工程材料教案總第1篇

1、工程材料基礎(chǔ)課程教案任課老師：唐思文職稱：講師2013年8月湖南科技大學(xué)課程教案（首頁）授課教師：唐思文職稱：講師單位： 機電工程學(xué)院課程名稱工程材料基礎(chǔ)課程編號授課學(xué)期2013-2014學(xué)年1學(xué)期考核方式考試（閉卷）學(xué) 分2.5授課年級2011級專業(yè)班級機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生人數(shù)87總學(xué)時數(shù)40學(xué)時理論學(xué)時32學(xué)時實踐學(xué)時8學(xué)時課堂講授32學(xué)時小組討論 0學(xué)時現(xiàn)場講解0學(xué)時教學(xué)目標(biāo)及基本要求工程材料基礎(chǔ)是高等院校機械類專業(yè)的一門十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是從機械工程的應(yīng)用角度出發(fā)，闡明機械工程材料的基本理論。了解材料的成分、加工工藝、組織、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系；介紹常用的機械工程

2、材料及其應(yīng)用等基本知識。本課程的目的是使學(xué)生通過學(xué)習(xí)，在掌握機械工程材料的基本理論及基本知識的基礎(chǔ)上，具備根據(jù)機械零件使用條件和性能要求，對結(jié)構(gòu)零件進行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。教學(xué)重點材料的晶體結(jié)構(gòu)、材料的性能、金屬材料的塑性變形、材料的凝固與相圖、鐵碳相圖、鋼鐵熱處理、合金鋼、機械設(shè)計與選材。教學(xué)難點材料的凝固與相圖、鐵碳相圖、鋼鐵熱處理、機械設(shè)計與選材教材名稱機械工程材料作者高為國出版社中南大學(xué)出版社出版時間2011.7指定參考書工程材料作者張淑珍出版社及出版時間化學(xué)工業(yè)出版社工程材料作者朱張校出版社及出版時間清華大學(xué)出版社工程材料基礎(chǔ)作者周鳳云出版社及出版時間華中科技大學(xué)出

3、版社 2002湖南科技大學(xué)課程教案（章節(jié)、專題首頁）授課教師：唐思文職稱：講師單位：機電工程學(xué)院課程名稱工程材料基礎(chǔ)章節(jié)、專題第1章 材料的結(jié)構(gòu)與凝固教學(xué)目標(biāo)及基本要求1、 掌握金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)特點2、 掌握晶面和晶向的標(biāo)定過程3、 掌握結(jié)晶的概念、驅(qū)動力和過程4、 掌握晶粒度的概念以及影響鑄態(tài)金屬晶粒度的因素5、 了解晶體的同素異構(gòu)現(xiàn)象教學(xué)重點1、 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)2、 晶面和晶向標(biāo)定3、 密排面、密排方向4、 結(jié)晶5、 過冷度6、 晶粒度教學(xué)難點1、 結(jié)晶的條件2、 晶面和晶向的確定教學(xué)內(nèi)容與時間分配1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)1.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu)1.4 凝固的

4、基本概念1.5 金屬的結(jié)晶1.6 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象2學(xué)時習(xí)題P30：6、7、10、14第1章 材料的結(jié)構(gòu)與凝固本章目錄1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)1.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu)1.4 凝固的基本概念1.5 金屬的結(jié)晶1.6 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念² 晶體：內(nèi)部原子或離子按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體。² 非晶體：原子排列無規(guī)則的固體。² 晶格：將構(gòu)成晶體的實際質(zhì)點（原子或離子）抽象為純粹的 幾何陣點，并用直線連接起來構(gòu)成的三維空間格架。² 晶胞：能夠反映晶格特征的最小組成單元。² 晶

5、格參數(shù)：晶格的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、六個參數(shù)來描述。晶格常數(shù)：a、b、c。1.1.2 三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及a-Fe等屬此種晶格。面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及g-Fe等屬此種晶格。密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等屬此種晶格。1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（1） 晶胞中的原子數(shù) 體心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 （2） 原子半徑晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間球心距離的一半稱為原子半徑(r原子)。 體心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格（3） 配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子

6、周圍最近鄰的且等距離的原子數(shù)。配位數(shù)越大，晶體中原子排列就越緊密。體心立方晶格：8面心立方晶格：12密排六方晶格：12（4） 致密度：晶胞中所含原子的體積與晶胞體積的比值，配位數(shù)大，則致密度亦大。體心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征1.1.4 晶面、晶向及晶體的各向異性² 晶面：通過晶體中原子中心的平面。² 晶面指數(shù)：用以表示晶面的數(shù)字符號稱為晶面指數(shù)。晶體中一些特定的晶向、晶面與晶體表現(xiàn)出的性能有密切關(guān)系。立方晶系的晶面指數(shù)的標(biāo)定以圖中的晶面ABBA為例, 晶面指數(shù)的標(biāo)定過程如下： 1、設(shè)定一空間坐標(biāo)系, 原點在預(yù)定晶面外,以晶胞三棱邊作三維坐

7、標(biāo)的X、Y、Z，并使晶面在三條坐標(biāo)軸上有截距或無窮大。 2、以晶格常數(shù)a為長度單位, 寫出預(yù)定晶面在三條坐標(biāo)軸上的截距:a3、截距取倒數(shù)：1/a 0 04、截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)：1005、將三整數(shù)寫在圓括號內(nèi)：(100)6、晶面ABBA'的晶面指數(shù)即為(100)。l 晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為(hkl)。(hkl)實際表示一組原子排列相同的平行晶面。 l 在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的對稱性, 往往存在許多原子排列完全相同但在空間位向不同的晶面, 這些晶面總稱為晶面族, 用大括號表示, 即hkl。Ø 晶向：晶體中原子列所表示的方向。Ø 晶向指數(shù)：表示晶向的數(shù)字

8、符號稱為晶向指數(shù)。以圖中的晶向OA為例,說明晶向指數(shù)的標(biāo)定過程：1、設(shè)定一空間坐標(biāo)系,原點在預(yù)定晶向的一結(jié)點上，并以晶胞三棱邊作三維坐標(biāo)的X、Y、Z，通過原點作平行于所求晶向的直線。2、 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測量單位，寫出該晶向上另一結(jié)點的空間坐標(biāo)值：a003、 將坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)：1004、 將化好的整數(shù)記在方括號內(nèi)：1005、得到晶向OA的晶向指數(shù)為100。Ø 晶面原子密度：該晶面單位面積中的原子數(shù)。l 在晶體中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。體心立方、面心立方晶格主

9、要晶面的原子排列和密度Ø 晶向原子密度：該晶向單位長度上的原子數(shù)。 體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度1.1.5 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)l 實際晶體結(jié)構(gòu)單晶體：金屬內(nèi)部的晶格方位完全一致。多晶體：多晶粒組成的實際晶體結(jié)構(gòu)。晶粒：組成多晶體的外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒與晶粒間的界面。組織：指金屬的內(nèi)部形貌。顯微組織：利用金相顯微鏡所觀察到的組織。亞晶粒：晶粒內(nèi)存在的、相互間晶格位向差很小的晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的界。l 晶體缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷點缺陷：包括晶格空位、間隙原子和異類原子，點缺陷的存在會使晶格發(fā)生畸變，金屬的性能發(fā)生變化。線缺陷：即位錯，或稱為位錯線。

10、位錯是晶體中某處有一列或若干列原子，發(fā)生了規(guī)律的錯排現(xiàn)象。包括刃型位錯和螺型位錯。面缺陷： 晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。面缺陷是晶體中不同區(qū)域之間，由于晶格方位的過渡所造成。位向差較小的亞晶界，可看成是位錯線的堆積。 1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)n 合金：一種金屬元素同另一種或幾種金屬或非金屬元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。n 組元：組成合金最基本的獨立物質(zhì)。n 二元合金：由兩個組元組成的合金稱為二元合金。 n 相：在金屬或合金中，化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。n 組織組成物：合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形成機制和特殊形態(tài)的組成部分。不

11、同的相形成不同的組織，不同的組織導(dǎo)致不同的性能。l 固態(tài)合金包含兩種基本的相結(jié)構(gòu)：固溶體和金屬化合物n 固溶體 ：合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。 習(xí)慣以、。溶劑與溶質(zhì)：與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑，其它元素稱溶質(zhì)。n 有限固溶體：若溶質(zhì)超過某個溶解度有其他相形成，即兩個元素之間的相互溶解度有一定的限度的固溶體。n 無限固溶體：溶質(zhì)與溶劑能以任何比例相互溶解的固溶體。n 置換固溶體：在溶劑晶格的某些結(jié)點上，其原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體。n 間隙固溶體：溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙之中形成的固溶體。n 置換固溶體 無序固溶體：溶質(zhì)原子呈無序分布的固溶

12、體。 有序固溶體：溶質(zhì)原子呈有序分布的固溶體。n 間隙固溶體形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。 n 固溶體的溶解度 有限固溶體：溶解度有一定限度的固溶體。 無限固溶體：組成元素?zé)o限互溶的固溶體。 組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。 間隙固溶體都是有限固溶體。n 固溶強化：通過形成固溶體使金屬的強度和硬度提高的現(xiàn)象。 固溶強化的原因：溶質(zhì)原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸變，阻礙了晶體的滑移，從而使合金固溶

13、體的強度和硬度得到提高。l 固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體的強度、硬度增加, 塑性、韌性下降固溶強化。n 金屬化合物：合金組元之間相互作用形成的、晶格類型和特性均不同于任一組元的新相。正常價化合物：由元素周期表上相距較遠(yuǎn)而化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素形成的、嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律的化合物。大多數(shù)金屬和A族、A族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等。 1.3高分子材料的結(jié)構(gòu)（1）高分子材料概述n 高分子聚合物（簡稱高聚物）：以高分子化合物為主要組分的有機材料，其相對分子質(zhì)量在5000以上。分類：分為天然和人工合成兩類。天然的包括天然橡膠、蠶絲、

14、羊毛、纖維素、油脂、蛋白質(zhì)淀粉等；人工合成的有合成橡膠、塑料、合成纖維、涂料和膠粘劑等。n 單體：彼此能相互連接起來而形成高分子化合物的低分子化合物。如聚乙烯是由乙烯單體（CH2=CH2）聚合而成的。n 鏈節(jié)：組成高分子化合物的長鏈中的基本結(jié)構(gòu)單元。 n 高分子化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點：高分子化合物的分子量很大，化學(xué)組成比較簡單，同有機化合物一樣僅由幾種元素所組成。其結(jié)構(gòu)像一條長鏈，這個長鏈?zhǔn)怯稍S多結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元（即鏈節(jié)）組成。高分子鏈的所有原子之間的結(jié)合鍵都是共價鍵。高分子化合物總含有各種大小不同（鍵長不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一個平均值。大分子鏈的結(jié)構(gòu)均聚物：只含有一

15、種單體鏈節(jié)，若干個鏈節(jié)由共價鍵按一定方式重復(fù)連接起來，像一根又細(xì)又長的鏈子一樣。 共聚物：由兩種以上不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高分子聚合物。 1.4凝固的基本概念n 凝固：指物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程n 從本質(zhì)上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）到另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變叫金屬的結(jié)晶。l 凝固狀態(tài)的影響因素熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的阻力。粘度是材料內(nèi)部結(jié)合鍵性質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況的宏觀表現(xiàn)。越大，流體層間的內(nèi)摩擦力就越大，相對運動越困難，甚至使原子無法遷移排成晶體，凝固時很容易形成無規(guī)則的原子排列。金屬材料的值極小，熔點附近原子的遷移能力極強，絕大多數(shù)凝固為晶體

16、。1.5 金屬的結(jié)晶l 純金屬的結(jié)晶bc段 開始結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度, 這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度 Tn之差叫做過冷度, 用 T 表示。 T =T0- Tn冷卻速度越大, 則開始結(jié)晶溫度越低, 過冷度也就越大。de段  結(jié)晶時溫度保持不變。液態(tài)原子無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)時放出結(jié)晶潛熱，保持結(jié)晶過程溫度不變。在非常緩慢冷卻的條件下，平臺溫度與理論結(jié)晶溫度相差很小。ef段  金屬全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體后, 固態(tài)金屬逐漸冷卻。 l 結(jié)晶的能量條件在一定溫度條件下，只有那些引起體系自由能降低的過程才能自發(fā)進行。F=U-TS F固=U固-TS固F液

17、=U液-TS液過冷是金屬結(jié)晶的必要條件F 就是液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動力。l 結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件：液態(tài)金屬內(nèi)部極小范圍內(nèi)瞬時呈現(xiàn)的短程有序原子集團，就是金屬結(jié)晶所需的結(jié)構(gòu)條件。 l 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶包括兩個基本過程：形核與長大。l 結(jié)晶后晶粒大小 金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒大小對材料的性能影響很大。常溫下的金屬材料，晶粒越小, 則金屬的強度、塑性和韌性越好。晶粒的大小取決于形核率N和晶核的長大速率G。金屬凝固后，單位體積中的晶粒數(shù)Z與N、G的關(guān)系為：晶粒大小與N、G及過冷度的關(guān)系l 細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施增大金屬的過冷度變質(zhì)處理 振動電磁攪拌l 金屬鑄錠的結(jié)晶組織金屬鑄錠的組織特點：（1）表層細(xì)晶區(qū)；（2）柱狀晶區(qū)；（3）中心等軸晶