机械工程材料教案.pdf
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1、第一章第一章 材料的性能材料的性能 本章授课学时: 2 学时 本章重点内容:材料的机械性能与性能指标 。 本章难点内容:材料机械性能指标的理解 。 第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能 目的要求:要求学生掌握材料的不同性能及其指标的定义与含义。使学生能够根据材料的加工生产、服 役条件及其失效形式提出正确的性能指标。 重点: 材料机械性能指标的含义及物理含义。 难点: 材料力学性能指标的理解。 教学方法:课堂讲授并结合多媒体,结合实例启发学生掌握重点及难点。 授课内容: 一、强度、塑性及其测定: 1 、强度是指在静载荷作用下 , 材料抵抗变形和断裂的能力。材料的强度越大,材料所能承受的外力
2、就 越大。常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度,它们是重要的力学性能指标,是设计、选材和评定材料的 重要性能指标之一。 2 、 塑性是指材料在外力作用下产生永久性变形而不断裂的能力。 塑性指标用伸长率 和断面收缩率 表示。 二、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标。生产中测量硬度常用的方法是压入法,并根据压入的程度来测定硬度 值。此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。因此硬度是一个综合的物理量,它与强度指标 和塑性指标均有一定的关系。硬度试验简单易行 , 有可直接在零件上试验而不破坏零件。此外,材料的硬 度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。 三、疲劳 机械零件在交变载荷作用下发生的
3、断裂的现象称为疲劳。疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。 四、冲击韧性及其测定 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。为评定材料的性能,需在规定条件下进行一次 冲击试验。其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验,或称一次摆锤冲击试验。 五、断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。它是材料本身的特性。 六、磨损 由于相对运动, 摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑, 使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失, 称为磨损。引起磨损的原因既有力学作用,也有物理,化学作用。因此磨损使一个复杂的过程。 第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能 目的要求:通过讲授使学生
4、掌握物理、化学性能所包含的基本内容及定义。 难点:物理、化学性能的实际应用意义。 教学方法:课堂讲授并结合实例启发学生掌握难点。 一、物理性能:材理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。不同用途的机械零件,对其物 理性能的要求也各不相同。 二、化学性能:材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。 第三节第三节 材料的工艺性能材料的工艺性能 目的要求:讲授工艺性能的含义,使学生掌握工艺性能所包含的基本内容及在实际生产中的应用意义。 难点:对工艺性能的理解及实际意义。 教学方法:课堂讲授及多媒体演示。 一、铸造性能:铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的
5、收缩和偏析的倾向。 二、可锻性能:可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。 三、焊接性能:焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。 四、切削加工性能:切削加工性能是指材料是否易于切削。 五、热处理性能:热处理性能是指材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向。热处理是改变材料性 能的主要手段。 第二章 材料的结构 本章授课学时: 2 学时 本章重点内容: 1 、材料的结合键;2 、常见金属晶格的基本类型; 3 、多晶体材料的结构; 4 、合金 的相结构。 本章难点内容: 1 、晶体缺陷对材料性能的影响;2 、固溶体、金属化合物的类型及其对合金性能的影响。 第一节 材
6、料的结合键 目的要求:通过讲授材料的结合键 , 使学生掌握各种工程材料是由不同的元素组成。由于物质是由原子。 分子或离子结合而成 , 其结合键的性质和状态存在的区别。 重点:结合键的基本类型。 难点:不同结合键的性质及存在状态。 教学方法:课堂讲授一多媒体结合。 授课内容: 化学键:组成物质整体的质点 ( 原子、分子、离子 ) 间的相互作用力 , 成为化学键。 1 、共价键:有些同类原子 , 例如周期表 a 。 a。a 族中大多元素或电负性相差不大的原子相 互接近时,原子之间不产生电子的转移,此时借共用电子对所产生的力结合,形成共价键,如金刚石、 单质硅。 SiC 等属于共价键。 2、离子键:
7、大部分盐类。碱类和金属氧化物在固态下是不导电的,熔融时可以导电。这类化合物为离子化 合物。 当两种电负姓相差大的原子(如碱金属元素与卤素元素的原子)相互靠近是,其中电负姓小的原子失去 电子,成为正离子,电负姓大的原子获得电子成为负离子,两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。 离子 晶体的硬度高 ,强度大,热膨胀系数小,但脆性大,是良好的绝缘体,是无色透明的。 3、金属键:当金属原子相互靠近时,其外层的价电子脱离原子成为自由电子,为整个金属所共有,它们在整 个金属内部运动形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合称为金属键。 用金属键可以粗略地解释金属的一般特性:1、良好的导电性
8、和导热性 2、正的电阻温度系数 3、良好的延 展性 4、金属不透明并呈现特有的金属光泽。 4、范得.瓦尔键:许多物质其分子具有永久性。分子的一部分往往带正电荷,而另一部分往往带负电荷,一 个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间,以微弱静电力相吸引,使之结合在一起,称为范德。 瓦尔键 也叫分子键。 分子晶体因其结合键能很低,所以其熔点很低。 金属与合金这种键不多,而聚合物通常链内是共价键,而链与 链之间是范得瓦尔键。 二、工程材料的键性 在实际的工程材料中,原子(或离子、 分子)间相互作用的性质,只有少数是上术四种键型的极端情况,大多数 是这四种键型的过 第二节 材料的晶体结构 目的要求:通
9、过讲授晶体与非晶体 , 金属晶格的基本类型 , 使学生掌握晶体与非晶体不同特性及晶体各 向异性的原因 重点:晶体的概念及特点。金属晶格的基本类型。 难点:三种常见的晶格类型。 教学方法:课堂讲授并结合多媒体演示。 授课内容: 一、晶体与非晶体 1 、晶体:物质的质点 ( 分子。原子或离子 ) 在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶 体。如水晶、食盐、黄铜矿等。 2 、非晶体:非晶体在整体上无序的 , 当原子间也靠化学键结合在一起 , 所以在有限的小范围内观察还 有一定规律,可将非晶体的这种结构称为近程有序。 二、金属晶格的基本类型 1 、 体心立方晶格: 体心立方晶格的晶胞如图 所
10、示。 其晶胞是一个立方体 , 所以通常只用一个晶格常数 a 表示即可。在体心立方晶胞的 每个角上和晶胞中心都排列一个原子。具有体心立方晶胞的金属有 Fe,W,Mo,V,Cr, -Ti 等。 、面心立方晶格:面心立方晶格的晶胞如图所示。其晶胞是一个立方体,所以也只用一个晶格常数表示 即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排列一个原子。具有面心立方晶格的金属有 Fe,Al,Au,Pb, -Co 等。 、密排六方晶格:密排六方晶格的晶胞如图所示。其晶胞是一个六方柱体,它是由六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的上、下底面组成。 三、晶格的致密度及晶面和晶面指数 、晶格的致密度 ()、致密
11、度:晶格中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。致密度是指晶胞中原子所占体积与 该晶胞体积之比。 ()、配位数:所谓配位数即指晶格中任一原子周围紧邻的最近且等距离的原子数。 配位数越大,原子 的排列就越紧密。 、晶面和晶面指数:在金属晶体中,通过一系列原子所构成的平面,称为晶面。通过两个以上原子中心 的直线,表示了晶格空间的各个方向,称为晶向。 )、晶面指数:确定晶面指数的方法包括如下三个步骤: () 、 设晶格中某一原子为原点, 通过该点平行于晶胞的三棱边做 OX,OY,OZ 三坐标轴, 以晶格常数 a , b , c 分别作出相应的三个坐标轴的量度单位,求出所需确定的晶面在三坐轴上的截距
12、; ()、将所得三截距之值变为倒数; () 、 再将这三个倒数按比例化为最小整数, 并加上圆括号, 既为晶面指数。 晶面指数的一般形式用 ( hkl ) 表示。 2) ) 、晶向指数:晶向指数确定的方法是: ()、通过坐标原点引一条直线,使其平行于所求的晶向; ()、求出该直线上任意一点的三个坐标值; ()、将三个坐标值按比例化为最小整数,加上方括号,即为所求的晶面指数。 )、晶面及晶向的原子密度:所谓某晶面的原子密度即指单位面积中的原子数,而晶向原子密度则指其 单位长度上的原子数。在各种晶格中,不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。 四、晶面的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不
13、同,因此在晶体中不同的晶面和晶向上原子结合力也就不同, 从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能,这就是晶体具有各向异性的原因。 第三节 实际金属的晶体结构及晶体缺陷 目的要求:通过讲授使学生对理想晶体与实际金属晶体的区别有一深刻认识,掌握实际金属的晶体结构与 晶体缺陷。 重点:多晶体结构及晶体缺陷。 难点:实际金属的多晶体结构。 教学方法:课堂讲授并结合多媒体演示。 授课内容: 一、多晶体的结构和亚结构 、单晶体与多晶体 如果一块晶体,其内部的晶格位向完全一致时,我们称这块晶体为单晶体。实际使用的工业金属材料, 其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体,每个小晶体内部的晶格位向是一致的,而各个小晶
14、体彼此间位 向都不同,如图所示,这种外形不规则的小晶体通常称为“晶粒”。晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 这种实际上由许多晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”结构。一般金属材料都是多晶体,故通常测出的是 各个位向不同的晶粒的平均性能,结果使金属就显示出各向同性。 、亚结构 在实际金属晶体中,一个晶粒内部,其晶格位向也并不是像理想晶体那样完全一致,而是存在着许多尺寸 更小。位向差也很小(一般为几十分到度)的小晶块,它们相互镶嵌成一颗晶粒,这些小晶块称为 亚结构(或称亚晶粒、镶嵌块)。 二、晶体缺陷 、点缺陷空位和间隙原子。 在实际晶体结构中,晶格的某些结点,往往未被原子所占有,这种空着的位子称为空
15、位。 同时又可能在个别晶格间隙处出现多余的原子,这种不占有正常的晶格位置,而处在晶格间隙之间的原子 称为间隙原子。 这种晶格中原子偏离平衡位置的现象称为晶格畸变。 、线缺陷位错 线缺陷即晶格中的位错线,或简称为位错。所谓位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶 体的局部滑移而造成的结果,晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。由于晶体中局部滑移的 方式不同,可形成不同类型的位错。 、面缺陷晶界和亚晶界 面缺陷即晶界和亚晶界,这两种晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的,但在小角度位向差的亚晶 界情况下,则可把它看成是一种位错线的堆积或称位错壁。 通过上述讨论可见,凡晶体缺陷处及其附近
16、,均有明显的晶格畸变,因而会引起晶格能量的提高,并使金 属物理。化学和机械性能发生显著的变化,如晶界和亚晶界愈多,位错密度愈大,金属的强度愈高。 第四节 合金的晶体结构 目的要求:讲授合金的概念,合金的相结构,使学生掌握合金与纯金属的区别,合金相结构的基本类型及 区别。 重点:合金相结构的基本类型 难点:合金的结构与纯金属晶体结构的不同 教学方法:课堂讲授为主结合多媒体演示。 授课内容: 一、合金的概念 、合金的概念 )、合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质,称为合 金。 )、组元:组成合金最基本的,独立的物质叫组元。组元通常是元素,但也可以是稳定的化
17、合物。根据 组成合金数目的多少,合金可以分为二元合金,三元合金和多元合金等。 、相:合金中具有一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相和相之间有明显的界面。 二、合金的相结构 、固溶体:当合金有液态结晶为固态时,组成元素间会像合金溶液那样相互溶解,形成一种在某种元素 的晶格结构中包含有其他元素原子的新相,称为固溶体。 )、固溶体的结构与分类:按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同 , 将固溶体分为以下两类: 、置换固溶体:当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中某些结点位置时 , 所形成的固溶 体称为置换固溶体。 、间隙固溶体:若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点的位置 , 而是处于
18、各结点间的空隙中 , 则这 种形式的固溶体称为间隙固溶体。 2) 、 固溶体的性能: 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度。硬度升高的现象称为固溶强化。 固溶强化是材料的一种主要的强化途径。 2 、金属化合物:金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同 , 一般具有复杂的晶格 结构 , 熔点高。硬而脆。当合金中出现金属化合物时 , 通常能提高合金的强度 , 硬度和耐磨性 , 但会 降低塑性和韧性。 1) 、正常价化合物: 组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的 , 因而其成分固定不变 , 并可用化学式表示。 正常化合价具有很高的硬度和脆性 , 在合金中 , 当它在
19、固溶体基体上合理分布时 , 将使合金得到强化 , 因而起着强化相的作用。 2) 、电子化合物: 它们与正常价化合物不同 , 不遵循原子价规律 , 而是按照一定的电子浓度组成一定晶格结构的化合物。 电子化合物的熔点和硬度都很高 , 但塑性很差 , 因此与正常价化合物一样 , 一般只能作为强化相存在 与合金中。 3) 、 间隙化合物: 间隙化合物的晶格结构特点是: 直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置 , 而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的间隙中 , 因而称为间隙化合物。 、间隙相:是具有简单晶格结构的间隙化合物。 、间隙化合物:是具有复杂晶格结构的间隙化合物。 第五节
20、非金属材料的结构 目的要求:通过讲授非金属材料的结构使学生掌握非金属材料的结构特点 , 及与金属材料结构的不同。 重点:高分子合成材料与陶瓷材料的结构。 难点:非金属材料的结构特点。 教学方法:课堂讲授为主结合多媒体演示。 授课内容: 一、高分子合成材料的聚集结构 高分子合成材料是分子量很大的材料 , 由许多单体 ( 低分子 ) 用共价键连接 ( 聚合 ) 起来的大分子 化合物。所以高分子又称大分子 , 高分子化合物又称高聚物或聚合物。 1 、高聚物的结构。 高聚物的结构可分为两种类型:均聚物和共聚物。 1) 、均聚物:只含有一个单链节 , 若干个链节用共价键按一定方式重复连接起来 , 像一根
21、又细又长的链 子一样。此结构称为线型结构。支链型高聚物好象一根节上生枝的枝干一样,主链较长,支链较短, 其性质和线性高聚物结构基本相同。因此线型高聚物易于加工成型,并可重复使用。一些合成纤维和热塑 性塑料(如聚氯乙烯。聚苯乙烯等)就属此类结构。 网状高聚物是在一根根长链之间有若干个支链把它们交连起来,构成一种网状形状。如果这种网状的支链 像空间发展的话,变得到体型高聚物结构。这种高聚物结构的特点是在任何情况下都不熔化也不溶解并且 在保持形状稳定,耐热及耐溶剂作用发面有起优越性。热固性塑料(如酚醛,脲醛等塑料)就属于这一类。 )、共聚物:共聚物是由两种以上不同的单体链节聚合而成的,由于各种单体的
22、成分不同共聚的高分子 排列形式也多种多样,可归纳为:无规则型、交替型、嵌段型、接支型。例如将 M1 和 M2 两种结构的单 体分别以有斜线的圆圈和空白圆圈表示。共聚物高分子结构可以用图表示。 共聚物在实际应用上具有十分重要的意义。 因为共聚物能把两种或多种自聚的特性综合到一种聚合物中来。 因此有人把共聚物称为非金属的合金,这是一个很恰当的比喻。例如 ABS 树脂是丙烯腈。丁而烯和 苯乙烯三元共聚物具有较好的耐冲击。耐热。耐油。耐腐蚀及易加工等综合性能。 、高聚物的聚集态结构。 高聚物的聚集态结构是指高聚物材料本体内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构,也称为超分子结构。 高聚物按照大分子排列是否
23、有序。可分为结晶态和非结晶态两类。结晶态聚合物分子排列规则有序;非结 晶态高聚物分子排列杂乱不规则如图所示。 高聚物材料的性能不仅与高分子的分子量和大分子链结构有关,而且和高聚物的聚集状态有直接关系。 二、陶瓷材料的聚集状态 金属是以金属键结合,高聚物是以共价键相结合。而陶瓷材料的结合键主要是离子键和共价键的混合键。 、晶相:晶相是陶瓷材料的主要组成相,它由某些固溶体或化合物所组成。陶瓷材料的晶相常常不止一 个,而是多相多晶体。多相中又可分为主晶相。次晶相。第三晶相等。组成陶瓷晶相的晶体一般有两类: 一类是氧化物(如氧化铝。氧化钛等),另一类是含氧酸盐(如硅酸盐。钛酸盐等)。 、玻璃相:玻璃相
24、是非晶态的低熔点固体相它的作用是粘结分散的晶相,填充气孔空隙。降低烧结温度 及抑制晶体长大等,但玻璃相的热稳定差,机械强度比晶相低 、气相:气相是指陶瓷内孔隙中的气体,均匀分布的气孔可是陶瓷材料的绝缘。绝热性能大大提高,但 由于气孔是产生应力集中的地方,固导致机械强度降低,并引起陶瓷材料的介电损耗增大,抗电击穿能力 下降。 第三章 材料的凝固与结晶 本章授课学时: 4 学时 本章重点内容: 1 、结晶的基本规律; 2 、金属结晶后晶粒大小与性能的关系; 3 、晶粒大小的控制; 4 、二元合金相图的基本类型、结晶过程,以及合金相图与性能间的关系。 本章难点内容: 1 、二元合金相图的基本类型、二
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