机械工程材料培训ppt课件.ppt
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1、 机械工程材料机械工程材料n n教材教材:朱张校朱张校主编、主编、郑明新主审工程材郑明新主审工程材料清华大学出版社料清华大学出版社 20012001年年1 1月月第第3 3版版n n参考书参考书:戈晓岚戈晓岚主编机械工程材料主编机械工程材料 北京大学北京大学出版社出版社 中南大学中南大学 机电工程学院机电工程学院1 1 1 课程的性质:课程的性质:课程的性质:课程的性质:n n机械工程材料是机械工程材料是机械工程材料是机械工程材料是机械专业必修的一门技术基础课,重点机械专业必修的一门技术基础课,重点机械专业必修的一门技术基础课,重点机械专业必修的一门技术基础课,重点是研究金属材料的性能与成分、
2、组织结构、热处理之间的关是研究金属材料的性能与成分、组织结构、热处理之间的关是研究金属材料的性能与成分、组织结构、热处理之间的关是研究金属材料的性能与成分、组织结构、热处理之间的关系。系。系。系。2 2 课程的目的:课程的目的:课程的目的:课程的目的:n n获得金属学基础知识;获得金属学基础知识;获得金属学基础知识;获得金属学基础知识;n n掌握热处理的基本理论及方法;掌握热处理的基本理论及方法;掌握热处理的基本理论及方法;掌握热处理的基本理论及方法;n n掌握钢的合金化基本原则、常用机械工程材料等方面的基本掌握钢的合金化基本原则、常用机械工程材料等方面的基本掌握钢的合金化基本原则、常用机械工
3、程材料等方面的基本掌握钢的合金化基本原则、常用机械工程材料等方面的基本知识;知识;知识;知识;n n为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、为学习其它有关课程及以后从事的机械设计、制造、维修、管理等方面的工作奠定必要的基础。管理等方面的工作奠定必要的基础。管理等方面的工作奠定必要的基础。管理等方面的工作奠定必要的基础。绪绪 论论2 了解金属材料的了解金属材料的了解金属材料的了解金属材料的主要力学性能主要力学性能主要力学性能主要力学性能;了解了解了解了解金属学基础金属学基础金属学基
4、础金属学基础,掌握掌握掌握掌握Fe-FeFe-FeFe-FeFe-Fe3 3 3 3C C C C状态图状态图状态图状态图,熟悉金属塑性变形,熟悉金属塑性变形,熟悉金属塑性变形,熟悉金属塑性变形的实质及其对组织和性能的影响;的实质及其对组织和性能的影响;的实质及其对组织和性能的影响;的实质及其对组织和性能的影响;熟悉熟悉熟悉熟悉热处理热处理热处理热处理的基本理论,掌握常用的热处理方法的目的、的基本理论,掌握常用的热处理方法的目的、的基本理论,掌握常用的热处理方法的目的、的基本理论,掌握常用的热处理方法的目的、工艺特点和应用范围;工艺特点和应用范围;工艺特点和应用范围;工艺特点和应用范围;了解了
5、解了解了解钢中合金元素的作用钢中合金元素的作用钢中合金元素的作用钢中合金元素的作用,掌握常用,掌握常用,掌握常用,掌握常用合金合金合金合金(碳钢、合金钢、(碳钢、合金钢、(碳钢、合金钢、(碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金等)铸铁、铜合金、铝合金等)铸铁、铜合金、铝合金等)铸铁、铜合金、铝合金等)的种类、牌号、性能及用途的种类、牌号、性能及用途的种类、牌号、性能及用途的种类、牌号、性能及用途;了解常用了解常用了解常用了解常用非金属材料非金属材料非金属材料非金属材料的种类、特性及应用;的种类、特性及应用;的种类、特性及应用;的种类、特性及应用;熟悉熟悉熟悉熟悉选用材料的基本原则选用材料的基本原则
6、选用材料的基本原则选用材料的基本原则,根据零件的使用性能、工艺性,根据零件的使用性能、工艺性,根据零件的使用性能、工艺性,根据零件的使用性能、工艺性能以及经济性,能比较合理地选用材料和提出相应的热处能以及经济性,能比较合理地选用材料和提出相应的热处能以及经济性,能比较合理地选用材料和提出相应的热处能以及经济性,能比较合理地选用材料和提出相应的热处理技术要求;理技术要求;理技术要求;理技术要求;了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。了解金属材料及热处理的新材料、新工艺、新技术。3、课程的基本要求、
7、课程的基本要求3)材料性能材料性能材料性能材料性能:重点介绍金属材料的机械性能重点介绍金属材料的机械性能重点介绍金属材料的机械性能重点介绍金属材料的机械性能及其物理、及其物理、及其物理、及其物理、化学、化学、化学、化学、工艺性能的含义;工艺性能的含义;工艺性能的含义;工艺性能的含义;)金属学基础:重点研究金属和合金组织结金属学基础:重点研究金属和合金组织结金属学基础:重点研究金属和合金组织结金属学基础:重点研究金属和合金组织结构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二元构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二元构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二元构、结晶过程、塑性变形与再结晶及主要二元合金状态图
8、的基本理论;合金状态图的基本理论;合金状态图的基本理论;合金状态图的基本理论;)热处理基础热处理基础热处理基础热处理基础 :重点研究改变钢铁材料内部:重点研究改变钢铁材料内部:重点研究改变钢铁材料内部:重点研究改变钢铁材料内部组织结构及性能的原理和方法;组织结构及性能的原理和方法;组织结构及性能的原理和方法;组织结构及性能的原理和方法;)常用机械工程材料:常用机械工程材料:常用机械工程材料:常用机械工程材料:具体研究各种常用具体研究各种常用具体研究各种常用具体研究各种常用机械工程材料的种类、机械工程材料的种类、机械工程材料的种类、机械工程材料的种类、性能及用途。性能及用途。性能及用途。性能及用
9、途。4 课程教学内容课程教学内容 4 总学时:总学时:总学时:总学时:3232学时学时学时学时n n 本科本科本科本科n n课堂教学课堂教学课堂教学课堂教学 26 26学时学时学时学时n n 绪论、金属材料的性能绪论、金属材料的性能绪论、金属材料的性能绪论、金属材料的性能:1:1学时学时学时学时n n 金属的结构与结晶:金属的结构与结晶:金属的结构与结晶:金属的结构与结晶:2 2学时学时学时学时n n 金属的塑金属的塑金属的塑金属的塑 性变形与再结晶:性变形与再结晶:性变形与再结晶:性变形与再结晶:2 2学时学时学时学时n n 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图 5 5学时学时学
10、时学时n n 钢的热处理:钢的热处理:钢的热处理:钢的热处理:4 4学时学时学时学时n n 工业用钢:工业用钢:工业用钢:工业用钢:4 4学时学时学时学时n n 铸铁:铸铁:铸铁:铸铁:2 2学时学时学时学时n n 有色金属及其合金:有色金属及其合金:有色金属及其合金:有色金属及其合金:2 2学时学时学时学时n n 非金属材料及复合材料非金属材料及复合材料非金属材料及复合材料非金属材料及复合材料:2:2学时学时学时学时n n 机械零件的选材与工艺分析;机械零件的选材与工艺分析;机械零件的选材与工艺分析;机械零件的选材与工艺分析;2 2学时学时学时学时n n实验教学实验教学实验教学实验教学 6
11、6学时学时学时学时 5 学时分配学时分配5 实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的实验一、铁碳合金平衡组织的观察及金相显微镜的使用实验;使用实验;使用实验;使用实验;实验二、碳钢的热处理实验;实验二、碳钢的热处理实验;实验二、碳钢的热处理实验;实验二、碳钢的热处理实验;实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合实验三、碳钢不平衡组织、合金钢、铸铁及有色合金的观察金的观察金的观察金的观察 6、实验内容、实验内容6
12、1.1 1.1 1.1 1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构 1.1.11.1.1晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念n n晶体晶体晶体晶体内部原子(或离子)按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子(或离子)按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子(或离子)按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子(或离子)按一定几何形状有规则排列的固体。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。固体金属均为晶体。固体金属均
13、为晶体。固体金属均为晶体。固体金属均为晶体。n n非晶体非晶体非晶体非晶体原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、木材等。木材等。木材等。木材等。n n空间点阵(晶格)空间点阵(晶格)空间点阵(晶格)空间点阵(晶格)将构成晶体的实际质点(原子或离子)抽象将构成晶体的实际质点(原子或离子)抽象将构成晶体的实际质点(原子或离子)抽象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。为纯粹的几何阵点,并用直线
14、连接起来构成的三维空间格架。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。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。n n晶胞晶胞晶胞晶胞能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。图1-1 晶体中的原子堆垛刚球模型(a)、晶格(b)和晶胞(c)示意图 第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能7晶格参数晶格参数晶格参数晶格参数晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a a、b b、c
15、 c和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角 、六个参数来描述六个参数来描述六个参数来描述六个参数来描述 晶格常数晶格常数晶格常数晶格常数a a、b b、c c。1.1.1 1.1.1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念图1-2 晶格参数8体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中如TiTi、V V、CrCr、MoMo、WW及及及及 -Fe-Fe等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中
16、如AlAl、MnMn、NiNi、CuCu、AgAg、PtPt、AuAu、PbPb 及 -Fe-Fe等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中如ZnZn、MgMg、BeBe、CdCd、-Ti-Ti及及及及 -Co-Co等等等等等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。1.1.2 1.1.2 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构(a)体心立方(b)面心立方(c)密排六方91.1.3 1.1.3 常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常
17、见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征(1 1)晶胞中的原子数)晶胞中的原子数)晶胞中的原子数)晶胞中的原子数面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格10(2 2)原子半径)原子半径)原子半径)原子半径面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格11 配位数配位数配位数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晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子晶体结构中与任一原子周围
18、最近邻的且等距离的原子晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。数。数。数。配位数越大,晶体中原子排列就越紧密。配位数越大,晶体中原子排列就越紧密。配位数越大,晶体中原子排列就越紧密。配位数越大,晶体中原子排列就越紧密。(3 3)配位数和致密度)配位数和致密度)配位数和致密度)配位数和致密度面心立方晶格:面心立方晶格:面心立方晶格:面心立方晶格:1212密排六方晶格:密排六方晶格:密排六方晶格:密排六方晶格:1212体心立方晶格:体心立方晶格:体心立方晶格:体心立方晶格:8 812致密度致密度致密度致密度-晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值,即晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值,即
19、晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值,即晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值,即 K=nU/VK=nU/V 配位数大,则致密度亦大。配位数大,则致密度亦大。配位数大,则致密度亦大。配位数大,则致密度亦大。式中:式中:K-K-晶体的致密度;晶体的致密度;n-n-晶胞中所含原子的数目;晶胞中所含原子的数目;U-U-每个原子的体积;每个原子的体积;V-V-晶胞的体积。晶胞的体积。面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格13表表表表11 11 三种典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征三种
20、典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.7414(1 1)晶面晶面晶面晶面-晶体中通过原子中心的平面晶体中通过原子中心的平面晶体中通过原子中心的平面晶体中通过原子中心的平面。晶面指数晶面指数晶面指数晶面指数-用以表示晶面的数字符号称为晶面指数(用以表示晶面的数字符号称为晶面指数(用以表示晶面的数字符号称为晶面指数(用以表示晶面的数字符号称为晶面指数(hklhkl)。)。)。)。晶面指数的确定:晶面指数的确定:晶面指数的确定:晶面指数的确定:设定一空间坐标系,原点位于待定晶面之外。设定一
21、空间坐标系,原点位于待定晶面之外。求出待定晶面在各坐标轴上的截距为:求出待定晶面在各坐标轴上的截距为:1 1 1 1 、1 1 1 1 。取截距的倒数:取截距的倒数:1 1 01 1 0、1 1 21 1 2。将截距的倒数化为最小整数,放在圆括号内。将截距的倒数化为最小整数,放在圆括号内。1.1.4 1.1.4 1.1.4 1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性15晶面族晶面族晶面族晶面族-在同一种晶体结构中,原子排列情况完全相同的一组晶在同一种晶体结构中,原子排列情况完全相同的一组晶在同一种晶体结构中,原子排列情况
22、完全相同的一组晶在同一种晶体结构中,原子排列情况完全相同的一组晶面,用面,用面,用面,用 HKLHKL表示。如:表示。如:表示。如:表示。如:100晶面族有:晶面族有:(100)、()、(010)和()和(001)晶面。)晶面。111晶面族有:晶面族有:(111)、()、(11)、()、(1 1)和()和(11 )晶面)晶面。16晶向族晶向族晶向族晶向族-原子排列情况相同但空间位原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向,用向不同的所有晶向,用表示表示。如:如:晶向族包括:晶向族包括:110110、101101、011011、12 12个晶向;个晶向;晶向族包括:晶向族包括:111111、8 8
23、个晶向。个晶向。(2 2)晶向)晶向)晶向)晶向-晶体中原子列所表示的方向。晶体中原子列所表示的方向。晶体中原子列所表示的方向。晶体中原子列所表示的方向。晶向指数晶向指数晶向指数晶向指数-表示晶向的数字符号称为晶向指数。表示晶向的数字符号称为晶向指数。表示晶向的数字符号称为晶向指数。表示晶向的数字符号称为晶向指数。uvwuvw晶向指数的确定:晶向指数的确定:晶向指数的确定:晶向指数的确定:设定一空间坐标系,原点在待定晶向的一结点上。设定一空间坐标系,原点在待定晶向的一结点上。写出该晶向上另一结点的空间坐标值:即为写出该晶向上另一结点的空间坐标值:即为001001、1010。将坐标值按比例化为最
24、小整数:将坐标值按比例化为最小整数:001001、210210。将化好的整数记在方括号中。将化好的整数记在方括号中。17(3 3)金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性-金金金金属晶体沿不同方向性能不相属晶体沿不同方向性能不相属晶体沿不同方向性能不相属晶体沿不同方向性能不相同的现象。同的现象。同的现象。同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是:晶体具有明显各向异晶体与非晶体最根本的差别之一是:晶体具有明显各向异晶体与非晶体最根本的差别之一是:晶体具有明显各向异晶体与非晶体最根本的差别之一是:晶体具有明显各向异性,而非金属具有各向同性。性,而非金属具有各向同性。
25、性,而非金属具有各向同性。性,而非金属具有各向同性。金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中,而对于实金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中,而对于实金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中,而对于实金属的各向异性一般表现在纯金属的单晶体中,而对于实际晶体,其各向异性就显示不出来了。际晶体,其各向异性就显示不出来了。际晶体,其各向异性就显示不出来了。际晶体,其各向异性就显示不出来了。与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而它们之与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而它们之与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而它们之与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而它们之间的结合力大
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