工程材料与机械制造基础课件:工程材料-.ppt
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- 工程 材料 机械制造 基础 课件
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1、工程材料与机械制造基础工程材料与机械制造基础 教学目标1.理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。2.理解并掌握工程材料尤其是金属的结构,理解材料结理解并掌握工程材料尤其是金属的结构,理解材料结构与性能之间的关系,尤其是强化工程材料性能的途构与性能之间的关系,尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。径、基本原理与方法。3.掌握常用金属工程材料和复合材料的种类、结构特点、掌握常用金属工程材料和复合材料的种类、结构特点、性能和应用,了解其应用范围。性能和应用,了解其应用范围。4.结合实例,初步具备合理选择材料、正确确定加工结合实例,初步具备合理选择材料
2、、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。方法、妥善安排加工工艺路线的能力。5.了解新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿了解新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿知识及未来材料发展方向。知识及未来材料发展方向。教学内容教学内容 1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 工程材料的性能工程材料的性能1.3 1.3 二元合金与铁碳合金相图二元合金与铁碳合金相图 1.4 1.4 金属材料金属材料 1.5 1.5 热处理热处理1.6 1.6 非金属材料非金属材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 材料
3、是人类生产和生活所必材料是人类生产和生活所必须的物质基础。须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 石器石器铁铁器器石器时代青铜器时代铁器时代由于材料的重要性,历史学由于材料的重要性,历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。家根据人类所使用的材料来划分时代。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 铜铜 车车 马马 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器,明朝科学家宋应我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器,明朝科学家宋应星在星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这一书中就记载了古代的渗碳热处理等
4、工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我国在金属材料及热处说明早在欧洲工业革命之前,我国在金属材料及热处理方面就已理方面就已经有了较高的成就。经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 龙芯龙芯联想计算机联想计算机没有半导体材料的工业化生产,就不可能有没有半导体材料的工业化生产,就不可能有目前的计算机技术。目前的计算机技术。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 芯芯 片片飞机发动机叶片飞机发动
5、机叶片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 航空航天航空航天没有低消耗的光导纤维,也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维,也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代,人们把材料与能源和信息并列,二十世纪七十年代,人们把材料与能源和信息并列,称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 前苏联在前苏联在1957年首次把人造卫星送入年首次把人造卫星送入太空,令美国人震惊不已,认识到在火箭太空,令美国人震惊不已,认识到在火箭技术上落后。此后,技术上落后。此后,在十多所大学中陆续在十
6、多所大学中陆续建立了材料科学研究中心,并把约建立了材料科学研究中心,并把约2/3大大学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工程系。程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子材料。可见,和高分子材料。可见,高技术需要先进材高技术需要先进材料的支持。料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代,中华民年的
7、新石器时代,中华民族的先人就能用黏土烧制族的先人就能用黏土烧制成陶器,到东汉时期又出成陶器,到东汉时期又出现了瓷器,并流传海外。现了瓷器,并流传海外。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商时期,我年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商时期,我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜
8、兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发 第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑,剑身及青铜剑,剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成,是的青铜组成,是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 原子弹、氢弹的爆炸,卫星、飞船的上天等都说明了我原子弹、氢弹的爆炸,卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞
9、跃的发展。国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地,钢产量由我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地,钢产量由1949年的年的l5.8万万t上升到上升到5.5亿亿t,已连续十三年成为世,已连续十三年成为世界上钢产量第一大国界上钢产量第一大国 第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构第第1 1节节 概述概述 1.1.4 金属的结晶金属的结晶工程材料是用于制
10、造工程结构和机械零件并主要工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分:按组成与结合键分:1、金属材料、金属材料 2、陶瓷材料、陶瓷材料 3、高分子材料、高分子材料 4、复合材料、复合材料1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类金属材料金属材料 以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽用量最大、属光泽用量最大、应用最广泛应用最广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀有金属稀有金属 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类铁及铁合金
11、称为黑色金属,即钢铁材料,其世界年产量已达铁及铁合金称为黑色金属,即钢铁材料,其世界年产量已达12亿亿吨,在机械产品中的用量已占整个用材的吨,在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类金属材料制品金属材料制品1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键为主以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类瓷和金属陶瓷三类 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类传统陶瓷又称普通陶瓷,是以天然材料传统陶瓷又称普通陶瓷,是以天然材料(如
12、黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷,主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷,主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷,是以人工合成材料为原料的陶瓷,常用特种陶瓷又称精细陶瓷,是以人工合成材料为原料的陶瓷,常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类高分子材料高分子材料 以分子键和共价键为以分子键和共价键为主主塑性、耐蚀性、电绝塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好,密缘性、减振性好,密度小度小 包括塑料、橡胶及合包括塑料、橡胶及合成纤维等成纤维等 分子键分子键共价键共价键1.1.1 工
13、程材料的分类工程材料的分类高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类复合材料复合材料 包括:包括:金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高
14、分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类现代航空发动机燃烧室温现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的,它纤维复合材料制成的,它们具有重量轻,弹性好,们具有重量轻,弹性好,强度高等优点。强度高等优点。航空发动机航空发动机1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决
15、定了物质的性能。决定了物质的性能。原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。的结合力称为结合键。分为金属键,离子键,分为金属键,离子键,共价键和分子键。共价键和分子键。C601.1.2 材料的结合方式材料的结合方式1 金属键金属键以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属性、延展性和金属光泽光泽 用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式2 共价键共价键如金刚石如金刚石3 离子键离子键如如NaCl4 分子键(氢键)分子键(氢键)1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式金属的结构金属的结构晶态晶态
16、非晶态非晶态SiO2的结构的结构1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要常态下金属主要以晶体形式存在。以晶体形式存在。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体和非晶体可互相转化。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶胞:晶胞:能代表晶格原子排列规律的最小几何能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。单元。2、晶格与晶胞、晶格与晶胞 晶格:用假想的直线将原子中心连接起来所形晶格:用假想的直线将原子中心连接起来所形成成的三维空间格架。直
17、线的交点(原子中心)的三维空间格架。直线的交点(原子中心)称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。阵。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶系:晶系:根据晶胞参数不同,将晶体分为七种晶系。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。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系:立方晶系:a=b=c,=90 六方晶系:六方晶系:a1=a2=a3 c,=90,=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数:晶晶格常数:晶胞个边的尺寸胞个边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用各棱间的夹角
18、用、表示表示。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构l 原子半径:晶胞中原子原子半径:晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间密度最大方向上相邻原子间距的一半。距的一半。l 晶胞原子数:一个晶胞晶胞原子数:一个晶胞内所包含的原子数目。内所包含的原子数目。l 配位数:晶格中与任一配位数:晶格中与任一原子距离最近且相等的原子原子距离最近且相等的原子数目。数目。l 致密度:晶胞中原子本致密度:晶胞中原子本身所占的体积百分数。身所占的体积百分数。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构3、晶面和晶向表示方法、晶面和晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶
19、向。各方向上的原子列称晶向。晶面指数晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为:其确定步骤为:1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 确定原点,建立坐标系,求出所求晶面在三个坐标轴确定原点,建立坐标系,求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数,加圆括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(弧,形式为(hkl)。)。例一例一.求截距为求截距为、1、晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0,加圆括弧得(,加圆括弧得(010)例二例二.求截距为求截距为2、3、晶面的指数晶面的指数取倒数为取
20、倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得(化为最小整数加圆括弧得(320)例三例三.画出(画出(112)晶面)晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为化成最小整数为2、2、1,即为,即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距 确定原点,建立坐标系,过原点作所求晶向确定原点,建立坐标系,过原点作所求晶向的平行线。的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小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。形式为整数,加方括弧。形式为uvw。晶向指数晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为:表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为:1.1.3 金属的
21、晶体结构金属的晶体结构例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2,求该直线的晶向指数。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将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指数为例二、已知晶向指数为110,画出该晶向。画出该晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接连接原点与该点的直线即所原点与该点的直线即所求晶向。求晶向。1102341.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同,但原子排列完全相同的晶向和晶面称指数虽然不同,但原子
22、排列完全相同的晶向和晶面称作作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构立方晶系常见的晶面为:立方晶系常见的晶面为:)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构110(110)(110)(101)(101)(011)(011)XZY1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构立方晶系常见的晶向为:立方晶系常见的晶向为:111111111111:111110011101011101110
23、:110001010100:100 、1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构111111111111XZY1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构说明:说明:在立方晶系中,指数在立方晶系中,指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直。互垂直。遇到负指数,遇到负指数,“-”号号放在该指数的上方。放在该指数的上方。晶向具有方向性,晶向具有方向性,如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)2211101101.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构4、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的,电子的相互作用而结合
24、的,称为称为金属键金属键。金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶格体心立方晶格原子个数:原子个数:2配位数:配位数:8致密度:致密度:0.68常见金属:常见金属:-Fe、Cr 、W、Mo、V、Nb等等晶格常数:晶格常数:a(a=b=c)原子半径:原子半径
25、:1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 a42r=:原子半径原子半径原子个数:原子个数:4配位数:配位数:12致密度:致密度:0.74常见金属:常见金属:-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数:晶格常数:a面心立方晶格面心立方晶格1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构a21r=:原子半径原子半径原子个数:原子个数:6配位数:配位数:12致密度:致密度:0.74常见金属:常见金属:Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数:底面边长晶格常数:底面边长 a 和高和高 c,c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体
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