1、工程材料与机械制造基础工程材料与机械制造基础 教学目标1.理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。2.理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。径、基本原理与方法。3.掌握常用金属工程材料和复合材料的种类、结构特点、掌握常用金属工程材料和复合材料的种类、结构特点、性能和应用，了解其应用范围。性能和应用，了解其应用范围。4.结合实例，初步具备合理选择材料、正确确定加工结合实例，初步具备合理选择材料
2、、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。方法、妥善安排加工工艺路线的能力。5.了解新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿了解新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿知识及未来材料发展方向。知识及未来材料发展方向。教学内容教学内容 1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 工程材料的性能工程材料的性能1.3 1.3 二元合金与铁碳合金相图二元合金与铁碳合金相图 1.4 1.4 金属材料金属材料 1.5 1.5 热处理热处理1.6 1.6 非金属材料非金属材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 材料
3、是人类生产和生活所必材料是人类生产和生活所必须的物质基础。须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 石器石器铁铁器器石器时代青铜器时代铁器时代由于材料的重要性，历史学由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。家根据人类所使用的材料来划分时代。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 铜铜 车车 马马 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这一书中就记载了古代的渗碳热处理等
4、工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已理方面就已经有了较高的成就。经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 龙芯龙芯联想计算机联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。目前的计算机技术。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 芯芯 片片飞机发动机叶片飞机发动
5、机叶片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 航空航天航空航天没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 前苏联在前苏联在1957年首次把人造卫星送入年首次把人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在火箭太空，令美国人震惊不已，认识到在火箭技术上落后。此后，技术上落后。此后，在十多所大学中陆续在十
6、多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约建立了材料科学研究中心，并把约2/3大大学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工程系。程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子材料。可见，和高分子材料。可见，高技术需要先进材高技术需要先进材料的支持。料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，中华民年的
7、新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。现了瓷器，并流传海外。第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜
8、兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发 第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞
9、跃的发展。国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由1949年的年的l5.8万万t上升到上升到5.5亿亿t，已连续十三年成为世，已连续十三年成为世界上钢产量第一大国界上钢产量第一大国 第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图第第1 1章章 工程材料工程材料 概述概述 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构第第1 1节节 概述概述 1.1.4 金属的结晶金属的结晶工程材料是用于制
10、造工程结构和机械零件并主要工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：按组成与结合键分：1、金属材料、金属材料 2、陶瓷材料、陶瓷材料 3、高分子材料、高分子材料 4、复合材料、复合材料1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类金属材料金属材料 以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽用量最大、属光泽用量最大、应用最广泛应用最广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀有金属稀有金属 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类铁及铁合金
11、称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类金属材料制品金属材料制品1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键为主以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类瓷和金属陶瓷三类 1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如
12、黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类高分子材料高分子材料 以分子键和共价键为以分子键和共价键为主主塑性、耐蚀性、电绝塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密缘性、减振性好，密度小度小 包括塑料、橡胶及合包括塑料、橡胶及合成纤维等成纤维等 分子键分子键共价键共价键1.1.1 工
13、程材料的分类工程材料的分类高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类复合材料复合材料 包括：包括：金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高
14、分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类现代航空发动机燃烧室温现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。强度高等优点。航空发动机航空发动机1.1.1 工程材料的分类工程材料的分类物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决
15、定了物质的性能。决定了物质的性能。原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。的结合力称为结合键。分为金属键，离子键，分为金属键，离子键，共价键和分子键。共价键和分子键。C601.1.2 材料的结合方式材料的结合方式1 金属键金属键以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属性、延展性和金属光泽光泽 用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式2 共价键共价键如金刚石如金刚石3 离子键离子键如如NaCl4 分子键（氢键）分子键（氢键）1.1.2 材料的结合方式材料的结合方式金属的结构金属的结构晶态晶态
16、非晶态非晶态SiO2的结构的结构1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要常态下金属主要以晶体形式存在。以晶体形式存在。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体和非晶体可互相转化。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。单元。2、晶格与晶胞、晶格与晶胞 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成成的三维空间格架。直
17、线的交点（原子中心）的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。阵。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶系：晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶晶格常数：晶胞个边的尺寸胞个边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用各棱间的夹角
18、用、表示表示。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构l 原子半径：晶胞中原子原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间密度最大方向上相邻原子间距的一半。距的一半。l 晶胞原子数：一个晶胞晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。内所包含的原子数目。l 配位数：晶格中与任一配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子原子距离最近且相等的原子数目。数目。l 致密度：晶胞中原子本致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。身所占的体积百分数。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构3、晶面和晶向表示方法、晶面和晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶
19、向。各方向上的原子列称晶向。晶面指数晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（弧，形式为（hkl）。）。例一例一.求截距为求截距为、1、晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（，加圆括弧得（010）例二例二.求截距为求截距为2、3、晶面的指数晶面的指数取倒数为取
20、倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（化为最小整数加圆括弧得（320）例三例三.画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为化成最小整数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为整数，加方括弧。形式为uvw。晶向指数晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：1.1.3 金属的
21、晶体结构金属的晶体结构例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指数为例二、已知晶向指数为110,画出该晶向。画出该晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接连接原点与该点的直线即所原点与该点的直线即所求晶向。求晶向。1102341.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称指数虽然不同，但原子
22、排列完全相同的晶向和晶面称作作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：111111111111:111110011101011101110
23、:110001010100:100 、1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构111111111111XZY1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构说明：说明：在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直。互垂直。遇到负指数，遇到负指数，“-”号号放在该指数的上方。放在该指数的上方。晶向具有方向性，晶向具有方向性，如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)2211101101.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构4、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，电子的相互作用而结合
24、的，称为称为金属键金属键。金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属：-Fe、Cr 、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径
25、：1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 a42r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：a面心立方晶格面心立方晶格1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构a21r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体
26、结构三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线31.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方
27、底面1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸空间三维尺寸都很小的缺都很小的缺陷。陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构5、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构a.空位：空位：晶格中某些缺晶格中某些缺排原子的空结点。排原子的空结点。b.间隙原子：间隙原子：挤进晶格挤进晶格间隙中的原子。间隙中的原子。可以可以是基体金属原子，也是基体金属原子，也可以是外来原子。可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构c.置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原
28、子取代原来原子位置的外来原子称置换原子。称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错位错：位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生晶体发生局部滑移局部滑移，滑移面上滑移区与，滑移面上滑移区与未未滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分为。分为刃型刃型位错位错和和
29、螺型位错螺型位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是缘就是刃型位错刃型位错。半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位单位体积内所包含的位错线总长度
30、。错线总长度。=S/V(cm/cm3或或1/cm2)金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2位错对性能的影响：位错对性能的影响：金属的塑性变金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途碍位错运动是强化金属的主要途径。径。减少或增加位错密度都可以提高金减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度
31、部位，宽度为，宽度为510个原个原子间距，位向差一般为子间距，位向差一般为2040。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的的小晶块。小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则原子排列不规则。熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附，外来原子易在，外来原子易在晶界偏聚。晶界偏聚。阻碍位错
32、运动阻碍位错运动，是强化部位，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得因而实际使用的金属力求获得细晶粒。细晶粒。是相变的优先形核部位。是相变的优先形核部位。显微组织的显示显微组织的显示1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构6、合金的晶体结构、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物素组成的具有金属特性的物质。质。组成合金的元素可以是全部是组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形组成合金的元素相互作用可形成不同的相。成不同的相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜1.1.3 金属的晶体
33、结构金属的晶体结构所谓相是指金属或合金中凡成分相同、所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。物两类。单相单相合金合金1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构单相单相合金合金两相两相合金合金 固溶体固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的合金中其结构与组成
34、元素之一的晶体结构相同的 相称固溶体。习惯以相称固溶体。习惯以、表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。它元素称溶质。l固溶体是合金的重要组成相，实际合金固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。合金。l按溶质原子所处位置分为置换固溶体和按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 置换固溶体置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的
35、固些结点位置所形成的固溶体。溶体。溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分呈有序分布的称布的称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织1.1.3 金属的晶体结构金属的晶体结构 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡等，而溶剂元素一般是过渡族元素。族元素。l形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r质质/r剂剂 时，无颈缩，为
36、脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 4、硬度、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度布氏硬度HBHB布氏硬度计布氏硬度计1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号
37、符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度之前的数字表示硬度值值,符号后面的数字按顺序分别表示球符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下）载荷作用下保持保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 布氏硬度布氏硬度布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件缺点：压痕大，不能用于
38、太薄件、成品件及比压头还硬的材料。及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。材料的材料的 b与与HB之间的经验关系之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(
39、h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为尺为A、B、C。1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小
40、，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕1.2.1 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能 特别提示 零零(构构)件服役的环境是多种多样的，件服役的环境是多种多样的，对于工程上的零部件绝大多数是承受动载对于工程上的零部件绝大多数是承受动载荷的作用，如汽车发动机里的连杆、曲轴荷的作用，如汽车发动机里的连杆、曲轴等部件就是这种情况。因此。研究材料的等部件就是这种情况。因此。研究材料的动载力学性能才能接近实际情况。以便为动载力学性能才能接近实际情况。以便为解决实际工程问题提供了更适合的评价方解决
41、实际工程问题提供了更适合的评价方法。法。1、冲击韧性、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 冲击试验测定原理冲击试验测定原理 2、多次冲击、多次冲击在实际中，零件经过一次冲击即发生断裂的情在实际中，零件经过一次冲击即发生断裂的情况极少。许多零件总是在很多次冲击之后才会断裂，况极少。许多零件总是在很多次冲击之后才会断裂，且所承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这且所承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这种冲击称做多次冲击。种冲击称做多次冲击。大能量一次冲击时
42、，其冲击抗力主要取决于塑大能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；而小能量多次冲击时，其多冲抗力则主要取决性；而小能量多次冲击时，其多冲抗力则主要取决于强度。于强度。1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 3、疲劳、疲劳材料在低于材料在低于 s s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。随材料承受的交变应力随材料承受的交变应力 值的下降，其断裂时应力循环次数值的下降，其断裂时应力循环次数N N值增加。值增加。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳疲劳极限极限。对称循环交变的疲劳极限
43、用。对称循环交变的疲劳极限用-1-1表示。表示。钢铁材料规定次数钢铁材料规定次数为为10107 7，有色金属合金为，有色金属合金为10108 8。疲劳应力示意图疲劳应力示意图1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 1-疲劳源、疲劳源、2-疲劳裂纹疲劳裂纹扩展区和扩展区和3-瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口示意图疲劳断口示意图金属的疲劳极限受到很金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有多因素的影响，主要有工作条件、表面工作条件、表面状态、材质、残余内应状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构力等。改善零件的结构形状，避免应力集中，形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值降低零件表面粗糙度
44、值以及采取各种表面强化以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的方法，都能提高零件的疲劳极限的疲劳极限 1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 特别提示零零(构构)件服役的环境是多种多样的，件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下工作，有的零件在低如有的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在室温下测定的性能指标温下工作，那么在室温下测定的性能指标就不能代表它在高温或低温下的性能。屈就不能代表它在高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一般温度升高，材料强度降低。般温度升高，材料强度降低。蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷
45、作用下缓蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。慢地产生塑性变形的现象。由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂变断裂 蠕变极限是指在给定温度蠕变极限是指在给定温度T(单位单位)下和规定的试下和规定的试验时间验时间t(单位单位h)内，使试样产生一定蠕变伸长量所能内，使试样产生一定蠕变伸长量所能承受的最大应力。承受的最大应力。持久强度是指材料在给定温度持久强度是指材料在给定温度T(单位单位)和规定的和规定的持续时间持续时间t(单位单位h)内引起断裂的最大应力值，内引起断裂的最大应力值，1 1高温机械性能高温机械性能1.2
46、.3材料的高、低温力学性能材料的高、低温力学性能冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限；一般都发生在较低的温度，通常发屈服极限；一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下生脆断时的材料的温度均在室温以下20；脆；脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3；发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中；发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。处。2低温机械性能低温机械性能1.2.3材料的高、低温力学性能材料的高、低温力学性能韧
47、脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。温度。材料的使用温度应高于韧脆材料的使用温度应高于韧脆转变温度。转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料
48、的质量直接有关直接有关1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击的冲击试验结果试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板1.2.2 材料的动载力学性能材料的动载力学性能 材料中总是存在缺陷，常见的缺材料中总是存在缺陷，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。力称为断裂韧性。1943年美国年美国T-
49、2油轮发生油轮发生断裂断裂裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 工程上有时会出现材料在远低工程上有时会出现材料在远低于抗拉强度的情况下发生断裂的于抗拉强度的情况下发生断裂的现象。现象。1.2.4 材料的断裂韧性材料的断裂韧性 引入一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标应力强度引入一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标应力强度因子因子23/mMN研究表明，断裂应力研究表明，断裂应力 c与裂纹长度与裂纹长度2ac之间的关系为之间的关系为 C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为为临界裂纹半长，单位为随随 或或a的增加，的增加，K1增加，当增加，当K1增大到一定值时，裂纹便失稳增大到一定值时
50、，裂纹便失稳扩展，材料发生断裂。这个扩展，材料发生断裂。这个K1的临界值就是裂纹扩展的阻力，的临界值就是裂纹扩展的阻力，称作断裂韧度，称作断裂韧度，K1c与与 s一样是材料本身的一种力学性能指标。一样是材料本身的一种力学性能指标。1.2.4 材料的断裂韧性材料的断裂韧性 1.3.1 二元合金的结晶二元合金的结晶1.1.合金的相结构合金的相结构合金合金是指由两种或两种以上元素是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成组成合金的元素相
