工程材料的结构与性能讲稿.ppt

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1、工程材料的结构与性能第一页，讲稿共二十八页哦二二.力学性能力学性能(一一)强度强度 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力 1.1.静载强度静载强度 (1)(1)弹性和刚度弹性和刚度 不产生永久变形的性能：不产生永久变形的性能：弹性弹性 不产生永久变形的最大应力：不产生永久变形的最大应力：弹性极限弹性极限 弹性变形阶段的应力弹性变形阶段的应力/应变值应变值E E：刚度刚度(弹性模量弹性模量)E E表征材料抵抗弹性变形的能力表征材料抵抗弹性变形的能力8第二页，讲稿共二十八页哦(2)(2)屈服屈服(点点)强度强度 材料产生微量塑性变形的应力材料产生微量塑性变形

2、的应力 :屈服点屈服点 零件工作时一般不允许发生塑性变形，零件工作时一般不允许发生塑性变形，是设计选材的主要依据是设计选材的主要依据 (3)(3)抗拉强度抗拉强度材料断裂前能承受的最大应力材料断裂前能承受的最大应力 :抗拉强度抗拉强度对要求不发生断裂的零件，对要求不发生断裂的零件，是设计选材是设计选材的主要参数的主要参数说明说明:(1)(1)屈强比屈强比()小，零构件安全性小，零构件安全性好，但材料强度有效利用率低好，但材料强度有效利用率低(2)(2)各种加工处理对各种加工处理对 、有显著影响有显著影响9第三页，讲稿共二十八页哦 2.2.变载强度变载强度 材料在无数次交变载荷作用下不断裂的材料

3、在无数次交变载荷作用下不断裂的 最大应力最大应力 ：疲劳强度疲劳强度 与抗拉强度关系与抗拉强度关系:(二二)塑性塑性 材料产生塑性变形而不断裂的能力材料产生塑性变形而不断裂的能力1.1.伸长率伸长率 ：试样至拉断的伸长程度试样至拉断的伸长程度2.2.断面收缩率断面收缩率 ：至拉断的断面收缩程度至拉断的断面收缩程度3.3.实际意义实际意义 (1)(1)提高零件使用安全性提高零件使用安全性 (2)(2)材料能承受变形加工材料能承受变形加工10第四页，讲稿共二十八页哦(三三)硬度硬度 表示材料表面抵抗外物压入的能力表示材料表面抵抗外物压入的能力 1.1.布氏硬度布氏硬度(HB)(HB)淬火钢球：淬火

4、钢球：HBS450 HBS450(如如259HBS)259HBS)硬质合金球：硬质合金球：HBW650 HBW650(如如550HBW)550HBW)测量误差小，试验压痕大测量误差小，试验压痕大 用于半成品件检验用于半成品件检验 2.2.洛氏硬度洛氏硬度(HR)(HR)HRC 20 HRC 2067 67 表示：表示：55HRC55HRC 试验压痕小试验压痕小,测量迅速简便测量迅速简便 成品件，较薄工件、硬化表层硬度测定成品件，较薄工件、硬化表层硬度测定11第五页，讲稿共二十八页哦 3.3.维氏硬度维氏硬度(HV)(HV)用于薄工件或表面薄层硬度测定用于薄工件或表面薄层硬度测定,软硬均可软硬均

5、可 测定范围：测定范围：0 01000HV1000HV 硬度特点：硬度特点：(1)(1)测定简便、迅速，不破坏测试件测定简便、迅速，不破坏测试件(2)(2)与强度、耐磨性关系密切与强度、耐磨性关系密切 图纸技术条件标注硬度图纸技术条件标注硬度12第六页，讲稿共二十八页哦 (四四)冲击性能冲击性能 1.1.冲击韧度冲击韧度 材料抵抗大能量冲击载荷的能力材料抵抗大能量冲击载荷的能力,用用a ak k表示表示工工作中承受大能量冲击载荷的零件作中承受大能量冲击载荷的零件，选材时应考虑选材时应考虑a ak k值值 a ak k受温度影响很大受温度影响很大,可用以评定材料冷脆性可用以评定材料冷脆性 2.2

6、.多冲抗力多冲抗力 材料承受小能量多次冲击载荷的能力，主要材料承受小能量多次冲击载荷的能力，主要取决于强度取决于强度13第七页，讲稿共二十八页哦(五五)耐磨性耐磨性 相对运动的接触表面会因摩擦损耗相对运动的接触表面会因摩擦损耗,引起尺寸、引起尺寸、形状变化形状变化 材料抵抗磨损的能力材料抵抗磨损的能力,用磨损量用磨损量(体积、重量体积、重量和长度和长度)表示表示 提高材料硬度与减摩可提高耐磨性提高材料硬度与减摩可提高耐磨性(六六)材料的强韧化关系材料的强韧化关系材料的强韧化：材料的强韧化：提高强度、硬度、提高强度、硬度、塑性、韧性的综合效应塑性、韧性的综合效应措施：措施：1.1.强、硬、塑、韧

7、应合理搭配强、硬、塑、韧应合理搭配 2.2.探索强韧化方法探索强韧化方法14第八页，讲稿共二十八页哦1.2 1.2 结合键结合键 一一.金属键金属键 强键强键 1.1.具良好塑性具良好塑性 2.2.强度、硬度较高强度、硬度较高 强而韧强而韧 3.3.刚度较大刚度较大 二二.离子键离子键 三三.共价键共价键强键强键 1.1.硬度高硬度高 2.2.刚度大刚度大 硬而脆硬而脆 3.3.脆性大脆性大 1515 第九页，讲稿共二十八页哦 四四.分子键分子键 弱键弱键 1.1.强度、硬度低强度、硬度低 2.2.刚度小刚度小 3.3.易变形易变形 五五.四大材料结合键四大材料结合键 金属材料以金属键为主金属

8、材料以金属键为主 陶瓷材料以共价键或离子键为主陶瓷材料以共价键或离子键为主 有机高分子材料分子内共价键，分子间分子有机高分子材料分子内共价键，分子间分子键键 复合材料取决于组成物结合键复合材料取决于组成物结合键 1616第十页，讲稿共二十八页哦 1.3 1.3 晶体结构晶体结构一一.理想晶体结构理想晶体结构 (一一)晶格晶格1717第十一页，讲稿共二十八页哦(二二)常见金属晶体结构常见金属晶体结构 1.1.体心立方体心立方 -Fe-Fe、CrCr、MoMo、V V、W W等等 2.2.面心立方面心立方 -Fe-Fe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg等等 3.3.密排六方密排六方

9、 MgMg、CdCd、ZnZn、BeBe等等二二.实际晶体结构实际晶体结构 存在原子偏离规则排列的区域：晶体缺陷存在原子偏离规则排列的区域：晶体缺陷 (1)(1)相对数量很少相对数量很少 (2)(2)对金属性能有极重要影响对金属性能有极重要影响 (3)(3)会随条件而发生变动会随条件而发生变动 1818第十二页，讲稿共二十八页哦(一一)点缺陷点缺陷 1.1.空位空位 2.2.间隙原子间隙原子 3.3.置换原子置换原子产生的影响产生的影响(1)(1)结构上：会造成晶格畸变结构上：会造成晶格畸变 (2)(2)性能上：电阻增大性能上：电阻增大 强度、硬度提高强度、硬度提高 1919第十三页，讲稿共二

10、十八页哦(二二)线缺陷线缺陷 位错位错 晶体中一列或若干晶体中一列或若干列原子发生了有规则列原子发生了有规则的错排的错排 造成晶格畸变造成晶格畸变 (1)(1)位位错错对对金金属属的的强强度度有极大影响有极大影响(2)(2)形形变变、热热处处理理可可改改变位错密度变位错密度2020第十四页，讲稿共二十八页哦(三三)面缺陷面缺陷 1.1.晶界晶界 2.2.亚晶界亚晶界(1)(1)晶界、亚晶界对晶界、亚晶界对金属强度有重要作用金属强度有重要作用(2)(2)热处理、形变热处理、形变等会改变晶粒大小等会改变晶粒大小2121第十五页，讲稿共二十八页哦 1.4 1.4 非晶体结构非晶体结构一一.短程有序短

11、程有序 晶体晶体 非晶体非晶体长程有序长程有序规则排列规则排列 各向异性各向异性短程有序短程有序长程无规则排列长程无规则排列各向同性各向同性二二.亚稳定性亚稳定性非晶体非晶体晶体晶体(亚稳定亚稳定)()(稳定稳定)2222第十六页，讲稿共二十八页哦 1.5 1.5 合金的晶体结构合金的晶体结构 一一.合金的相、组织及其关系合金的相、组织及其关系(一一)合金的概念合金的概念 合合金金：为为获获得得某某些些性性能能，有有意意在在金金属属中中加加入其它元素所形成的金属材料入其它元素所形成的金属材料 加入的其它元素称为加入的其它元素称为合金元素合金元素 组成合金的元素称组成合金的元素称“元元”(二二)

12、相与组织的概念相与组织的概念 1.1.相相合金的组成元素之间形成合金的组成元素之间形成“相相”2323第十七页，讲稿共二十八页哦 同一种同一种“相相”成分一致、结构相同，并以成分一致、结构相同，并以界面与其它部分分开界面与其它部分分开 合金中的相按结构可分为合金中的相按结构可分为固溶体固溶体和和金属化金属化合物合物两大类两大类 2.2.组织组织在显微镜下看到的由组成相构成的形貌在显微镜下看到的由组成相构成的形貌灰铸铁组织灰铸铁组织石墨相石墨相铁素体相铁素体相2424第十八页，讲稿共二十八页哦(三三)相与组织的关系相与组织的关系二二.固溶体固溶体(一一)固溶体的概念固溶体的概念其它原子其它原子溶

13、入溶入金属晶格中形成的固态合金相金属晶格中形成的固态合金相溶质溶质溶剂溶剂固溶体固溶体固溶体的晶格与溶剂相同固溶体的晶格与溶剂相同溶质原子溶于固溶体的量，称固溶体的溶质原子溶于固溶体的量，称固溶体的浓度。其浓度。其极限浓度称固溶度极限浓度称固溶度2525第十九页，讲稿共二十八页哦(二二)置换固溶体置换固溶体溶剂溶剂溶质溶质溶质原子占据晶格结点位置溶质原子占据晶格结点位置造成晶格畸变造成晶格畸变按固溶度分：按固溶度分：1.1.有限固溶体有限固溶体2.2.无限固溶体无限固溶体如如Cu-NiCu-Ni(三三)间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子分布在晶格间隙溶质原子分布在晶格间隙造成晶格畸变造成晶格畸变均

14、为有限固溶体均为有限固溶体2626第二十页，讲稿共二十八页哦三三.金属化合物金属化合物 合金组元间相互化合形成的固态合金相合金组元间相互化合形成的固态合金相晶体结构晶体结构与组成元素均不同，通常比较复杂与组成元素均不同，通常比较复杂化学成分化学成分通常一定，可用分子式表示通常一定，可用分子式表示如渗碳体：成分为如渗碳体：成分为6.69%C6.69%C，分子式为，分子式为FeFe3 3C C，结构复杂，结构复杂四四.合金性能合金性能(一一)固溶体性能及作用固溶体性能及作用 1.1.固溶强化固溶强化(晶格畸变引起晶格畸变引起)随溶质原子浓度的增加，固溶体的强度、随溶质原子浓度的增加，固溶体的强度、

15、硬度提高硬度提高 间隙溶质原子比置换溶质原子的固溶强化间隙溶质原子比置换溶质原子的固溶强化效应大效应大2727第二十一页，讲稿共二十八页哦 2.2.仍具良好塑性韧性仍具良好塑性韧性(因以溶剂金属为基因以溶剂金属为基)3.3.单相固溶体合金制作冷成形件单相固溶体合金制作冷成形件 复相合金中作为基体相，以保证合金韧性复相合金中作为基体相，以保证合金韧性(二二)化合物性能与应用化合物性能与应用 1.1.高熔点，高硬度，高脆性高熔点，高硬度，高脆性 2.2.分布在固溶体基体上起第二相强化作用分布在固溶体基体上起第二相强化作用强化效果受第二相性质、强化效果受第二相性质、形状形状、大小大小(粗细粗细)、分

16、布分布(均匀程度均匀程度)数量数量(多少多少)影响影响 颗粒细小颗粒细小,分布均匀分布均匀,数量适当的球状第二相数量适当的球状第二相,使金属的强度、硬度显著提高使金属的强度、硬度显著提高,而塑性、韧性下而塑性、韧性下降较小降较小弥散强化弥散强化 2828第二十二页，讲稿共二十八页哦第二相形状第二相形状球球片片网网第二相大小第二相大小(粗细粗细)粗粗细细第二相分布第二相分布均匀均匀不均不均29第二十三页，讲稿共二十八页哦 1.6 1.6高聚物的结构高聚物的结构 一一.高聚物的组成高聚物的组成 高聚物又称高分子化合物，分子量很大，是高聚物又称高分子化合物，分子量很大，是由一种或几种低分子化合物重复

17、连接由一种或几种低分子化合物重复连接(聚合聚合)而成而成高分子内原子间高分子内原子间为共价键结合为共价键结合3030第二十四页，讲稿共二十八页哦二二.大分子链的结构大分子链的结构 具良好塑性与弹性具良好塑性与弹性 热可软、熔热可软、熔 可反复可反复 冷则凝、硬冷则凝、硬 易加工成形，反复使用易加工成形，反复使用硬度、强度高，弹性、塑性低硬度、强度高，弹性、塑性低固化后不熔不软，硬脆，耐热固化后不熔不软，硬脆，耐热 不能反复使用不能反复使用线型线型不带支链不带支链带支链带支链体型体型交联点交联点(一一)大分子链的形态大分子链的形态3131第二十五页，讲稿共二十八页哦(二二)大分子链的柔顺性大分子

18、链的柔顺性 键长、键角不变键长、键角不变,键可以键可以旋转旋转 内旋转内旋转 分子链出现不同构象，获分子链出现不同构象，获得不同蜷曲得不同蜷曲 柔顺性柔顺性 使高聚物具有使高聚物具有高弹性高弹性 影响因素：影响因素：(1)(1)主链结构主链结构:Si-O C-O C-C:Si-O C-O C-C (2)(2)侧基性质侧基性质 分分子子链链柔柔顺顺性性降降低低，高高聚聚物物刚刚硬硬性性提提高，弹性下降高，弹性下降 3232第二十六页，讲稿共二十八页哦三三.高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构(一一)非晶态非晶态 分子链排列远程无序分子链排列远程无序(无规则无规则)体型分子链与部分线型分子链体型分

19、子链与部分线型分子链 为非晶态高聚物为非晶态高聚物 (二二)晶态晶态 晶区内大分子链规则紧密排列晶区内大分子链规则紧密排列 高聚物中，晶区所占质量百分数称高聚物中，晶区所占质量百分数称结晶度结晶度 晶态高聚物密度、强度、硬度、刚度、晶态高聚物密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性提高，弹性、熔点、耐热性提高，弹性、塑性、韧性降低塑性、韧性降低3333第二十七页，讲稿共二十八页哦1.71.7陶瓷的结构陶瓷的结构玻璃相玻璃相晶体相晶体相气孔气孔陶瓷晶体颗粒陶瓷晶体颗粒,陶陶瓷的主要组成瓷的主要组成,决决定了陶瓷的性能定了陶瓷的性能粘结晶体相，填空隙，粘结晶体相，填空隙，抑制晶粒长大抑制晶粒长大,降低强降低强度、耐热性、绝缘性度、耐热性、绝缘性降低致密度、降低致密度、强度，加大脆强度，加大脆性，提高透气性，提高透气性、绝热性性、绝热性3434第二十八页，讲稿共二十八页哦