系a1=a2=a3c,==90,=120立方 六方 四方 菱方正交 单斜三斜5原子半径晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 6)晶胞原子数一个晶胞内所包含的原子数目。 7)配位数晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 8)致密度晶胞中原子本身所占的体积百分数。 2.三种典型的金属晶体晶胞1体心立方晶胞BCCBodyCenteredCube晶格常数a(a=b=c)ar 4 3 原子半径原子个数2配位数8 致密度0.68 常见金属-Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等b面心立方晶胞FCCFace-CentereCube晶格常数aa 4 2 r原子半径原子个数4配位数12致密度0.74常见金属-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等c)密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶格常数底面边长a和高cc/a=1.633 a 2 1 r原子半径原子个数6配位数12致密度0.74常见金属Mg、Zn、Be、Cd等dBCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,α= β=γ=90o2868% BCCa=b=c,α=β=γ=90041274%HCP a=bc,c/a= 1.633, α=β=90o, γ=120oa/261274%3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面各方向上的原子列称晶向 1晶面指数 表示晶面的符号称晶面指数。 其确定步骤为 ⑴确定原点建立坐标系求出所求晶面在三个 坐标轴上的截距。 ⑵取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数 加圆括弧形式为hkl。 XYZ例一、求截距为1,,晶面的指数。 截距值取倒数为1,0,0加圆括弧得100例二、求截距为123晶面的指数。 取倒数为11/21/3化为最小整数加圆括弧得(632) 例三、画出221晶面。 取三指数的倒数1/21/21 化成最小整数为1,1,2即为X YZ三坐标轴上的截距。 2晶向指数 表示晶面的符号称晶面指数。 其确定步骤为 ⑴确定原点建立坐标系过原点作所求晶向的 平行线。 ⑵求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数加 方括弧。 形式为[uvw]。 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为11.5 2求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。 例二、已知晶向指数为[110]画出该晶向。 找出110坐标点连接原点与该点的直 线即所求晶向。 33晶面族与晶向族晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 那些指数虽然不同 但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。 分别 用{hkl}和 立方晶系常见的晶面为{110}110110101101 011 011X Z Y立方晶系常见的晶向为<111>[111][111] [111][111]X Z Y说明 ①在立方晶系中指数相同的晶面与晶向 相互垂直。 ②遇到负指数“-‖号 放在该指数的上方。 ----③晶向具有方向性如[110]与[110]方向相反。 XZ Y(221) [221] [110][110]4密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 三种常见晶格的密排面和密排方向为 密排面数量密排方向数量 体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面三实际金属的晶体结构 理想晶体+晶体缺陷——实际晶体实际晶体——单晶体和多晶体 单晶体内部晶格位向完全一致各向同性。 多晶体由许多位向各不相同的单晶体块组成各向异性1晶体缺陷实际晶体中存在着偏离破坏晶格周期性和规则性的部分 a.点缺陷——晶格结点处 或间隙处产生偏离理想晶体的变化空位晶格结点处无原子置换原子晶格结点处为其它原子占据 间隙原子原子占据晶格间隙空位间隙原子大置换原子 小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲称晶格畸变。 从而强度、硬度提高塑性、韧性下降。 刃型位错螺型位错b.线缺陷(位错)—二维尺度很小另一维尺度很大的原子错排位错晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部 滑移滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。 有刃型位错和螺型位错两种类型。 刃型位错当一个完整晶体某晶面以上的某处多出 半个原子面该晶面象刀刃一样切入晶体这个多 余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错用“? ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错用“? ”表示。 位错密度单位体积内所包含的位错线总长度。 =S/V(cm/cm3或1/cm2)金属中的位错密度为104~1012/cm2。 位错对性能的影响金属的塑性变形主要由位错运动引起因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 从-关系可以看出减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线) 高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错白点为原子 白点为原子c.面缺陷——一维尺度很小而二维尺度较大的原子 错排区域。 分为晶界、亚晶界、表面等晶界是不同位向晶粒的过度部位宽度为5~10个原子间 距位向差一般为20~40°。 位向差很小10’~2°)的 小晶块为亚晶粒。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。 亚晶 界也可看作位错壁。 四、晶体中的扩散1.扩散——原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象扩散→热激活过程以克服晶格约束2影响扩散的因素 (1)温度原子能量提高最主要因素 D=Doexp(-Q/RTDo: 扩散系数(cm2/s),Q扩散激活能DoQ与温度无关决定于晶体的成分和结构温度提高10-15度D提高一倍。 (2)晶体结构 致密度小→克服的能垒小→扩散容易(3)表面及晶体缺陷晶格畸变→高能态原子→激活能小体扩散的0.6-0.7→扩散快100-1000倍2.2合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特 性的物质。 组成合金的元素可以是全部是金属也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。 Al-Cu两相合金所谓相是指金属或合金中凡成分 相同、结构相同并与其它部分 有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下 观察到的金属中各相或各晶粒的 形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且结构与组元之一相同的固相称为固溶体AB。 A溶剂B溶质①分类a.按溶质原子的位臵分臵换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位臵的固溶体。 晶格类型相同,原子半径相差 不大,电化学性质相近.间隙固溶体溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位臵中的固溶体原子半径较小。 b.按溶解度分有限固溶体无限固溶体 c.按分布有序度分有序固溶体无序固溶体 ②固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。 22、、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。 金属化合物具有较高的熔点、 硬度和脆性并可用分子式表示其组成。 当合金中出现金属化合物时可 提高其强度、硬度和耐磨性但 降低塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。 铁碳合金中的Fe3C⑴正常价化合物—符合正常原子价规律。 如Mg2Si。 ⑵电子化合物—符合电子浓度规律。 如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。 ⑶间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子 半径的非金属元素组成。 ①间隙相r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。 如: Fe4N、Fe2N、W2C、TiC、VC、TiN等。 Fe3C的晶格②②具有复杂结构的间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物当当rr非非/r/r金金>0.59>0.59时形成复杂结构间时形成复杂结构间隙化合物。 隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 其中 Fe3C称渗碳体是钢中重要组成相具有复杂斜方晶格。 化合物也可溶入其它元素原子 形成以化合物为基的固溶体。 §2.3金属与合金的结晶1.结晶与凝固的区别2.纯金属的冷却曲线和过冷现象 3.纯金属的结晶过程 4.金属晶粒的大小与控制 雾 凇一、结晶与凝固的区别 凝固L→SS可以是非晶结晶一种原子排列状态晶态或晶态过渡为另一种原子规则排列状态晶态的转变过程一次结晶L→S晶态 二次结晶S→S晶态 二、纯金属的冷却曲线和过冷现象1.结晶驱动力ΔF≤0不是过冷度ΔT自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0 ? 体系中各种能量的总和叫做内能→U其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能→FF=U-TS熵a.当温度T>T0时Fs>FL,液相稳定b.当温度T T0理论结晶温
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械工程 材料 课件 国家 精品课程