金属材料与热处理教案Word格式文档下载.doc

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★难点：

金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。

一、晶体与非晶体

1、晶体：

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。

（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结晶。

）

规则几何形状

性能特点：

熔点一定

各向异性

2、非晶体：

非晶体的原子则是无规则、无次序的堆积在一起的（如普通玻璃、松香、树脂等）。

二、金属晶格的类型

1、晶格和晶胞

晶格：

把点阵中的结点假象用一序列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。

晶胞：

构成晶格的最基本单元

2、晶面和晶向

晶面：

点阵中的结点所构成的平面。

晶向：

点阵中的结点所组成的直线

由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。

（阵点（结点）：

把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。

点阵：

阵点（或结点）在空间的排列方式称

晶体。

晶胞晶面晶向

3、金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。

7个晶系14种类型

最常见：

体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格

（1）、体心立方晶格：

（体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子）。

属于这种晶格的金属有：

铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe

所含原子数1/8×

8+1=2（个）

（2）、面心立方晶格：

面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。

属于这种晶格的金属有：

Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等

8+6×

1/2=4（个）

（3）、密排六方晶格：

由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。

属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、镉（Cd）等。

所含原子数1/6×

6×

2+1/2×

2+3=6（个）

三、单晶体与多晶体

金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，

1、晶界：

晶粒间交界的地方称为晶界。

2、单晶体：

只由一个晶粒组成的晶体。

（晶格排列方位完全一致。

必须人工制作，如单晶硅。

3、多晶体：

整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。

（普通金属材料都是多晶体）

四、晶体的缺陷

1、晶体缺陷：

晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。

1）点缺陷

空位、间隙原子和置代原子

晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。

影响:

使材料强度硬度电阻增加

2）线缺陷

位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错

局部滑移而造成。

滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

使金属材料的塑性变形更加容易

3）面缺陷

晶界和亚晶界

使金属变形阻力增大，晶界越多，金属材料力学性能越好

1-2纯金属的结晶

学习目的：

★掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲线、及过冷度。

★掌握纯金属的结晶过程。

★熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。

★同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。

教学重点与难点：

★细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。

★纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。

教学过程

复习旧课：

1、晶体结构的概念。

2、常见的三种金属晶格类型。

3、晶体的缺陷。

导入新课：

金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。

一、纯金属的结晶过程

1、纯金属的冷却曲线及过冷度。

1）金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点To）下才能进行。

2）理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To-T1）。

3）金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。

（冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

2、纯金属的结晶过程

在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成、晶核长大形成枝晶来完成其结晶过程。

如课本图示。

晶核产生（形核）

长大

二、晶粒大小对金属材料的影响

（一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。

1、金属晶粒大小取决于结晶时的形核率、长大速度。

细化晶粒，则要形核率越高、长大速度越慢。

2、常用的细化晶粒的方法：

增加过冷度

变质处理

振动处理。

三、同素异构转变

1、金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。

2、具有同素异构转变的金属有：

铁、钴、钛、锡、锰等。

同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ，δ等表示。

3、纯铁的同素异构转变：

1538℃1394℃912℃

δ-Fe→γ-Fe→α–Fe

体心面心体心

4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。

其与液态金属结晶有许多相似处：

有一定转变温度，有过冷现象；

有潜热放出和吸收；

也由形核、核长大来完成。

不同处：

∵属固态相变，∴转变需较大的过冷度；

新晶核优先在原晶界处形核；

转变中有体积的变化，会产生较大内应力。

【小结】

【作业】P114、5、6

第二章金属材料的性能

★理解金属材料性能（工艺性能、使用性能）的概念、分类。

★掌握强度的概念及其种类、应力的概念及符号。

★掌握拉伸试验的测定方法；

力——伸长曲线的几个阶段；

屈服点的概念。

教学重点与难点

1、理解力——伸长曲线是教学重点；

2、强度、塑性是教学难点。

2-1金属材料的损坏与塑性变形

弯曲

零件常见损坏形式断裂

（不利）磨损

有利面：

（塑性变形）：

成型强化（改善组织性能）

一、与变形相关的几个概念

1、载荷（金属材料所受外力）

载荷可分为：

静载荷、冲击载荷、交变载荷。

2、内力

材料受外力时，为使其不变形，材料内部产生一种与外力相抗的力。

3、应力的概念。

横截面上的内力

二、金属的变形

外力作用下：

弹性变形弹-塑性变形断裂

塑性变形的影响因素：

1、晶粒位相的影响

2、晶界的作用

3、晶粒大小的影响

三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

加工硬化：

强化金属

不利面：

再加工（切屑，进一步加工）困难

2-2金属的力学性能

★了解疲劳强度的概念。

★掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。

★掌握冲击韧性的测定方法。

★布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。

教学过程：

力学性能的概念：

力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。

力学性能包括：

强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。

一、强度：

①概念：

金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。

强度的大小用应力来表示。

②根据载荷作用方式不同，强度可分为：

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。

一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

1、拉伸试样：

拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。

Do：

直径Lo：

标距长度长试样：

Lo=10do

短试样：

Lo=5do

力-伸长曲线：

如下图，以低碳钢为例

纵坐标表示力F，单位N；

横坐标表示伸长量△L，单位为mm。

（1）oe：

弹性变形阶段：

试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。

Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。

（2）es：

屈服阶段：

不能随载荷的去除而消失的变形称为。

在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。

屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

Fs称为屈服载荷

（3）sb：

强化阶段：

随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。

Fb：

试样拉伸的最大载荷。

（4）bz：

缩颈阶段（局部塑性变形阶段）

当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。

工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。

如铸铁等。

3、强度指标：

（1）屈服点：

在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。

用符号Fel表示，计算公式：

Fel=Fs/So

对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，

计算公式：

σ0.2=F0.2/So

屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。

材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。

（2）、抗拉强度:

бb材料在断前所能承受的最大应力.

бb=Fb/So

注：

零件在工作中所受的应力,不允许超过бb,否则会断裂.

∴它也是零件设计\选材的重要依据.

二、塑性：

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。

塑性由拉伸试验测得的。

常用伸长率和断面收率表示。

1、伸长率：

试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

用δ表示：

A=（l1-l0）/l0×

100%

2、断面收缩率：

试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

用ψ表示

Z=（SO-S1）/SO×

金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。

例、有一直径dO=10mm，lo=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得FS=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，l1=138mm，求：

Rel、Rm、A、Z。

解：

（1）计算SO，S1

S0=πd02/4=3.14×

102/4=78.5mm2

S1¬

=πd12/4=3.14×

5.652/4=25mm2

（2）计算σs、σb

Fel=FS/