機(jī)械工程材料-1-3章

工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)第一頁，共135頁。第一章工程材料概論第二章金屬材料的主要性能第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第四章鐵碳合金第五章鋼的熱處理第六章常用金屬材料2第二頁，共135頁。使學(xué)生了解工程材料的基本理論和基本知識；掌握常用的工程材料的種類、性能、組織和熱處理方法；了解常用的金屬材料；具備合理選用常用工程材料的初步能力；為學(xué)習(xí)其它相關(guān)課程及以后從事機(jī)械設(shè)計(jì)和加工制造工作奠定必要的基礎(chǔ)。

課程宗旨3第三頁，共135頁。一、材料科學(xué)與工程材料

1、材料科學(xué)概論2、工程材料的分類二、材料科學(xué)發(fā)展與展望

1、材料科學(xué)的發(fā)展歷史

2、材料科學(xué)的展望4第四頁，共135頁。一、材料科學(xué)與工程材料5第五頁，共135頁。哥倫比亞號航天飛機(jī)材料、能源、信息--現(xiàn)代社會三大支柱。技術(shù)→生產(chǎn)力，材料是關(guān)鍵材料--人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)6第六頁，共135頁。主要研究內(nèi)容：⑴材料的合成與制備⑵材料的成分與組織結(jié)構(gòu)；⑶材料性能；

材料科學(xué)是研究各種固體材料的成分、組織、性能和應(yīng)用之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的一門科學(xué)。挑戰(zhàn)者號爆炸瞬間7第七頁，共135頁。2、工程材料的分類工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能、被用來制造零件和元件的材料。

工程材料儀器儀表化工機(jī)械船舶車輛建筑能源航空航天8第八頁，共135頁。工程材料碳鋼合金鋼鋼鑄鐵有色金屬及合金工程塑料合成纖維合成橡膠膠粘劑普通陶瓷特種陶瓷金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子基復(fù)合材料工程材料的分類9第九頁，共135頁。以金屬鍵結(jié)合為主

良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤。用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬---Fe、Ni、Cr、Mn有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

第十頁，共135頁。第十一頁，共135頁。12第十二頁，共135頁。以共價(jià)鍵和離子鍵為主熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大

分類傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷金屬陶瓷13第十三頁，共135頁。陶瓷制品陶瓷發(fā)動機(jī)第十四頁，共135頁。以分子鍵和共價(jià)鍵為主塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小包括塑料、橡膠及合成纖維等

分子鍵共價(jià)鍵15第十五頁，共135頁。烯丙酰氯-苯乙烯16第十六頁，共135頁。分類：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。風(fēng)電葉片金屬塑料耐磨軸承17第十七頁，共135頁。

（1）結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性等力學(xué)性能為指標(biāo)，用來制造承受載荷、傳遞動力的零件和構(gòu)件的材料。（2）功能材料是以光、聲、電、磁、熱等物理性能為指標(biāo)，用來制造特殊性能的元件的材料。按材料的使用性能分類18第十八頁，共135頁。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識，具備正確選擇材料和加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。鑄造一級渦輪盤19第十九頁，共135頁。材料是人類進(jìn)化的里程碑，生產(chǎn)中使用的材料性質(zhì)直接反應(yīng)了人類社會的文明水平。1、材料科學(xué)發(fā)展歷史材料的發(fā)展與人類社會簡圖20第二十頁，共135頁。石器鐵器

青銅器象形尊(西周)石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代21第二十一頁，共135頁。司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造高133厘米重875kg飾紋優(yōu)美第二十二頁，共135頁。生鐵炒熟鐵圖宋應(yīng)星第二十三頁，共135頁。鞍鋼第二十四頁，共135頁。中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。第二十五頁，共135頁。神舟3號神舟5號神舟8、9號第二十六頁，共135頁。1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的27第二十七頁，共135頁。Si表面的重構(gòu)圖象第二十八頁，共135頁。光鏡下電鏡下透射電子顯微鏡第二十九頁，共135頁。1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。金屬鈦中的位錯(cuò)第三十頁，共135頁。70年代，人們把材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。進(jìn)入21世紀(jì)，材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。當(dāng)前，全世界材料總數(shù)約50萬余種，新型材料則每年又以5％左右的速度遞增。材料的質(zhì)量、品種和數(shù)量就成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)、國防力量的重要標(biāo)志之一。第三十一頁，共135頁。玻璃鋼賽車殼體玻璃鋼儲液罐高分子時(shí)代半導(dǎo)體時(shí)代先進(jìn)陶瓷時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代

“材料革命”的新時(shí)代在新材料方面,我國仍處于跟蹤階段,但也有不少創(chuàng)新,從而保證了我國國防及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展?！安牧细锩钡男聲r(shí)代32第三十二頁，共135頁。龍芯沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

2、材料科學(xué)展望33第三十三頁，共135頁。在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片波音客機(jī)34第三十四頁，共135頁。35第三十五頁，共135頁。第一章工程材料概論第二章金屬材料的主要性能第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第四章鐵碳合金第五章鋼的熱處理第六章常用金屬材料36第三十六頁，共135頁。鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性

材料的性能

使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能

工藝性能第三十七頁，共135頁。

定義:

材料的力學(xué)性能是材料在一定環(huán)境因素下承受外加載荷時(shí)所表現(xiàn)出的行為，通常表現(xiàn)為抵抗變形、斷裂或表面損傷的能力。38第三十八頁，共135頁。第二章金屬材料的主要力學(xué)性能一、靜載下金屬材料的力學(xué)性能

1、彈性和塑性2、剛度3、強(qiáng)度4、硬度二、動載下金屬材料的力學(xué)性能

1、沖擊韌性

2、疲勞強(qiáng)度3、蠕變?nèi)?、金屬材料的物理、化學(xué)、工藝性能39第三十九頁，共135頁。衡量指標(biāo):彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。

靜載力學(xué)性能

動載力學(xué)性能靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。動載荷是指由于運(yùn)動而產(chǎn)生的作用在構(gòu)件上的作用力，根據(jù)作用性質(zhì)的不同分為沖擊載荷和交變載荷等。

第四十頁，共135頁。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化→變形外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。材料變形的過程三個(gè)階段：

彈性變形塑性變形斷裂41第四十一頁，共135頁。拉伸試驗(yàn)——彈性、強(qiáng)度、塑性拉伸試驗(yàn)機(jī)參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T228-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法。42第四十二頁，共135頁。圓形橫截面試樣43第四十三頁，共135頁。實(shí)驗(yàn)設(shè)備由加載機(jī)構(gòu)、夾樣機(jī)構(gòu)、記錄或輸出機(jī)構(gòu)、測力機(jī)構(gòu)四部分組成。主要分機(jī)械式、液壓式、電子萬能等類型。第四十四頁，共135頁。第四十五頁，共135頁。第四十六頁，共135頁。FbFeFsF△L低碳鋼的拉伸曲線彈性變形屈服塑性變形均勻塑性變形不均勻集中塑性變形斷裂47第四十七頁，共135頁。衡量：彈性、強(qiáng)度、塑性的指標(biāo)設(shè)：應(yīng)力:

應(yīng)變:低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第四十八頁，共135頁。1、彈性：材料在載荷的作用下發(fā)生變形，載荷去除后變形可消失而恢復(fù)原狀的性能。指標(biāo)：彈性極限e，彈性極限：試樣不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力。

49第四十九頁，共135頁。2、剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。計(jì)算公式：剛度=載荷/變形彈性模量E大→彈性變形小→剛度大剛度取決于彈性模量和工件的形狀和尺寸！同種材料的彈性模量差別不大，但制成不同零件，彈性模量雖然相同，不同截面尺寸發(fā)生彈性變形難易不同。彈性模量50第五十頁，共135頁。1.強(qiáng)度

材料在載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。種類:

屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。(1)屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度σs

材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值(二)、強(qiáng)度與塑性S點(diǎn)是材料從彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)的臨界點(diǎn)。51第五十一頁，共135頁。

（2）條件屈服強(qiáng)度σ0.2(塑性變形量為0.2%)σ0.2：試樣產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形

屈服點(diǎn)σs、屈服強(qiáng)度σ0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生的材料，用試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示，稱為條件屈服強(qiáng)度。意義同σS。52第五十二頁，共135頁。其它材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能第五十三頁，共135頁。(3)抗拉強(qiáng)度σb它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。54第五十四頁，共135頁。屈服強(qiáng)度工程意義：是防止材料因過量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材依據(jù)（絕大多數(shù)零件，如緊固螺栓、汽車連桿、機(jī)床絲杠等，在工作時(shí)都不允許明顯的塑性變形，否則將喪失其自身精度或與其它零件的相互配合受影響）?？估瓘?qiáng)度工程意義：對塑性較好的材料，b表示了材料對最大均勻變形的抗力；而對塑性較差的材料，一旦達(dá)到最大載荷，材料迅即發(fā)生斷裂；

對塑性變形要求不嚴(yán)而僅要求不發(fā)生斷裂的金屬零件b也常作為其設(shè)計(jì)與選材依據(jù)。

如鋼絲繩、建筑結(jié)構(gòu)件等第五十五頁，共135頁。定義：屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比。其取值范圍一般在0.65-0.75之間。屈強(qiáng)比越小，工程材料的可靠性越高；萬一超載也不會馬上斷裂；屈強(qiáng)比越大，材料強(qiáng)度利用率越高，但可靠性下降。56第五十六頁，共135頁。斷后伸長率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2塑性指標(biāo)為：57第五十七頁，共135頁。說明：①用斷面收縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變形。②當(dāng)l0=10d0

時(shí)，伸長率用

表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長率用5

表示。③δ<2-5%屬脆性材科δ≈5-10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料58第五十八頁，共135頁。當(dāng)零件遭受意外過載或沖擊時(shí)，通過塑性變形和加工硬化的配合可避免發(fā)生突然斷裂；當(dāng)零件因存在臺階、溝槽、油孔及表面粗糙不平的現(xiàn)象而出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，通過塑性變形可緩和應(yīng)力集中的作用，從而防止零件出現(xiàn)早期破壞；材料具有一定的塑性可保證某些成形工藝(如冷沖壓、軋制、冷彎、校直、冷鉚)和修復(fù)工藝(如汽車外殼或擋泥板受碰撞而凹陷)的順利進(jìn)行；對于金屬材料，塑性指標(biāo)還能反映材料的冶金質(zhì)量的好壞，是材料生產(chǎn)與加工質(zhì)量的標(biāo)志之一。材料的塑性指標(biāo)一般不直接用于機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算59第五十九頁，共135頁。（三）硬度

—是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV常用測量硬度的方法

硬度愈高，表明金屬抵抗局部塑性變形的能力愈大，塑性變形愈困難。60第六十頁，共135頁。1布氏硬度HB布氏硬度計(jì)用一定的壓力P=3000Kgf，將直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測材料的表面，保持一定時(shí)間(10-60S)后卸除載荷，以載荷P與壓痕表面積S的比值，作為布氏硬度值，用HB表示,MPa或kgf/mm2

第六十一頁，共135頁。壓頭為淬火鋼球時(shí)，硬度用符號HBS表示；適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，硬度用符號HBW表示；

適用于布氏硬度在450-650的材料。如

120HBS10/1000/30

表示直徑為10mm的鋼球在1000gf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度值的表示方法為：硬度值+HBW（S）+球直徑+試驗(yàn)力數(shù)字+與加載時(shí)間第六十二頁，共135頁。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量:退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB第六十三頁，共135頁。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)壓頭（頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的鋼球

）壓入試樣表面，然后根據(jù)壓痕的深度來確定試樣的硬度。壓痕越深，硬度越低。64第六十四頁，共135頁。洛氏硬度用符號HRC表示，每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位，洛氏硬度用于測量的硬度范圍為20-67，而且壓痕小，幾乎不損傷工件，可用于成品件硬度檢測。第六十五頁，共135頁。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕HRC

用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。66第六十六頁，共135頁。維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕壓頭錐面角為136°的金剛石四棱錐體第六十七頁，共135頁。維氏硬度用符號HV表示，適于測定薄件和經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，如滲碳層、表面淬硬層、電鍍層等的硬度。維氏硬度測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓痕小維氏硬度值的表示方法為：硬度值+HV+試驗(yàn)力數(shù)字+與規(guī)定時(shí)間(10～15s)640HV30/20第六十八頁，共135頁。各種硬度試驗(yàn)條件不同，適用于不同硬度的材料，各硬度間沒有換算公式。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，有如下?lián)Q算關(guān)系：

1HBS=10HRC1HBS=1HV69第六十九頁，共135頁。注：以上所講的力學(xué)性能指標(biāo)的應(yīng)用彈性：在設(shè)計(jì)彈性零件時(shí)，需考慮彈性極限和彈性模量的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等。剛度：零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮零件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零部件。強(qiáng)度：強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。塑性：一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾動軸承等。第七十頁，共135頁。

是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo):

沖擊韌性

ak(沖擊實(shí)驗(yàn)測得)

（1）沖擊韌性71第七十一頁，共135頁。

3040(a)沖擊h試樣擺錘

H55108551080.2材料的沖擊韌度第七十二頁，共135頁。ak＝[G(H-h)/F]*9.8J/cm2G-擺錘質(zhì)量H-擺錘舉至高度h-擺錘下降后升至高度F-斷口處截面積73第七十三頁，共135頁。沖擊韌度值：

ak=

(J/cm2)W----沖擊試樣所消耗的功。A------試樣缺口處的橫截面積。WA第七十四頁，共135頁。建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)75第七十五頁，共135頁。Titanic近代船用鋼板76第七十六頁，共135頁。交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷77第七十七頁，共135頁。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)間工作，當(dāng)交變載荷值遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度時(shí)，零件就發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂特點(diǎn)：斷裂是突發(fā)的，事先無明顯塑性變形，低應(yīng)力脆斷；危險(xiǎn)性極大。78第七十八頁，共135頁。疲勞抗力指標(biāo)：——疲勞極限，又稱疲勞強(qiáng)度，用σ-1表示。

材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力σmax，即疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。79第七十九頁，共135頁。通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）80第八十頁，共135頁。金屬材料的力學(xué)性能在高溫下會發(fā)生改變；隨著溫度升高，彈性模量E，屈服強(qiáng)度σs、硬度會下降，塑性會提高，會產(chǎn)生蠕變；蠕變：金屬材料在高溫長時(shí)間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度，也會逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形，直到斷裂。81第八十一頁，共135頁。1、物理性能

密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等；機(jī)械零件用途不同，對材料物理性能要求也不同：飛機(jī)、汽車、電纜物理性能對熱加工工藝也有一定影響：高速鋼導(dǎo)熱性差，鍛造時(shí)分段加熱，避免產(chǎn)生裂紋；錫基軸承合金、鑄鐵、鑄鋼熔點(diǎn)不同，三者熔煉工藝不同。82第八十二頁，共135頁。2、化學(xué)性能

常溫或高溫抵抗各種活性介質(zhì)（酸、堿、鹽、氣體）等侵蝕的能力；腐蝕介質(zhì)或高溫下工作的零件，腐蝕更強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)時(shí)注意兩方面：（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)腐蝕裕量；（2）選擇合適的耐蝕材料。83第八十三頁，共135頁。3、工藝性能

材料冷熱加工的難易程度，是材料物理、化學(xué)和力學(xué)性能在加工過程中的綜合反映；按工藝方法分類：

鑄造性、成形加工性、焊接性、切削加工性設(shè)計(jì)與選擇加工方法時(shí)要考慮材料的工藝性能：灰鑄鐵：鑄造和切削加工性能好，但焊接和成形性差；

低碳鋼焊接性、成形性優(yōu)良，高碳鋼焊接和切削性差。84第八十四頁，共135頁。第一章工程材料概論第二章金屬材料的主要性能第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第四章鐵碳合金第五章鋼的熱處理第六章常用金屬材料85第八十五頁，共135頁。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、晶體概念2、常見的金屬晶體3、晶體結(jié)構(gòu)的致密度二、實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)

1、多晶體結(jié)構(gòu)

2、晶格缺陷

三、金屬的結(jié)晶

1、金屬的結(jié)晶過程2、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3、金屬鑄錠的組織特點(diǎn)86第八十六頁，共135頁。按原子排列物質(zhì)聚集形態(tài)氣態(tài)液態(tài)固態(tài)晶體非晶體87第八十七頁，共135頁。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體金剛石、NaCl、冰等。液體第八十八頁，共135頁。

金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。（金屬正離子浸沒在自由電子云中）89第八十九頁，共135頁。特點(diǎn)：電子共有化，無飽和性，無方向性，形成低

能量密堆結(jié)構(gòu)。良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的塑性變形能力、金屬材料的強(qiáng)度和韌性好、

不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

90第九十頁，共135頁。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶體概念

是由原子（分子、離子或原子團(tuán)）在三維空間呈有規(guī)則、周期性重復(fù)排列而成（長程有序）；各向異性具有固定的熔點(diǎn)Cu3Au91第九十一頁，共135頁。原子排列--剛球模型原子中心位置第九十二頁，共135頁。93第九十三頁，共135頁。晶體結(jié)構(gòu)：

陣點(diǎn)是代表單個(gè)原子（離子或分子）時(shí)所構(gòu)成的空間陣列晶格：將晶體點(diǎn)陣中的陣點(diǎn)用平行的直線連接起來，構(gòu)成三維幾何格架晶面：各種方位原子面晶向：任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間連線晶格第九十四頁，共135頁。晶胞晶胞：構(gòu)成晶格的最基本幾何單元（最小平行六面體）第九十五頁，共135頁。晶胞不同位置的原子由不同數(shù)目的晶胞分享：頂角原子：1/8棱上原子：1/4面上原子：1/2晶胞內(nèi)部：1第九十六頁，共135頁。1.以某一頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)2.三個(gè)棱邊為a、b、c3.三軸間夾角α、β、γ點(diǎn)陣常數(shù)晶體參數(shù)晶胞的大小和形狀的表示方法XYZabc單位：?，1*10-10m97第九十七頁，共135頁。2、常見的金屬晶格金屬晶體以金屬鍵結(jié)合，其晶體結(jié)構(gòu)比較簡單。

面心立方

fcc最常見金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方

bcc

密排六方

hcp98第九十八頁，共135頁。面心立方Facecenteredcubic--fcc體心立方Bodycenteredcubic--bcc密排六方Hexagonalcenteredpacked--hcp第九十九頁，共135頁。每個(gè)晶胞含4個(gè)原子第一百頁，共135頁。每個(gè)晶胞含2個(gè)原子第一百零一頁，共135頁。

密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，有六個(gè)呈長方形的側(cè)面和兩個(gè)呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個(gè)晶格常數(shù)表示。一個(gè)是柱體的高度c，另一個(gè)是六邊形的邊長a，在晶胞的每個(gè)角上和上、下底面的中心都排列一個(gè)原子，另外在密排六方晶格中間還有三個(gè)原子。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn

。第一百零二頁，共135頁。晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2配位數(shù)：12致密度：0.74第一百零三頁，共135頁。（1）晶胞中的原子數(shù)1）面心立方結(jié)構(gòu)

2）體心立方結(jié)構(gòu)3）密排六方結(jié)構(gòu)fccbcchcp第一百零四頁，共135頁。（2）致密度：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù),可用來表征原子排列的緊密程度面心立方：體心立方：密排六方：n晶包內(nèi)原子數(shù),V晶包體積R原子半徑第一百零五頁，共135頁。單晶體：晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體在不同晶面和晶向的力學(xué)性能不同，稱為各向異性；實(shí)際上，常使用的金屬材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構(gòu)成；晶粒：組成晶體的小結(jié)晶顆粒。晶粒間的交界為晶界；亞晶粒：在一個(gè)晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更?。?-2°）的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。1、多晶體結(jié)構(gòu)第一百零六頁，共135頁。第一百零七頁，共135頁。多晶體：由兩顆以上晶粒組成的晶體為多晶體。晶界是相鄰兩晶粒不同晶格位向的過渡區(qū)，所以晶界上原子排列是不規(guī)則的。第一百零八頁，共135頁。晶粒的尺寸，鋼鐵材料一般為10-1-10-3mm左右，所以必須在顯微鏡下才能觀察；在顯微鏡下觀察到的晶粒形態(tài)、大小及分布情況，叫顯微組織；109第一百零九頁，共135頁。根據(jù)晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論，晶體的主要特征是其結(jié)構(gòu)基元作點(diǎn)陣式周期性排列，但實(shí)際晶體總是或多或少地偏離了嚴(yán)格的周期性，而存在著各種各樣的缺陷．點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷110第一百一十頁，共135頁。（1）點(diǎn)缺陷：在三維空間的各個(gè)方向上尺寸都很小,尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺度，稱零維缺陷。典型代表有空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等。第一百一十一頁，共135頁?？瘴唬褐肝幢辉诱紦?jù)的晶格結(jié)點(diǎn)?？瘴坏谝话僖皇?，共135頁。間隙原子：指處于晶格間隙位置的間隙原子。間隙原子第一百一十三頁，共135頁。第一百一十四頁，共135頁。

空位產(chǎn)生后，其周圍原子間的相互作用力失去平衡，因而它們都要朝著空位中心作一定程度的松弛（調(diào)整），使空位周圍出現(xiàn)彈性畸變區(qū)。第一百一十五頁，共135頁。

在間隙原子周圍也會產(chǎn)生彈性畸變區(qū)。從空位和間隙原子附近的原子組態(tài)來分析，間隙原子引起的彈性畸變要比空位引起的畸變大的多，因此間隙原子濃度比空位濃度低得多。第一百一十六頁，共135頁。點(diǎn)缺陷的運(yùn)動方式：（1）空位運(yùn)動（2）間隙原子遷移（3）空位與間隙原子相遇，兩缺陷同時(shí)消失（4）逸出晶體到表面，或遷移到晶界，點(diǎn)缺陷消失在一定溫度下，晶體中空位和間隙原子不是固定不動的，而是處于不斷的運(yùn)動和變化中，這是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式之一，對熱處理和化學(xué)處理過程極為重要。第一百一十七頁，共135頁。

（2）線缺陷：在兩個(gè)方向尺寸很小，另一個(gè)方向延伸較長，又稱為一維。位錯(cuò)是典型的線缺陷，是一種非常重要的缺陷。第一百一十八頁，共135頁。位錯(cuò)線額外半原子面習(xí)慣上，把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┳”表示。第一百一十九頁，共135頁。（3）面缺陷：在一個(gè)方向尺寸很小，另兩個(gè)方向擴(kuò)展較大，又稱二維缺陷。如晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)等。

多晶材料PolycrystallineMaterial第一百二十頁，共135頁。顯微組織的顯示多晶體中存在晶界和亞晶界，晶界和亞晶界處原子不規(guī)則排列，導(dǎo)致晶格畸變，使晶界處能量高出晶粒內(nèi)部，使晶界表現(xiàn)出與晶粒內(nèi)部不同的性能。晶界易被腐蝕；晶界熔點(diǎn)低；晶界處原子擴(kuò)散快；相變時(shí)晶界優(yōu)先形核；細(xì)晶相變溫度低；晶界強(qiáng)度、硬度較晶內(nèi)高。第一百二十一頁，共135頁。結(jié)晶：液體晶體；凝固：液體固體（晶體或非晶體）晶體液體結(jié)晶三、金屬的結(jié)晶

122第一百二十二頁，共135頁。

金屬溶液要凝固，就必須使其溫度降低至理論凝固溫度以下。純金屬實(shí)際開始凝固溫度Tn總是低于理論凝固溫度T0

，這種現(xiàn)象稱為過冷。T0與Tn之差△T，成為過冷度。△T不是恒定值，冷卻速度越大，過冷度也越大。過冷現(xiàn)象和過冷度金屬的冷卻曲線123第一百二十三頁，共135頁。液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶晶核：液態(tài)金屬冷到Tm以下某溫度Tn開始結(jié)晶