清华大学工程材料第五版第五章!!!
材料加工基本原理第五版1至11章课后答案
第一章习题1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点?哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏? 答:(1)液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明(2)金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明:①物质熔化时体积变化、嫡变及粉变一般都不大。
金属熔化时典型的体积变化V m/V为3%~5%右,表明液体的原子间距接近于固体,在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
②金属熔化潜热味约为气化潜热H的1/15~1/30 ,表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
由此可见,金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏,液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
2 .如何理解偶分布函数g(r)的物理意义?液体的配位数N、平均原子间距□各表示什么?答:分布函数g(r)的物理意义:距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率,换言之,表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度p (r)对于平均数密度p ° (=N/V)的相对偏差。
N 1表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。
r 1表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距,也表示某液体的平均原子间距。
3.如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序” ?试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序(包括拓扑短程序和化学短程序)。
答:(1)长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的,液体结构宏观上不具备平移、对称性。
近程有序是指相对于完全无序的气体,液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团(2)说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体,由于其粒子(分子或原子)的统计分布的均匀性,其偶分布函数g(r)在任何位置均相等,呈一条直线g(r)=1 < 晶态固体因原子以特定方式周期排列,其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。
而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1 ,表明液体存在短程有序的局域范围,其半径只有几个原子间距大小。
材料科学与工程基础第5版
材料科学与工程基础第1章、导言学习重点:仔细学过这一章后,你应当掌握以下内容:1.列出材料应用所涉及到的6种不同性质。
2.描述材料在设计、生产和应用中涉及的四要素,叙述它们之间的关系。
3.描述材料选择过程的三条重要标准。
4.(a)列出固体材料的三种主要分类,描述这三种材料各自的化学特征。
(b)记住另外三种形式的材料,以及每种的特征。
1.1 历史的回顾与展望超乎一般人的认识,材料可能是对人类文明影响最根深蒂固的一类物质。
交通运输,住房,穿衣,通讯,娱乐和食品生产,实质上、我们日常生活中的每一部分都在一定程度会受到这种或那种材料的影响。
历史上,社会的进步和发展都与人类生产和掌握某种材料满足自己的需要密切相关。
事实上,早先的文明曾按照人类开发某种材料的能力来划分时代(例如石器时代,青铜器时代等等)。
最早的人类所遇到的材料极为有限,通常是天然的土生土长的一些东西,如石头,木材,粘土,兽皮等等。
随着时代的发展,人类发现了生产材料的技术,这些人造的材料性能上优于天然材料,这类新材料包括陶瓷和各种金属。
后来人们发现通过热处理和加入其它物质可以改变这些材料的性能。
从某种意义上说,材料的应用总是伴随着一种筛选过程,也就是说,从有限的材料中筛选出其特性最适用于特定场合使用的材料。
直到近代,科学家们开始知道材料的结构组成与其性质之间的关系。
在过去60年里,人们所获得的各种知识从很大程度上已经改变了对许多材料的认识。
迄今为止,已有成千上万种具有不同特性的材料被开发出来以满足我们这个现代和复杂社会的需要,这些材料包括金属、塑料、玻璃和纤维。
技术的进步使人类的生活变得越来越舒适,而这一切又与我们所使用的材料密切相关。
人类对某一类材料认识程度的进步往往是这个时代技术革命的前奏。
例如,如果没有廉价的钢铁和其他相应材料,就不会有当今的汽车工业。
复杂电子设备的基本单元是由半导体材料构成的。
因此,我们目前的电子信息时代,它的材料基础是半导体材料。
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编,清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下:绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点:(1)体系科学合理,内容丰富新颖,实例丰富。
材料力学 第五版 第五章
15
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第四章 弯曲应力
(2) 圆截面
在等直圆杆扭转问题(§3-4)中已求得:
πd 4 Ip 2 d A A 32
d
o y
z
dA
z
y
而由图可见,ρ2=y2+z2 , 从而知
πd 4 Ip 2 d A y2 d A z2 d A I z I y A A A 32
梁横截面上的正应力公式。
My Iz
M为截面的弯矩,y为欲求应力点至 中性轴的距离,Iz为截面对中性轴的 惯性矩。 σ
x
注意: 1.当弯矩为正时,梁下部产 生拉应力;上部产生压应力; 弯矩为负时,则相反。一般用 计算正应力时,M与y均取正值, 而正应力的拉、压由观察判断。
M
12
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
max
式中,[]为材料的许用弯曲正应力。
20
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第四章 弯曲应力
对于中性轴为横截面对称轴的梁,上述强度条件可写作
M max Wz
由拉、压许用应力[t]和[c]不相等的铸铁等脆性材 料制成的梁,为充分发挥材料的强度,其横截面上的中性 轴往往不是对称轴,以尽量使梁的最大工作拉应力t,max和
2.公式是根据纯弯曲的情形导出的,但对于横向 弯曲(即剪力、弯矩均不为零的情形),也可以足 够精确地用来计算正应力。 3. 公式虽然是针对梁横截面有对称轴的情形 推出的,但对于不对称截面,公式的适用范围推 广到不对称截面梁,且外力作用面通过一个形心 主轴的情形。
13
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
2.所有的纵线都弯曲 成曲线。靠近底面的 纵线伸长,靠近顶面 的纵线缩短。而位于 中间的某一条纵线O-O ,其长度不变。
清华大学工程材料第五版第六章!!!
复合材料的复合原则
老师提示:重点内容
6.1.1 纤维增强复合材料复合原则 一、纤维增强复合材料的强化机制 纤维增强相是具有强结合键材料或硬质 材料(陶瓷、玻璃等),内部含微裂纹,易 断裂,因而脆性大; 将其制成细纤维可降低裂纹长度和出现 裂纹的几率,使脆性降低,极大地发挥增强 相的强度。
●高分子基复合材料中纤维增强相有 效阻止基体分子链的运动; ●金属基复合材料中纤维增强相有效 阻止位错运动而强化基体。
6.2
复合材料的性能特点
6.2.1 复合材料的力学性能
一、比强度和比模量
比强度 材料的强度与其密度之比。 比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高,构件的自重 就越小,或者体积会越小。 通常,复合材料的复合结果是密度大 大减小,高的比强度和比模量是复合材料 的突出性能特点。
二、抗疲劳性能和抗断裂性能 1. 很好的抗疲劳性能 ●复合材料中纤维的缺陷少,抗疲劳能 力高; ●基体的塑性和韧性好,能够消除或减 少应力集中,不易产生微裂纹; ●塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其 扩展。 例如:碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉 伸强度的70%~80%,一般金属材料却仅为 30%~50%。
3. 硼纤维树脂复合材料 硼纤维环氧树脂、硼纤维聚酰亚胺树脂 硼纤维的比强度与玻璃纤维的相近;比弹 性模量比玻璃纤维的高5倍;耐热性更高。 ●硼纤维树脂复合材料抗压强度和剪切强 度都很高(优于铝合金、钛合金),且蠕变小; ●硬度和弹性模量高,疲劳强度很高; ●耐辐射及导热极好; 应用:用于航空航天器、宇航器的翼面、 仪表盘、转子、压气机叶片、螺旋浆的传动轴
210~ 230
500~800 500~620 400~510
200~ 220
100~150
1第五章 材料加工力学基础--简_430108089
2015年春季
2015/5/17
材料加工原理
1
题外话
• 2011年诺贝尔化学奖获奖项目是什么? • 什么是准晶?晶体?非晶体?Amorphous A h state t t
– 晶体:三维周期性有序重复的原子排列,出现1、2、3、4、6次 旋转对称性,不可能出现5次及6次以上的旋转对称性。 – 非晶体:近程有序、无长程序对称性。分玻璃和其他非晶态 – 准晶:具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称的固态有序 相
2015/5/17
材料加工原理
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平板对接产生的焊接变形
2015/5/17
材料加工原理
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金属塑性成形的物理基础
• • • • • • • 金属塑性成形的特点 塑性成形工艺的分类 塑性加工时变形的分类 塑性加工时的附加应力和残余应力 金属的塑性和变形抗力 变形体的模型 塑性变形机制、加工硬化、回复、再结晶、摩擦 和润滑
2015/5/17 材料加工原理
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变形体的模型 (应力-应变曲线的简化形式)
• • • • • 理想弹塑性模型 弹塑性线性强化模型 幂强化模型 理想刚塑性模型 刚塑性线性强化模型
2015/5/17
材料加工原理
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塑性变形机制、加工硬化
• 塑性变形机制:单晶体、多晶体 – 单晶体塑性变形的主要机制是滑移和孪生。 单晶体塑性变形的主要机制是滑移和孪生 – 多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶间变形两 种方式。除了滑移和孪生外,还有晶界滑动和 除 孪生 有 迁移,以及点缺陷的定向扩散(扩散蠕变)。 • 加工硬化 – 塑性变形造成组织上的变化,组织变化产生性 能上的变化:屈服极限、强度极限、硬度等均 提高,延伸率、截面收缩率、冲击韧性均降低 ;导电性、导热性、抗腐蚀性能均降低,铁磁 金属的磁性也会发生变化。
清华大学工程材料综合题答案
第一章6、实际金属晶体中存在哪些缺陷?它们对性能有什么影响?答:点缺陷:空位、间隙原子、异类原子。
点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的电阻率、屈服强度增加,密度发生变化。
线缺陷:位错。
位错的存在极大地影响金属的机械性能。
当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度σs很高,当含有一定量的位错时,强度降低。
当进行形变加工时,为错密度增加,σs将会增高。
面缺陷:晶界、亚晶界。
亚晶界由位错垂直排列成位错墙而构成。
亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。
在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上,原子的排列偏离平衡位臵,晶格畸变较大,位错密度较大(可达1016m-2以上)。
原子处于较高的能量状态,原子的活性较大,所以对金属中的许多过程的进行,具有极为重要的作用。
晶界和亚晶界均可提高金属的强度。
晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。
8、什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?答:形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。
晶格畸变随溶质原子浓度的提高而增大。
晶格畸变增大位错运动的阻力,使金属的滑移变形变得更加困难,从而提高合金的强度和硬度。
9、间隔固溶体和间隔相有什么不同?答:合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的,且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。
间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。
间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同。
第二章1、金属结晶的条件和动力是什么?答:液态金属结晶的条件是金属必须过冷,要有一定的过冷度。
液体金属结晶的动力是金属在液态和固态之间存在的自由能差(ΔF)。
2、金属结晶的基本规律是什么?答:液态金属结晶是由生核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。
液态金属结晶时,首先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核),然后再以它们为核心不断地长大。
工程材料全面答案清华大学出版
工程材料思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1.解释下列名词点缺陷,线缺陷,面缺陷,亚晶粒,亚晶界,刃型位错,单晶体,多晶体,过冷度,自发形核,非自发形核,变质处理,变质剂。
答:点缺陷:原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小,主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷:原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大,而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷:原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大,而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒:在多晶体的每一个晶粒内,晶格位向也并非完全一致,而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块,它们相互镶嵌而成晶粒,称亚晶粒。
亚晶界:两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错:位错可认为是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。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面,多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口,故称“刃型位错”。
单晶体:如果一块晶体,其内部的晶格位向完全一致,则称这块晶体为单晶体。
多晶体:由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度:实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核:在一定条件下,从液态金属中直接产生,原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核:是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理:在液态金属结晶前,特意加入某些难熔固态颗粒,造成大量可以成为非自发晶核的固态质点,使结晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒,这种处理方法即为变质处理。
变质剂:在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种?α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构?答:常见金属晶体结构:体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格;α-Fe、Cr、V属于体心立方晶格;γ-Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格;Mg、Zn属于密排六方晶格;3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题?答:用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
清华大学化工原理05第五章传热3-课件
x
x
平均
1 L
L
O xdx
L
L dx
O x
2、垂直壁面的膜状冷凝 1)理论分析
物性=const 假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力
滞流
1
可以导出:0.943rg23/Lt4(平 均 值 )
定性尺寸:L
定性温度:膜温:12twtS,ts饱和温度
r:饱和温度下的冷凝潜热
若传热量一定,r,冷凝量,膜厚,α ρ,单位体积受力,流动快,膜厚,α λ(通过膜导热)α μ 膜厚,α Δt 传热推动力,冷凝液,膜厚,α
a)首先明确生产目的,加热,冷却
b) QW S1CP1T1T2 需 要 传 递 的 热 量
QK St
实 际 传 递 的 热 量
两者的一致性 确定所求的量。
5、基本方法 1) 对比计算法 2) 控制热阻法:
u0.8 d 0.2
0.8 0.4~0.5
忽略,K接近于小一方; 若 大>>小,小≈K 如 汽水 冷凝水
膜、滴交错
七、液体沸腾时的: 锅炉、蒸发器、再沸器 温差 容积沸腾:加热面浸于液体中 自然对流 汽泡运动 管内沸腾:一定流速流动,加热管
1、沸腾现象:
特征:有气泡产生;由加热表面首先生成; 必要条件过热
p b r2p L r22 r, pp bp L2 /r p2 /r汽 泡 生 成 , 存 在 p 由 过 热 t 造 成
t2
0
36.6 C
w S '2 c p 2t 2 t 1 w S 1 c p 2t 2 t 1
措施:
w S '2 w S 2 t t 2 2 t t 1 1 0 . 5 6 4 w S 2
w
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度,热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
(1)长石质瓷 国内外常用的日用瓷,作 一般工业瓷制品。
(2)绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 (3)骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 (4)滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 (5)高石英质日用瓷 我国研制成功,石 英含量 ≥40%,瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例:
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好,很高的热稳定性,抗热冲 击性较高;
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚,作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷,气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上,耐2300 ℃高温, 推荐使用温度2000 ℃~2200 ℃;
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法: 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相,提高机械强度和耐碱抗力;
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性; 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数;
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示:重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类,如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分: 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形 式及晶格常数的不同,表现出不同的物理、 化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线 结构分析技术进行测定。
精品课件
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示:重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上,1个原子处于 立方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
精品课件
若两个晶向的全部指数数值相同而符
号相反, 则它们相互平行或为同一原子列,
但方向相反。
如[110]与
。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]
与
可用同一个指数[110]表示。
精品课件
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族:
精品课件
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法
以晶向DA为例:
精品课件
晶向OA : [100] 晶向OB : [110] 晶向OB’ :[111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw],
表示一组原子排列相同的平行晶向。
精品课件
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。
如:(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
精品课件
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数
四指数方法表示晶面和晶向。
水平坐标轴选取互相成120°
清华大学-—工程材料综合题答案
清华⼤学-—⼯程材料综合题答案第⼀章6、实际⾦属晶体中存在哪些缺陷?它们对性能有什么影响?答:点缺陷:空位、间隙原⼦、异类原⼦。
点缺陷造成局部晶格畸变,使⾦属的电阻率、屈服强度增加,密度发⽣变化。
线缺陷:位错。
位错的存在极⼤地影响⾦属的机械性能。
当⾦属为理想晶体或仅含极少量位错时,⾦属的屈服强度σs很⾼,当含有⼀定量的位错时,强度降低。
当进⾏形变加⼯时,为错密度增加,σs将会增⾼。
⾯缺陷:晶界、亚晶界。
亚晶界由位错垂直排列成位错墙⽽构成。
亚晶界是晶粒内的⼀种⾯缺陷。
在晶界、亚晶界或⾦属内部的其他界⾯上,原⼦的排列偏离平衡位置,晶格畸变较⼤,位错密度较⼤(可达1016m-2以上)。
原⼦处于较⾼的能量状态,原⼦的活性较⼤,所以对⾦属中的许多过程的进⾏,具有极为重要的作⽤。
晶界和亚晶界均可提⾼⾦属的强度。
晶界越多,晶粒越细,⾦属的塑性变形能⼒越⼤,塑性越好。
8、什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?答:形成固溶体使⾦属强度和硬度提⾼的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原⼦的溶⼊晶格发⽣畸变。
晶格畸变随溶质原⼦浓度的提⾼⽽增⼤。
晶格畸变增⼤位错运动的阻⼒,使⾦属的滑移变形变得更加困难,从⽽提⾼合⾦的强度和硬度。
9、间隔固溶体和间隔相有什么不同?答:合⾦组元通过溶解形成⼀种成分和性能均匀的,且结构与组元之⼀相同的固相称为固溶体。
间隙固溶体中溶质原⼦进⼊溶剂晶格的间隙之中。
间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同。
第⼆章1、⾦属结晶的条件和动⼒是什么?答:液态⾦属结晶的条件是⾦属必须过冷,要有⼀定的过冷度。
液体⾦属结晶的动⼒是⾦属在液态和固态之间存在的⾃由能差(ΔF)。
2、⾦属结晶的基本规律是什么?答:液态⾦属结晶是由⽣核和长⼤两个密切联系的基本过程来实现的。
液态⾦属结晶时,⾸先在液体中形成⼀些极微⼩的晶体(称为晶核),然后再以它们为核⼼不断地长⼤。
在这些晶体长⼤的同时,⼜出现新的品核并逐渐长⼤,直⾄液体⾦属消失。
清华大学《工程材料》第5版前言
清华大学《工程材料》第5版系列教材前言工程材料课程是高等院校机类专业的一门技术基础课。
工程材料课程的任务是从机械工程的应用角度出发,阐明机械工程材料的基本理论,了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系;介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。
本课程的目的是使学生通过学习,在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上,具备根据机械零件使用条件和性能要求,对结构零件进行合理选材及制定零件工艺路线的初步能力。
由于能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱,学习并掌握工程材料的基本知识,对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。
国内外许多高等院校已把“工程材料”(或称“机械工程材料”)课程设置为机械类专业的一门十分重要的技术基础课。
本书根据高等工业学校机械工程材料教学大纲和教学要求编定,是普通高等教育“十一五”国家级规划教材,可作为高等院校学生学习工程材料课程的教材,也可供报考机械类专业和材料科学与工程类专业研究生的考生和有关工程技术人员学习、参考。
清华大学出版社出版的郑明新教授主编的《工程材料》第1版(1983年)、第2版(1991年)、朱张校教授主编的《工程材料》第3版(2001年)、朱张校、姚可夫教授主编的《工程材料》第4版(2009年)共计出版发行约30万册。
我国许多高等院校采用了这本教材。
其中《工程材料》第2版获机械部优秀教材2等奖、教育部科技进步奖3等奖;《工程材料》第3版获北京市高等教育教学成果2等奖。
《工程材料》教材被教育部列为普通高等教育“十五”、“十一五”国家级规划教材。
清华大学的工程材料课程被评为国家级精品课程、北京市精品课程。
为了适应材料学科快速发展的需要,进一步提高工程材料课程的教学水平与教学质量,本次对工程材料教材进行了较大修订。
由于本书主要供机械类专业学生使用,因此重点在于阐明各种工程材料的组织结构、性能和应用,以及正确选材和用材的基本知识。
近年来,我国的研究生教育事业发展很快,一些院校和研究单位把“工程材料”作为机械类专业研究生招生考试科目,并把清华大学的《工程材料》教材作为重要参考书。
清华大学工程材料第五版第二章!!!
2.1.2 同素异构转变 ●许多金属在固态下只有一种晶体结构。 如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低, 均为面心立方晶格。 钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。 ●有些金属在固态下,存在两种或两种以上 的晶格形式。 如铁、钴、钛等,在冷却或加热过程中,晶 格形式会发生变化。 金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转 变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变。
二、铸锭晶粒形状的影响因素
●柱状晶 由外往里顺序结晶,较致密。 柱状晶性能: 二个垂直柱状晶的接触面常有非金属夹 柱状晶性能具有明显的方向性。 杂或低熔点杂质成为弱面,在热轧、锻造时 沿柱状晶晶轴方向的强度较高。 容易开裂。 主要受单向载荷的机器零件,如汽轮机 铁、镍及其合金,不希望生成柱状晶; 叶片等,柱状晶结构是非常理想的。 熔点低、不含易熔杂质、塑性较好的金 属,即使全部为柱状晶,也能顺利地进行热 轧、热锻。铝、铜及其合金,希望铸锭得到 柱状晶结构。
2.1
纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶
金属材料要经过液态和固态的加工过程。 钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工 和热处理等工艺过程。
金属浇注、冷却 后,液态金属转变为 固态金属,获得一定 形状的铸锭或铸件。
冶炼注锭
液态金属中金属原子作不 规则运动。在小范围内,原子 会出现规则排列,称短程有序。 短程有序的原子集团是不 稳定的,瞬时出现瞬时消失。
(2)树枝状长大 冷却速度较快时,晶体的棱角和棱边的散热 快,长大较快,成为晶枝。优先形成的晶枝称一 次晶轴,在一次晶轴增长时,在侧面生出新的晶 枝,即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶 轴。 树枝状长大 结晶后得到具有树枝 状的晶体。 实际金属结晶时,晶体多 以树枝状长大方式长大。
树枝状长大的树枝状晶体
清华大学材料力学-第5章
TSINGHUA UNIVERSITY
G
圆轴扭转时横截面上的切应力
物性关系-剪切胡克定律
G
d dx
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d G G dx
圆轴扭转时横截面上的切应力
物性关系-剪切胡克定律
d G G dx
圆轴扭转时横截面上的切应力
圆轴扭转变形特征-反对称性论证圆轴扭转时横截面保持平面
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第一个结论
圆轴扭转时,横截 面保持平面,平面上 各点只能在平面内转 动
圆轴扭转时横截面上的切应力
圆轴扭转变形特征-反对称性论证圆轴扭转时横截面保持平面
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第5章 弹性杆件横截面上的切应力分析
对于实心截面杆件以及某些薄壁截面杆件,当其横截 面上仅有扭矩( Mx )或剪力( FQy 或 FQz )时,与这些内力 分量相对应的分布内力,其作用面与横截面重合。这时分 布内力在一点处的集度,即为切应力。
分析与扭矩和剪力对应的切应力方法不完全相同。对 于扭矩存在的情形,依然借助于平衡、变形协调与物性关 系,其过程与正应力分析相似。对于剪力存在的情形,在 一定的前提下,则仅借助于平衡方程。 本章重点介绍圆截面杆在扭矩作用下其横截面切应力 以及薄壁杆件的弯曲切应力分析。
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设到轴线任意远处的剪应变为(),则从图中可得 到如下几何关系: d dx
圆轴扭转时横截面上的切应力
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物性关系-剪切胡克定律
圆轴扭转时横截面上的切应力
清华大学土木工程系土力学第五章(Yu)_26508750
莫 尔 圆:代表一个单元的应力状态; 圆上一点:代表一个面上的两个应力与
p (1 3 ) / 2
q (1 3 ) / 2 r
30
§5.1 土体破坏与强度理论 1. 应力状态与莫尔圆 四、莫尔-库仑强度理论
§5 土的抗剪强度
f
直剪试验:
破坏时的莫尔圆与库仑抗剪强 度线的关系如何?为什么?
§5 土的抗剪强度
+ zx
z
1
+zx
r 2
x
O -xz
3 x
z 1
xz
p 圆心: p ( x z ) / 2 半径: r
2 ( x z ) / 2 xz 2
大主应力:
1 p r
σz按顺时针方向旋转α 小主应力: 3 p r σx按顺时针方向旋转α
2
§5 土的抗剪强度
1 3
2
f c tan
c O
3
1
c ctg
1 3
2
36
§5 土的抗剪强度
3= 常数:
1,3 x z
2
§5.1 土体破坏与强度理论
四、莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法 判别对象:土体微小单元(一点)
(2)咬合摩擦
剪切面 A B C B A C
是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时,相互咬合着的颗粒A必 须抬起,跨越相邻颗粒B,或在尖角处被剪 断(C),才能移动 土体中的颗粒重新排列,也会消耗能量
22
§5 土的抗剪强度
三、土的强度机理
§5.1 土体破坏与强度理论 2. 摩擦强度 tan
工程材料习题与辅导第五版答案
工程材料习题与辅导第五版答案工程材料习题与辅导第五版是一本非常重要的教材,它为学生提供了丰富的习题和辅导,帮助他们更好地理解和掌握工程材料的知识。
本文将对这本教材的答案进行一些讨论和解析,以帮助学生更好地应对学习中的困难。
首先,我们来看一些习题的答案。
在第一章中,有一个关于材料分类的习题。
答案应该是根据材料的组成、结构和性质进行分类。
例如,金属材料可以根据晶体结构的不同分为晶体和非晶体材料;非金属材料可以根据化学成分的不同分为无机非金属材料和有机非金属材料。
在第二章中,有一个关于晶体结构的习题。
答案应该是根据晶体的晶格结构和晶体的晶格点进行分析。
例如,简单立方晶格结构的晶格点只有一个,而体心立方晶格结构的晶格点有两个,一个在晶体的中心,一个在晶体的角上。
在第三章中,有一个关于晶体缺陷的习题。
答案应该是根据晶体的缺陷类型和缺陷的性质进行分类。
例如,点缺陷可以分为空位和杂质;线缺陷可以分为位错和螺旋位错。
在第四章中,有一个关于金属材料的力学性能的习题。
答案应该是根据金属材料的力学性能指标进行分析。
例如,强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力;韧性是指金属材料在受到外力作用下发生塑性变形的能力。
在第五章中,有一个关于非金属材料的力学性能的习题。
答案应该是根据非金属材料的力学性能指标进行分析。
例如,弹性模量是指非金属材料在受到外力作用下发生弹性变形的能力;硬度是指非金属材料抵抗外力破坏的能力。
以上只是一些例子,实际上这本教材还包含了很多其他的习题和辅导内容。
通过仔细研究和解析这些习题的答案,学生可以更好地理解和掌握工程材料的知识,提高自己的学习成绩。
除了习题的答案,这本教材还提供了一些辅导内容,帮助学生解决学习中的困难。
例如,在第六章中,有一个关于材料的加工和热处理的辅导内容。
这部分内容主要介绍了材料的加工方法和热处理方法,以及它们对材料性能的影响。
学生可以通过学习这部分内容,了解材料的加工和热处理过程,进一步理解材料的性能变化规律。
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5.2.1 氧化物陶瓷 一、氧化铝(刚玉)陶瓷
氧化铝的结构是O-2排成密排六方结构, Al+3占据间隙位置。
根据含杂质的多少, 氧化铝 呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝 宝石);
实际生产中, 氧化铝陶瓷按 Al2O3含量可分为75、95和99 等几种。
氧化铝结构
●氧化铝 熔点达2050 ℃,抗氧化性好。 Al2O3粉末压制成形、高温烧结后得到。 广泛用于耐火材料: 耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热 电偶套管。
1. 玻璃 包2. 括玻光璃学陶玻瓷璃、电工玻璃、仪表玻璃等在 内的耐3.工热工业耐程玻蚀陶璃的瓷及微建晶筑玻玻璃璃、和无日线用电玻透璃明等微无晶固玻 定璃、熔一光点般学的分玻受为璃热普陶软通瓷化陶等的瓷;非和晶特态种固陶体瓷材两料大;类。 按应用分为结构陶瓷材料与功能陶瓷材料。
玻璃制品
耐热陶瓷
●陶瓷的生产过程
特点 能抗各种金属碱性渣的作用。 缺点 热稳定性差,MgO在高温下易挥发, CaO甚至在空气中就易水化。 应用 常用作炉衬的耐火砖。
5.2.2 碳化物陶瓷
很高的熔点、硬度和耐磨性(特别是在浸 蚀性介质中)。
缺点是耐高温氧化能力差(约900℃~ 1000℃)、脆性极大。
碳化物陶瓷包括: 碳化硅 碳化硼 碳化钼 碳化钨
碳化硅陶瓷坩埚
碳化硅陶瓷密封件
二、碳化硼
●碳化硼陶瓷硬度极高,抗磨粒磨损能力 很强;熔点达2450℃。
●高温下会快速氧化,与热的或熔融黑色 金属发生反应,使用温度限定在980℃以下。
应用:主要用于作磨料,也用于制造超硬 质工具材料。
三、其它碳化物陶瓷
碳化钼 碳化铌 碳化钨 碳化锆
熔点和硬度都很高。 在2000 ℃以上的中性或还原气氛作高温 材料; 碳化铌、碳化钛还可用于2500 ℃以上的 氮气气氛中的高温材料。
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度,热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
(1)长石质瓷 国内外常用的日用瓷,作 一般工业瓷制品。
(2)绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 (3)骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 (4)滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 (5)高石英质日用瓷 我国研制成功,石 英含量 ≥40%,瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例:
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好,很高的热稳定性,抗热冲 击性较高;
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚,作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷,气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上,耐2300 ℃高温, 推荐使用温度2000 ℃~2200 ℃;
5.2.3 硼化物陶瓷 硼化铬 硼化钼 硼化钛 硼化钨 硼化锆 ●高硬度; ●较好的耐化学浸蚀能力; ●熔点范围为1800 ℃~2500 ℃; ●比碳化物陶瓷,硼化物陶瓷具有较高的抗
高温氧化性能,使用温度达1400 ℃。
应用:用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高 温器件、处理熔融非铁金属的器件等。
5.2.4 氮化物陶瓷
氮化硅陶瓷轴承滚珠
二、氮化硼陶瓷
六方氮化硼: 为六方晶体结构,也叫“白色石墨”。 ●硬度低,可进行各种切削加工; ●导热和抗热性高,耐热性好,有自润 滑性能; ●高温下耐腐蚀、绝缘性好。
用于高温耐磨材料和电 绝缘材料、耐火润滑剂等。
六方氮化硼
立方氮化硼: 在高压和1360 ℃时六方氮化硼转化为立 方β-BN。 硬度接近金刚石的硬度。 用作金刚石的代用品, 制作耐磨切削刀具、 高温模具和磨料等。
立方氮化硼陶瓷刀具
三、氮化钛陶瓷
硬度高(1800HV)、耐磨。 ●刃具表面涂层; ●耐磨零件表面涂层; ●金黄色装饰表面。
第5章 小结
1.工程陶瓷生产过程:原料制备、坯料成 形、制品烧成或烧结。
2.普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器。 普通工业陶瓷:建筑卫生瓷、电工瓷、
化学化工瓷 3. 特种陶瓷 氧化物陶瓷(氧化铝、氧化铍、氧化锆) 碳化物陶瓷(碳化硅、碳化硼、碳化钨) 硼化物陶瓷(硼化铬、硼化钼、硼化钛) 氮化硅陶瓷(氮化硅、氮化硼、氮化钛)
2、氮化硅陶瓷应用:
●反应烧结法得到的α-Si3N4用于制造各种泵 的耐蚀、耐磨密封环等零件。
●热压烧结法得到的β-Si3N4, 用于制造高温轴 承、转子叶片、静叶片以及加工难切削材料的刀
具等。
●在Si3N4中加一定量Al2O3烧制成陶瓷可制造 柴油机的气缸、活塞和燃气轮机的转动叶轮。
氮化硅陶瓷刀具
●能抗熔融金属的浸蚀,做铂、锗等金属 的冶炼坩埚和1800 ℃以上的发热体及炉子、 反应堆绝热材料等;
●氧化锆作添加剂可提高陶瓷材料的强度 和韧性。氧化锆增韧陶瓷可制造模具、拉丝 模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆 等。
四、氧化镁、氧化钙陶瓷
氧化镁、氧化钙陶瓷通常是通过加热白云石 (镁或钙的碳酸盐)矿石除去CO2而制成的。
一、碳化硅陶瓷
●密度为 3.2×103 kg/m3; ●弯曲强度为 200 MPa~250 MPa,
抗压强度为1000 MPa~1500 MPa; ●硬度莫氏9.2; ●热导率很高,热膨胀系数很小,在900 ℃~1300 ℃时慢慢氧化。 应用:主要用于制造加热元件、石墨表面 保护层、砂轮及磨料等。
氧化铝热电偶套管
●微晶氧化铝(微晶刚玉) 硬度极高(硬度莫氏9),红硬性达1200 ℃,可作切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。 很高的电阻率和低的导热率,是很好的电绝 缘材料和绝热材料。 强度和耐热强度均较高(是普通陶瓷的5 倍),是很好的高温结构材料,如可作内燃机 火花塞、空压机泵零件等。
●单晶体氧化铝 可做蓝宝石激光器;
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法: 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相,提高机械强度和耐碱抗力;
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性; 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数;
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示:重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类,如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分: 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
第5章 陶瓷材料
内容提要:
简述工程陶瓷的基本工艺过程,一般介绍普通 陶瓷(日用陶瓷、工业陶瓷)的应用。
简要阐述特种陶瓷(氧化物、碳化物、硼化物、 氮化物等陶瓷)的组成、性能特点和应用。
学习目标:
熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和 应用。
对其它陶瓷材料作一般了解。
●概述 陶瓷材料:各种无机非金属材料的通称。包括:
(1)原料制备 矿(2物)原坯料料经成拣形选、粉粹后配料、混合、磨 细得将(到3坯)坯料烧料加成。工与成烧一结定形状和尺寸并有一定机 械强干度燥和后致的密坯度料的加半热成到品高。温包,括进可行塑一成系形列、的注 浆物理成、形化、学压变制化成而形成。瓷的过程。 烧成是使坯件瓷化的工艺(1250℃~ 1450℃); 烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、致 密度很高的瓷化过程。
一、氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体。 1、性能特点 ●硬度高而摩擦系数低,有自润滑作用。 是●氮优化良硅的的耐耐磨热减温摩度材比料氧;化铝低。 抗●1氧20化0温℃度以高下于具碳有化较物高和的硼机化械物性;能和化学 稳定性,且热膨胀系数小、抗热冲击。 可●耐做各优种良无的机高酸温(结氢构氟材酸料除;外)和碱溶液浸 蚀。优良的耐腐蚀材料。
用于装饰板、卫生间装置及器具等,通 常尺寸较大,要求强度和热稳定性好。
建筑陶瓷
卫生陶瓷
二、化学化工瓷
用于化工、制药、食品等工业及实验室中的 管道设备、耐蚀容器及实验器皿等。
通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。
三、电工瓷
主要指电器绝缘用瓷, 也叫高压陶瓷。
要求机械性能高、介电 性能和热稳定性好。