工程材料及其成形技术基础章.pptx

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1、会计学1工程材料及其成形技术基础章工程材料及其成形技术基础章 绪绪 论论n n1 1 1 1 本课程的性质本课程的性质本课程的性质本课程的性质 本本课课程程是是研研究究材材料料及及其其成成形形方方法法的的技技术术基基础础课课。它它是是机械类及近机类各专业必修的一门课程。机械类及近机类各专业必修的一门课程。n n2 2 2 2 学习目的学习目的学习目的学习目的 (1)(1)获获得得常常用用工工程程材材料料及及各各类类成成形形方方法法和和加加工工工工艺艺知识，能合理地选材、正确地制定材料的加工程序。知识，能合理地选材、正确地制定材料的加工程序。(2)(2)初初步步了了解解与与本本科科程程有有关关的

2、的新新技技术术、新新材材料料和和新新工工艺艺，为为学学习习其其它它相相关关课课程程及及以以后后从从事事机机械械设设计计和和加加工制造方面的工作奠定必要的理论基础。工制造方面的工作奠定必要的理论基础。第1页/共192页 绪绪 论论n n3 3 本课程的主要内容本课程的主要内容 (1)常用的工程材料及其成形方法和加工工艺。(2)各类成形方法对零件结构和材料的工艺性要求。n4 了解机械制造业总流程第2页/共192页 绪绪 论论n n5 5 主要知识主要知识框架框架第3页/共192页n n 6 6 6 6 参参参参 考考考考 书书书书n n(1)(1)(1)(1)材料成形技术基础材料成形技术基础材料成

3、形技术基础材料成形技术基础 何红媛主编，东南大学出版社。何红媛主编，东南大学出版社。何红媛主编，东南大学出版社。何红媛主编，东南大学出版社。n n(2)(2)(2)(2)材料成型工艺基础材料成型工艺基础材料成型工艺基础材料成型工艺基础 沈其文主编，华中理工大学出版社。沈其文主编，华中理工大学出版社。沈其文主编，华中理工大学出版社。沈其文主编，华中理工大学出版社。n n(3)(3)(3)(3)工程材料及应用工程材料及应用工程材料及应用工程材料及应用 周凤云主编，华中科技大学出版社。周凤云主编，华中科技大学出版社。周凤云主编，华中科技大学出版社。周凤云主编，华中科技大学出版社。n n(4)(4)(

4、4)(4)材料成型技术基础材料成型技术基础材料成型技术基础材料成型技术基础 胡亚民主编，重庆大学出版社。胡亚民主编，重庆大学出版社。胡亚民主编，重庆大学出版社。胡亚民主编，重庆大学出版社。n n(5)(5)(5)(5)热加工工艺基础热加工工艺基础热加工工艺基础热加工工艺基础 任福东主编，机械工业出版社。任福东主编，机械工业出版社。任福东主编，机械工业出版社。任福东主编，机械工业出版社。第4页/共192页工程材料：用于机械、电子、建筑、化工和航空航天等领域的材料统称为工程材料。机械工程材料：用来制造各种机电产品的材料统称为机械工程材料。概 述第5页/共192页概 述材料的发展过程发展过程石石斧斧

5、青铜鼎青铜鼎神神舟舟飞飞船船沧州铁狮沧州铁狮子子石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器时代复合材复合材料料第6页/共192页概 述工程材料的发展过程发展过程40-5040-50年代年代:材料的发展主要围绕着机械制造业，因此，主要发展以一般力学性能为主的金属材料50-6050-60年代年代:压力容器向高强度方向发展更快，发展了高强度低合金钢6060年代以后年代以后:由于航空、空间机械和动力机的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量。2020世纪后期：世纪后期：新材料特别是非金属人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速发展。高功能化、超高性能化高功能化、超高性

6、能化复合轻量化、智能化复合轻量化、智能化第7页/共192页第一章 零件对材料的性能要求化学化学成分成分分类分类金属材料金属材料有机高分子材料复合材料陶瓷材料黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻有色金属轻有色金属重有色金属重有色金属稀有金属稀有金属铸铁铸铁碳钢碳钢合金钢合金钢塑料塑料合成橡胶合成橡胶合成纤维合成纤维有机胶粘剂及涂料有机胶粘剂及涂料硅酸盐材料硅酸盐材料新型陶瓷新型陶瓷非金属基复合材料非金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料机机械械工工程程材材料料第8页/共192页功能分类功能分类功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料结构材料：用于制造

7、实现运动和传递动力的零件机械机械工程工程材料材料金属材料：具有良好的金属材料：具有良好的导电性导电性、导热性导热性、在具有、在具有较高的强度较高的强度的同时，具有的同时，具有良好的塑性成形性良好的塑性成形性、铸造性铸造性、切削切削加工加工和和电加工性电加工性等加工性能；通过等加工性能；通过热处理热处理及及表面表面改性改性可以大幅度可以大幅度(成倍）改变其性能；成倍）改变其性能；1.2 工程材料的特征第9页/共192页有机高分子材料：密度小、强度低（比强度高，高于钢铁）较高的弹性，良好的电绝缘性能，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔热、隔音性，加工性好

8、，成本低，但是易老化。注：老化作用：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐变坏，以致丧失使用价值的现象。【轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）】第10页/共192页陶瓷材料：是无机非金属材料，是有一种或多种金属或非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物。优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，弹性模量大，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小；缺点：但是抗压不抗拉，脆性大，不易加工成形；复合材料：能充分发挥其组成材料的各自长处，同时在一定程度上克服它们的弱点；第11页/共192页1.3 1.3 1.3 1.3 金属材料的主要性能金属材料的主要性能金属材料

9、的主要性能金属材料的主要性能 机械零件在使用过程中，要受到机械零件在使用过程中，要受到机械零件在使用过程中，要受到机械零件在使用过程中，要受到力学负荷力学负荷力学负荷力学负荷诸如拉伸、压诸如拉伸、压诸如拉伸、压诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及缩、弯曲、扭转、剪切以及缩、弯曲、扭转、剪切以及缩、弯曲、扭转、剪切以及热负荷热负荷热负荷热负荷诸如高温蠕变、热应力产诸如高温蠕变、热应力产诸如高温蠕变、热应力产诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和生的热疲劳和生的热疲劳和生的热疲劳和环境介质的作用环境介质的作用环境介质的作用环境介质的作用诸如腐蚀、摩擦损失，并且还诸如腐蚀、摩擦损失，并且还诸如腐蚀、摩擦

10、损失，并且还诸如腐蚀、摩擦损失，并且还要传递力和能。要传递力和能。要传递力和能。要传递力和能。因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时还要有良好的工艺性能还要有良好的工艺性能还要有良好的工艺性能还要有良好的工艺性能 。第12页/共192页金

11、属的力学性能金属的力学性能金属的力学性能金属的力学性能 金属的力学性能：材料在金属的力学性能：材料在外力作用下表现出来的特性，外力作用下表现出来的特性，如弹性、塑性、强度、硬度和如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等。韧性等。表征和判定金属力学性能表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。学性能的判据。第13页/共192页1 1 1 1 弹性弹性弹性弹性：即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外变其形状和尺寸，当外变其形状和尺寸，当外变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到力卸除后物体又回复到力

12、卸除后物体又回复到力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过弹性的判据可通过弹性的判据可通过弹性的判据可通过拉伸拉伸拉伸拉伸试验试验试验试验来测定。来测定。来测定。来测定。图图1 11 1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样 拉伸试验:即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。第14页/共192页图12 低碳钢拉伸曲线 弹性极限：弹性极限：弹性极限：弹性极限：即金属材料不产生塑性即金属材料不产生塑性即金属材料不产生塑性即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸变形

13、时所能承受的最大应力。拉伸变形时所能承受的最大应力。拉伸变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线曲线曲线曲线p p p p点对应的应力点对应的应力点对应的应力点对应的应力pppp为弹性极限：为弹性极限：为弹性极限：为弹性极限：p=Fp/So p=Fp/So p=Fp/So p=Fp/So 式中式中式中式中 p p p p 弹性极限（弹性极限（弹性极限（弹性极限（MPaMPaMPaMPa）；）；）；）；Fp Fp Fp Fp 试样产生完全弹性变形时的试样产生完全弹性变形时的试样产生完全弹性变形时的试样产生完全弹性变形时的最大外力（最大外力（最大外力（最大外力（N N N N）；）；）；）；So So

14、So So 试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmmmmmm2 2 2 2）。）。）。）。第15页/共192页 2 2 2 2 刚度：刚度：刚度：刚度：即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为曲线上表现为曲线上表现为曲线上表现为oeoeoeoe段的斜率，即：段的斜率，即：段的斜率，即：段的斜率，即：E=/E=/E=

15、/E=/式中式中式中式中 EEEE弹性模量（弹性模量（弹性模量（弹性模量（MPaMPaMPaMPa）；）；）；）；应力（应力（应力（应力（MPaMPaMPaMPa）；）；）；）；应变。应变。应变。应变。第16页/共192页3 3 3 3 强度：强度：强度：强度：即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。（1 1 1 1）屈服点）屈服点）屈服点）屈服点 屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍屈服点：即

16、试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上s s s s点对应的点对应的点对应的点对应的应力为屈服点。应力为屈服点。应力为屈服点。应力为屈服点。s=Fs/S0s=Fs/S0s=Fs/S0s=Fs/S0 式中式中式中式中 ssss屈服点（屈服点（屈服点（屈服点（MPa MPa MPa MPa）；）；）；）；FsFsFsFs试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（N N N N）

17、；）；）；）；S0S0S0S0试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmmmmmm2 2 2 2）。）。）。）。第17页/共192页(2)(2)(2)(2)抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。如图如图如图如图1-21-21-21-2所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b b b b点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。b b b b=F

18、b/S0=Fb/S0=Fb/S0=Fb/S0 式中式中式中式中 b b b b抗拉强度（抗拉强度（抗拉强度（抗拉强度（MPaMPaMPaMPa）；）；）；）；FbFbFbFb试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（N N N N）；）；）；）；S S S S0 0 0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmmmmmm2 2 2 2 ）。）。）。）。第18页/共192页4 4 4 4 塑性塑性塑性塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂

19、前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。第19页/共192页（1）伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L1-L0)/L0 100%式中 伸长率（%）；L1试样拉断后标距（mm)；L0 试样原始标距（mm)。第20页/共192页 （2 2 2 2）断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大断面收缩率：即试样拉断后

20、，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。缩减量与原始的横截面积的百分比。缩减量与原始的横截面积的百分比。缩减量与原始的横截面积的百分比。=（S0-S1S0-S1S0-S1S0-S1）/S0100%/S0100%/S0100%/S0100%式中式中式中式中 断面收缩率（断面收缩率（断面收缩率（断面收缩率（%）；）；）；）；S1S1S1S1试样的原始截面积（试样的原始截面积（试样的原始截面积（试样的原始截面积（mmmmmmmm2 2 2 2）S0S0S0S0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（

21、mmmmmmmm2 2 2 2)。第21页/共192页5 5 5 5 硬度硬度硬度硬度 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。第22页/共192页（1）布氏硬度试验 动画演示

22、第23页/共192页（2 2 2 2）洛氏硬度试验（）洛氏硬度试验（）洛氏硬度试验（）洛氏硬度试验（动画演示动画演示动画演示动画演示)即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。度增量计算硬度的一种压痕

23、硬度试验。度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。第24页/共192页n6 韧性即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。(h1-h2)/A 式中 冲击韧度（J/cm2）试样的冲击吸收功（J)缺口底部横截面积(mm2)摆锤重量(Kg)h1摆锤举起高度(m)h2击断试样后升起高度(m)图图3 3 夏比冲击试验夏比冲击试验第25页/共192页 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、包括密度、熔点、导电性、包括密度、熔点、导电性、包括密度、熔点、导电性、导热性、磁

24、性、热膨胀性、导热性、磁性、热膨胀性、导热性、磁性、热膨胀性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性、光学性能耐热性和耐蚀性、光学性能耐热性和耐蚀性、光学性能耐热性和耐蚀性、光学性能等。等。等。等。机械零件的用途不同，对机械零件的用途不同，对机械零件的用途不同，对机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求材料的物理、化学性能要求材料的物理、化学性能要求材料的物理、化学性能要求也不同也不同也不同也不同 。金属材料的物理、化学性能第26页/共192页n n金属的工艺性能金属的工艺性能金属的工艺性能金属的工艺性能：即金属即金属即金属即金属材料对加工工艺的适应性材料对加工工艺的适应性材料对加工工艺

25、的适应性材料对加工工艺的适应性。n n 按加工方法不同，可按加工方法不同，可按加工方法不同，可按加工方法不同，可分为铸造性能、塑性成形分为铸造性能、塑性成形分为铸造性能、塑性成形分为铸造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等。热处理工艺性等。热处理工艺性等。热处理工艺性等。金属的各种工艺性能将金属的各种工艺性能将金属的各种工艺性能将金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详在以后的有关章节中作详在以后的有关章节中作详在以后的有关章节中作详细介绍。细介绍。细介绍。细介绍。金属的金属的工艺性能工艺性能金属材料的工

26、艺性能第27页/共192页1.常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物 理含义各是什么？2.测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？热轧钢坯 青铜铸件 淬硬钢齿轮 薄铝板 灰铸铁思考题3第28页/共192页金属材料金属材料高分子材料复合材料陶瓷材料固体固体材料材料第二章第二章第二章第二章 材料的内部结构、组织与性能材料的内部结构、组织与性能材料的内部结构、组织与性能材料的内部结构、组织与性能本章主要讲解本章主要讲解金属材料金属材料的内部结构、组织与性能的内部结构、组织与性能2.1 2.1 2.1 2.1 固体材料的分类固体材料的分类固体材料的分类固体材料的分类第29页/共192页2.2

27、 2.2 2.2 2.2 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 按原子排列的特征，可将固体金按原子排列的特征，可将固体金按原子排列的特征，可将固体金按原子排列的特征，可将固体金属物质分为属物质分为属物质分为属物质分为 晶体晶体晶体晶体 和非晶体两大类。和非晶体两大类。和非晶体两大类。和非晶体两大类。n n晶体：晶体：晶体：晶体：物质内部的原子是按一定的物质内部的原子是按一定的物质内部的原子是按一定的物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石次序有规律排列的。如金刚石、石次序有规律排列的。如金刚石、石次序有规律排列的。如金刚石、石墨等，墨等

28、，墨等，墨等，固态金属固态金属固态金属固态金属一般属于晶体。一般属于晶体。一般属于晶体。一般属于晶体。n n非晶体：非晶体内部的原子则是无非晶体：非晶体内部的原子则是无非晶体：非晶体内部的原子则是无非晶体：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香和沥青规则排列的，如玻璃、松香和沥青规则排列的，如玻璃、松香和沥青规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。等。等。等。第30页/共192页晶体晶体的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特 征；征；非晶体非晶体的特点：无固定熔点，其是在一个温度范围的特点：无固定熔点，其是在一个温度范围内熔化，各方向上原子聚集密度大

29、致相同，所以表现内熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表现各向同性；各向同性；晶体晶体与与非晶体非晶体在一定条件下互相转化。在一定条件下互相转化。第31页/共192页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n n晶格晶格晶格晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一中

30、每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格，如图个空间骨架，简称晶格，如图个空间骨架，简称晶格，如图个空间骨架，简称晶格，如图1-4(b)1-4(b)1-4(b)1-4(b)所示。所示。所示。所示。n n晶胞晶胞晶胞晶胞：即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结晶体结构构晶格晶格晶胞晶胞第32页/共192页常见的金属晶体结构有体心立方晶格体心立方晶格、面心立方晶格面心立方晶格和密密排六方晶格排六

31、方晶格等三种类型。.体心立方晶格 体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一个原子，如图15所示。属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、W、V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图图5 5 体心立方球体模型及其晶格体心立方球体模型及其晶格第33页/共192页2.2.2.2.面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心一个立方体，其六个面中心一个立方体，其六个面中心一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子，和八个角上各有一个原子，和八个角上各有一个原子，和八个角上各有

32、一个原子，如图如图如图如图1 1 1 15 5 5 5所示。属于这类晶所示。属于这类晶所示。属于这类晶所示。属于这类晶格的金属有格的金属有格的金属有格的金属有 -Fe-Fe-Fe-Fe、CuCuCuCu、AlAlAlAl、NiNiNiNi等。等。等。等。n n它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。图图1 16 6 面面心心立立方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第34页/共192页.密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个密排六方晶格的晶胞是一个密排六方晶格的晶胞是一个密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，其上下底

33、面的中心和六方柱体，其上下底面的中心和六方柱体，其上下底面的中心和六方柱体，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在十二个角上各有一个原子，且在十二个角上各有一个原子，且在十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子，六方柱体的中间还有三个原子，六方柱体的中间还有三个原子，六方柱体的中间还有三个原子，如图如图如图如图1 1 1 17 7 7 7所示。属于这类晶格的所示。属于这类晶格的所示。属于这类晶格的所示。属于这类晶格的金属有金属有金属有金属有g g g g、n n n n、d d d d、e e e e等。等。等。等。n n 这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。这类金属塑性

34、较差。这类金属塑性较差。图图1 17 7 密密排排六六方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第35页/共192页 实际金属实际金属实际金属实际金属结构并结构并结构并结构并不像晶不像晶不像晶不像晶体那样体那样体那样体那样规律和规律和规律和规律和完整，完整，完整，完整，存在存在存在存在晶晶晶晶体缺陷体缺陷体缺陷体缺陷。空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）:导致金属的强度、电阻等增加，塑性下降，导致金属的强度、电阻等增加，塑性下降，是是固溶强化固溶强化的主要原因。的主要原因。错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致加工硬化的主要原因之一；无数的位错滑动导致晶体产生宏观塑性变

35、形。晶界（面缺陷）：晶界处的能量较高，稳定性差，熔点低，易受腐蚀；在常温下晶界对位错的移动有阻碍作用。晶粒越细（晶粒细化），晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好；在高温下的稳定性差，晶粒越细，高温性能就越差。实际实际金属金属结构结构第36页/共192页金属的结晶过程、金属的结晶n 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程。纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8所示。第37页/共192页图图图图1-8 1-8 1-8 1-8 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲

36、线T0 T0 T0 T0 理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度TnTnTnTn实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度TTTT过冷度过冷度过冷度过冷度T温度温度T0Tn时间时间第38页/共192页2 2 2 2、过冷、过冷、过冷、过冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固,而是必须而是必须而是必须而是必须冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。冷却至理论结晶温度以下的某个温

37、度开始结晶的现象。冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。过冷度过冷度过冷度过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。即：即：即：即：T=T0-TnT=T0-TnT=T0-TnT=T0-Tn式中式中式中式中 TTTT过冷度（过冷度（过冷度（过冷度（）；）；）；）；T0 T0 T0 T0 金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（）；）；）；）；Tn Tn Tn Tn 金属的实际结晶温度（金属的实际结晶温度（金

38、属的实际结晶温度（金属的实际结晶温度（）。）。）。）。每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也越大。越大。越大。越大。第39页/共192页 3 3 3 3、金属的结晶过程、金属的结晶过程、金属的结晶过程、金属的结晶过程 动画演示动画演示动画

39、演示动画演示金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液相全部转变成固相为止。相全部转变成固相为止。相全部转变成固相为止。相全部转变成固相为止。金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶完毕整个过程。完毕整个过程。完毕整个过程。完毕整个过程。第40页/共192页（1 1

40、 1 1）形核）形核）形核）形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两种方式。种方式。种方式。种方式。1 1 1 1）均质形核）均质形核）均质形核）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而又称自发形核，是熔

41、融金属内仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。核。核。核。2 2 2 2）非均质形核）非均质形核）非均质形核）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融金属内原有又称非自发形核，是以熔融金属内原有又称非自发形核，是以熔融金属内原有又称非自发形核，

42、是以熔融金属内原有的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。形形核核第41页/共192页（2 2 2 2）晶核长大）晶核长大）晶核长大）晶核长大：即金属结晶时，即金属结晶时，即金属结晶时，即金属结晶时，晶粒晶粒晶粒晶粒长大成为晶体的过程。长大成为晶体的过程。长大成为晶体的过程。长大成为晶体的过程。结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属结晶过程中，已经

43、形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。部消失、长大的晶体互相接触为止。部消失、长大的晶体互相接触为止。部消失、长大的晶体互相接触为止。晶粒晶粒晶粒晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶体称为晶粒。基本相同的小晶体称为

44、晶粒。基本相同的小晶体称为晶粒。基本相同的小晶体称为晶粒。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。第42页/共192页4 4 4 4、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制 晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。平均直径、单位面积或单位体积

45、的晶粒数目来定量表征。平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。（1 1 1 1）晶粒度对金属力学性能的影响）晶粒度对金属力学性能的影响）晶粒度对金属力学性能的影响）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内部的结合力。部

46、的结合力。部的结合力。部的结合力。（2 2 2 2）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法 生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动力学法等、动力学法等、动力学法等、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。来细化晶粒，以改善金属材料性能。来细化晶粒，以改善金属材料性能。来细化晶粒，以改善金属材料性能。第43页/共192页1)加入形核剂 加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。2）增大过冷度 形核率和晶核

47、长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度T越大，单位体积中晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。第44页/共192页）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。）其它方法 热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。第45页/共192页金属的同素异构转变同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变。二次结晶:金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷度，

48、同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。第46页/共192页合金的晶体结构合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的 金属材料。组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数 目，合金可以分为二元合金、三元合金。合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。第47页/共192页1.1.1.1.固溶体固溶体固溶体固溶体 (1)(1)(1)(1)固容体的类型固容体的类型固容体的类型固容体的类型n n间隙固溶体：当溶质原子很小时，间隙固溶体：当溶质原子很小时，间隙固溶体：当溶

49、质原子很小时，间隙固溶体：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为只能处于溶剂原子的间隙中，称为只能处于溶剂原子的间隙中，称为只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。间隙固溶体。间隙固溶体。间隙固溶体。如图如图如图如图1-10a1-10a1-10a1-10a所示。如所示。如所示。如所示。如C C C C、H H H H、O O O O等等等等 原子易形成间隙固溶体。原子易形成间隙固溶体。原子易形成间隙固溶体。原子易形成间隙固溶体。n n置换固溶体：当溶质和溶剂的原子置换固溶体：当溶质和溶剂的原子置换固溶体：当溶质和溶剂的原子置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直径较接近时，只能替代一部分溶

50、直径较接近时，只能替代一部分溶直径较接近时，只能替代一部分溶直径较接近时，只能替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结剂原子而占据溶剂晶格中的某些结剂原子而占据溶剂晶格中的某些结剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体。点位置，称为置换固溶体。点位置，称为置换固溶体。点位置，称为置换固溶体。如图如图如图如图1-10b 1-10b 1-10b 1-10b 所示。如所示。如所示。如所示。如Fe-NiFe-NiFe-NiFe-Ni、Cu-Cu-Cu-Cu-NiNiNiNi等等等等。图1-10a 间隙固溶体图1-10b 置换固溶体第48页/共192页(2)(2)(2)(2)固溶强化固溶强