項(xiàng)目一金屬材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

1、教學(xué)章節(jié)： 1.1 教學(xué)內(nèi)容：金屬的晶體結(jié)構(gòu)一 教學(xué)要求： 1、了解金屬、晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；2、掌握三種理想晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。重點(diǎn)難點(diǎn) ： 理想晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 教學(xué)過(guò)程板書(shū)設(shè)計(jì) ：一、金屬的三大特點(diǎn)1、外觀特征：金屬光澤和不透明性；2、正的電阻溫度系數(shù)；3、良好的機(jī)械性能，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。二、固態(tài)物質(zhì)存在的形式1、晶體：原子呈規(guī)那么排列的物體 如：銅、鋁，鋼鐵等。2、非晶體：原子成不規(guī)那么排列的物體如：玻璃、松香等。三、晶體相關(guān)概念1、空間點(diǎn)陣：陣點(diǎn)排列形成的空間陣列。2、晶格：陣點(diǎn)用直線連接起來(lái)形成的空間格子。3、晶面：晶格中各種方位的原子。4、晶胞：晶格中選取一個(gè)能夠反映晶格特征的最小幾何單

2、元。四、晶體的特點(diǎn)1、具有一定的熔點(diǎn)；2、各向異性；3、具有特定的幾何形狀天然晶體 。五、三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)1、體心立方晶格： 8個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子， 在體心處還有一個(gè)原子。2、面心立方晶格： 8 個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，立方體的每個(gè)面的中心 還各有一個(gè)原子。3、密排六方晶格：六方體的 12 個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，上下底面的 面中心各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有 3 個(gè)原子。六、單晶體的各向異性晶體在不同方向上性能不同，稱之為晶體的各向異性 ; 單晶體：由一個(gè)晶粒所組成。 結(jié)晶方位完全一致的晶體 。表現(xiàn)各向 異性特征。 但各向異性在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中使用的金屬材料中一般并不表現(xiàn)， 因?yàn)閷?shí)際工業(yè)生產(chǎn)中使用的

3、金屬材料為多晶體。課后作業(yè)：1、晶體的原子是呈有序、有規(guī)那么排列的物質(zhì)。( )2、非晶體的原子是呈無(wú)序、無(wú)規(guī)那么堆積的物質(zhì)。( )教學(xué)章節(jié)： 1.1 教學(xué)內(nèi)容：金屬的晶體結(jié)構(gòu)二 教學(xué)要求： 1、了解實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)； 2、掌握晶體缺陷類型。重點(diǎn)難點(diǎn) ：晶體缺陷。 教學(xué)過(guò)程板書(shū)設(shè)計(jì) ：一、多晶體結(jié)構(gòu) 1、 晶粒：每個(gè)小晶體都具有的不規(guī)那么的顆粒狀外外形。2、 單晶體：由一個(gè)晶粒所組成。3、多晶體：由許多晶粒所組成，實(shí)際金屬就屬于這種情況。4、晶界：晶粒與晶粒之間的界面，稱為晶界。一般在銅材中，晶粒 的尺寸在 10-1 10-3mm 左右。在金相顯微鏡下可以觀察。二、晶體缺陷通常將實(shí)際金屬中原子

4、排列的不完整性區(qū)域叫做晶體缺陷。 晶體缺陷按幾何特點(diǎn)可分為以下三種：1、 點(diǎn)缺陷：晶體中在 X,Y,Z 三維方向上尺寸都很小的晶體缺陷。常 見(jiàn)的點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子、置換原子。1空位：當(dāng)晶格中的原子由于某種原因，脫離原來(lái)的平衡位置， 在原處出現(xiàn)了一個(gè)空結(jié)點(diǎn)2間隙原子：處于晶格間隙中的原子。3置換原子：正常節(jié)點(diǎn)處的原子被其他金屬種類的原子所代替。 點(diǎn)缺陷造成的后果：造成晶格畸變，使性能發(fā)生變化。 晶格上的結(jié)點(diǎn)偏離其平衡位置， 出現(xiàn)幾個(gè)甚至更多的原子間距范 圍的彈性畸變區(qū)。2、 線缺陷： 就是各種類型的位錯(cuò)， 即晶體已滑移局部與未滑移局部 的交界線。晶體中的線缺陷就是各種類型的位錯(cuò) 。位錯(cuò)：在晶

5、體中某處有一列或假設(shè)干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn) 象。最根本的類型有 “刃型位錯(cuò)和“螺型位錯(cuò) 。3、面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在其它兩個(gè)方向上尺寸很大， 也叫二維缺陷 ，主要有金屬中的晶界和亞晶界。1晶界：晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面。2亞晶界：在金屬晶體的每一個(gè)晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并不像 理想晶體那樣完整， 它是由許多位向很小的小晶塊組成， 這些小晶塊 稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面叫做亞晶界。課后作業(yè)：1、只有一個(gè)晶粒組成的晶體成為單晶體。2、晶體缺陷有點(diǎn)、線、面缺陷。2、面缺陷分為晶界和亞晶界兩種。( ) ( )( )教學(xué)章節(jié)： 1.2教學(xué)內(nèi)容：純金屬的結(jié)晶教學(xué)要求： 1、

6、了解凝固和結(jié)晶的區(qū)別；2、掌握純金屬的結(jié)晶過(guò)程。重點(diǎn)難點(diǎn) ：純金屬的結(jié)晶過(guò)程。教學(xué)過(guò)程板書(shū)設(shè)計(jì) ：一、結(jié)晶相關(guān)術(shù)語(yǔ)1、 凝固：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。2、 結(jié)晶：結(jié)晶是指從原子不規(guī)那么排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)那么排列的 晶體狀態(tài)的過(guò)程。通常把金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程稱為一次結(jié)晶。 而把金 屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過(guò)程稱為二次結(jié)晶或重 結(jié)晶。二、金屬結(jié)晶的現(xiàn)象將純金屬放入坩堝中加熱熔化成液態(tài)， 然后插入熱電偶以測(cè)量溫 度，讓液態(tài)金屬緩慢而均勻地冷卻， 記錄冷卻過(guò)程中的溫度時(shí)間 曲線。這一實(shí)驗(yàn)方法稱為熱分析法，冷卻曲線又稱為熱分析曲線。金屬在結(jié)晶之前， 溫度連續(xù)下降， 當(dāng)液態(tài)

7、金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度 T0 熔點(diǎn)時(shí)，并未開(kāi)始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到 T0 之下的 某一溫度T1 ,液態(tài)金屬才開(kāi)始結(jié)晶。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1與理論 結(jié)晶溫度TO之差，稱為過(guò)冷度，以AT表示，AT=T0-T1。過(guò)冷度隨金屬的本性和純度的不同， 以及冷卻速度的差異可以在 很大的范圍內(nèi)變化。二、金屬結(jié)晶的過(guò)程金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷至理論結(jié)晶溫度以下的實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)， 晶核并 未立即產(chǎn)生， 而是經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間后才開(kāi)始出現(xiàn)第一批晶核。 結(jié)晶開(kāi) 始前的這段停留時(shí)間稱為孕育期。隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長(zhǎng)大，與此同時(shí)，液態(tài)金屬 中又產(chǎn)生第二批晶核。液態(tài)金屬中不斷形核，

8、不斷長(zhǎng)大，使液態(tài)金屬越來(lái)越少，直到各個(gè)晶體相互接觸，液態(tài)金屬耗盡，結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。1、 晶核的形成(1)均勻晶核：是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過(guò)程，液相 中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。 (2)非均勻晶核：是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)外表形核 的過(guò)程。2 、 晶核的長(zhǎng)大 晶體的長(zhǎng)大從宏觀上來(lái)看， 是晶體的界面向液相中的逐步推移過(guò) 程；從微觀上看，那么是依靠原子逐個(gè)由液相中擴(kuò)散到晶體外表上，并 按晶體點(diǎn)陣規(guī)律要求， 逐個(gè)占據(jù)適當(dāng)?shù)奈恢枚c晶體穩(wěn)定牢靠地結(jié)合 起來(lái)的過(guò)程。課后習(xí)題:1、結(jié)晶是指金屬?gòu)母邷匾后w狀態(tài)冷卻凝固為固體狀態(tài)的過(guò)程。( )2、純金屬的結(jié)晶過(guò)程是在恒溫下進(jìn)行的。(

9、 )3、金屬的結(jié)晶過(guò)程由晶核的產(chǎn)生和長(zhǎng)大兩個(gè)根本過(guò)程組成。( )教學(xué)章節(jié)：1.3教學(xué)內(nèi)容：金屬材料的損壞與塑性變形 教學(xué)要求：1、了解金屬損壞的形式；2、掌握載荷相關(guān)概念，金屬塑性變形特點(diǎn)。重點(diǎn)難點(diǎn)：載荷相關(guān)概念。教學(xué)過(guò)程(板書(shū)設(shè)計(jì))：一、載荷及其分類金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力稱為載荷1、根據(jù)載荷作用性質(zhì)分類：(1 )靜載荷：大小不變或變化緩慢的載荷。如吊車懸吊重物。(2)沖擊載荷：短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。列車通 過(guò)火車橋梁。(3 )交變載荷：大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的 載荷。火車車輪。2、根據(jù)載荷作用形式分類: (1 )拉伸載荷(2 )壓縮載荷(3)

10、 扭轉(zhuǎn)載荷(4 )彎曲載荷 (5)剪切載荷 二、內(nèi)力及應(yīng)力1、內(nèi)力：工件或材料在受到外部載荷作用時(shí)，為使其不變形，在材 料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對(duì)抗的力，稱為內(nèi)力。2、應(yīng)力：?jiǎn)挝粰M截面面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。R應(yīng)力，Pa。F外力，N。S 橫截面面積，m2三、金屬的變形1、 金屬變形分類( 1 )彈性變形：外力消失后變形消失，金屬恢復(fù)到原來(lái)的形狀。( 2)彈 塑性變形：一局部發(fā)生彈性變形，一局部發(fā)生塑性變形。( 3 )斷裂：破壞，不能再恢復(fù)。2、 影響金屬塑性變形的因素( 1 )晶粒位向的影響；( 2 )晶界的作用；( 3 )晶粒大小的影響。四、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化 金屬材料的冷塑性變形

11、對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響有兩個(gè)方面1、 產(chǎn)生纖維組織：在外形變化的同時(shí)，晶粒的形狀也會(huì)發(fā)生變化。 通常晶粒會(huì)沿變形的方向壓扁或拉長(zhǎng)2、 形變加強(qiáng) (加工硬化)：冷塑性變形除了使晶粒外形發(fā)生變化外， 還會(huì)使晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加， 晶格畸變加劇， 從而使金屬隨著變 形量的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降)教學(xué)章節(jié)：1.4教學(xué)內(nèi)容：金屬的力學(xué)性能一 教學(xué)要求：1、了解金屬力學(xué)性能的概念；2、掌握強(qiáng)度、塑性的概念呢及測(cè)定方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性的測(cè)定方法。教學(xué)過(guò)程板書(shū)設(shè)計(jì)：一、力學(xué)性能概念及指標(biāo)1、概念金屬材料必須具有一種承受機(jī)械載荷而不超過(guò)許可變形或不破 壞的能力，這種能力就是材料的力學(xué)性能

12、2、力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度、塑性、硬度、 沖擊韌性等。二、強(qiáng)度強(qiáng)度金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度。 大小用應(yīng)力表示。根據(jù)載荷作用方式不同分類：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、 抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1、拉伸試樣圓形、矩形、六方形。Lo=5d 短試樣，Lo=1Od 長(zhǎng)試樣2、強(qiáng)度指標(biāo)1 屈服強(qiáng)度eLS0ReL試樣的下屈服強(qiáng)度，MPa。FeL 試樣屈服時(shí)的最小載荷，NSo試樣原始橫截面面積，mm : 2 抗拉強(qiáng)度Rm 抗拉強(qiáng)度，MPa。Fm 試樣在屈服階段后所能抵抗的最打載荷，N。So試樣原始橫截面面積，mm2。二、塑性材料受力后在斷裂之前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為

13、塑性。衡量塑性的常見(jiàn)指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率，也用拉伸試驗(yàn)法測(cè)定。1、斷后伸長(zhǎng)率A 丄 Lo 100%LoLo試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。Lu 試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。2、斷面收縮率Z = & 一' 100%Somm 2S0試樣原始橫截面面積，mm2。Su 試樣拉斷后縮頸處的橫截面面積,金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越高，其塑性越好。課后習(xí)題：1、拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力稱為材料的()。A、屈服強(qiáng)度B、抗拉強(qiáng)度C、彈性極限2、疲勞試驗(yàn)時(shí)，試樣承受的載何為)。A、靜載荷B、沖擊載荷C、交變載荷3、洛氏硬度C標(biāo)尺所用的壓頭是。A、淬硬鋼球B、金剛石圓錐體C 、

14、硬質(zhì)合金球4、金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為()。A、塑性B、硬度C、強(qiáng)度5、用拉伸試驗(yàn)可測(cè)定材料的性能指標(biāo)。A、強(qiáng)度B、硬度C、韌性教學(xué)章節(jié)：1.4教學(xué)內(nèi)容：金屬的力學(xué)性能(二) 教學(xué)要求：1、了解硬度的分類及適用范圍；2、掌握硬度的測(cè)定方法；3、了解沖擊韌性的測(cè)定方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：硬度及測(cè)定方法。教學(xué)過(guò)程(板書(shū)設(shè)計(jì))：一、硬度材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬 度。常用的硬度實(shí)驗(yàn)法有布氏硬度實(shí)驗(yàn)法、 洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法、維氏硬 度實(shí)驗(yàn)法。1、布氏硬度(1 )布氏硬度的定義使用一定直徑的硬質(zhì)合金球體，以規(guī)定的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣外表， 并保持規(guī)定時(shí)間后卸去實(shí)驗(yàn)力，然后用測(cè)量外

15、表壓痕直徑來(lái)計(jì)算硬 度。布氏硬度值是用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來(lái)表示， 單位MPa。用符號(hào)HBW )表示。HBW=0.102 2FSnD(D_ 寸 D2_d2)S球面壓痕外表積，mm 2 ；F實(shí)驗(yàn)力，N ;D壓頭直徑，mm ;D壓痕平均直徑，mm。一般情況不用計(jì)算，而是根據(jù)壓痕直徑查表得出布氏硬度值。(2)布氏硬度的表示方法符號(hào)HBW之前的數(shù)字為硬度值，符號(hào)后面按以下順序用數(shù)字表 示實(shí)驗(yàn)條件。1球體直徑2實(shí)驗(yàn)力3實(shí)驗(yàn)力保持的時(shí)間1015s不標(biāo)注例如： 170HBW10/1000/30 表示用直徑 10mm 的鋼球，在 9807N 的實(shí)驗(yàn)力作用下，保持 30s 時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為 1

16、70。 3應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn) 布氏硬度主要適用于測(cè)定灰鑄鐵、 有色金屬、 各種軟鋼等硬度不 是很高的材料。優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)力大、球體直徑大，壓痕直徑大，能準(zhǔn)確反映出金屬 材料的平均性能。缺點(diǎn)：操作時(shí)間長(zhǎng)，不宜于測(cè)量成品及薄件。2、洛氏硬度 1 洛氏硬度的定義 洛氏硬度實(shí)驗(yàn)是目前應(yīng)用范圍最廣的硬度實(shí)驗(yàn) 方法。它是采用直接測(cè)量壓痕深度來(lái)確定硬度值的。采用金剛石圓錐體或淬火鋼球壓頭，壓入金屬外表后，經(jīng)規(guī)定保 持時(shí)間后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的壓痕深度來(lái)計(jì)算洛氏硬度值。 2 洛氏硬度的表示方法 符號(hào) HR 前面的數(shù)字表示硬度值。 HR 后面的字母表示不同的 洛氏硬度標(biāo)尺。 3常用洛氏硬度標(biāo)尺及其適用范圍：HRA

17、適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、外表淬火層或滲碳層； HRB 適用于測(cè)量有色金屬和退火、正火鋼等； HRC 適用于測(cè)量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。 洛氏硬度操作簡(jiǎn)便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接 從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應(yīng)用。4洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單迅速， 能直接從刻度盤上讀出硬度值； 壓痕較小， 可以測(cè)定成品及較薄工件； 測(cè)試的硬度值范圍大， 可測(cè)從很軟到很硬 的金屬材料。缺點(diǎn)：壓痕小，當(dāng)材料的內(nèi)部組織不均勻時(shí)， 硬度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大， 測(cè)量值的代表性差，通常需要在不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來(lái)代 表金屬材料的硬度。二、沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。材料

18、 的沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。試樣規(guī)格：U形或V形缺口的式樣。試樣從一定高度被擊斷后，缺口處單位橫截面面積上吸收的功， 即表 示沖擊韌度值。AAk- kSoa沖擊韌度，J/cm 2, a值越大，材料的沖擊韌性越好；Ak 沖擊吸收功，J;So試樣缺口處的橫截面面積，cm2。課后習(xí)題：1、所有金屬在拉仲試驗(yàn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生“屈服現(xiàn)象和“頸縮現(xiàn)象。2、 布氏硬度試驗(yàn)法適合于成品的硬度測(cè)量。3、硬度試驗(yàn)測(cè)試簡(jiǎn)便，屬非破壞性試驗(yàn)，且能反映其他力學(xué)性能，因此是生產(chǎn)最常見(jiàn)的力學(xué)性能測(cè)試法。教學(xué)章節(jié)：第二章 1.5教學(xué)內(nèi)容：金屬的工藝性能教學(xué)要求： 1、了解金屬工藝性能的概念；2、掌握金屬各項(xiàng)工藝性

19、能的影響因素及控制方法。重點(diǎn)難點(diǎn) ：工藝性能的影響因素及控制。教學(xué)過(guò)程板書(shū)設(shè)計(jì) ：金屬材料僅有良好的力學(xué)性能是不夠的， 還必須具有良好的工藝 性能，只有這樣才能得到生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、 質(zhì)量良好、本錢低廉的工件。 例如：青銅鑄造性能好，常用來(lái)鑄造精美的工藝品。鑄鐵的鑄造性能 好于鋼，鋼的鍛造性能很好。工藝性能：金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。包括：鑄 造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能。工藝性能直接影響到零件制造工藝和質(zhì)量， 是選材和制定零件工藝路 線必須考慮的因素之一。一、鑄造性能 金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力，叫鑄造性能。主要指標(biāo)：1、 流動(dòng)性：金屬熔化后的流動(dòng)能力。 作用：流動(dòng)性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺才 精確、輪廓清晰的鑄件。2、 收縮性：金屬在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象。 收縮性不僅影響尺寸精度，還會(huì)產(chǎn)生縮孔，疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形 和開(kāi)裂等缺陷。收縮率越小越好。3、偏析傾向：金屬