工程材料
2021-10-20 00:42:07 0 举报
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大纲/内容
概述：以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习
绪论
金属材料的力学性能 金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能
强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力(拉伸试验)
塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性
硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力(材料受压时抵抗局部塑性变形的能力)
冲击韧度 材料抵抗冲击载荷作用的能力
疲劳强度 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂这种过程称为金属的疲劳
断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力
耐磨性 在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力
使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）
铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力
锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力(金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好)
焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性
切削加工性能 用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示
工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等
第一章 金属材料的力学性能
晶格 通过金属原子(离子)的中心划出许多直线，形成空间格架
晶胞 能反映该晶格特征的最小组成单元
晶格参数 棱边长a、b、c 棱边间夹角α、β、γ （ a、b、c 称为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: ）
晶系 根据晶胞参数，可将所有晶体分为七种（重点下列三种）
晶格尺寸 用晶格常数表示，立方晶系只用一个数值a即可表示
原子半径 晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半
晶胞原子数 一个晶胞内包含的原子数目
配位数 晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目
致密度 晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数) 致密度越大，原子排列紧密程度越大
晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式
晶格参数 a=b=c α=β=γ=90°
晶胞原子数 2
原子半径
致密度 68%
配位数 8
体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
概念 金属原子分布在立方体的8个角上和6个面的中心。面中心的原子与该面4个角上的原子紧靠。
晶格参数 a=b=c α=β=γ=90°
晶胞原子数 4
原子半径
致密度 74%
配位数 12
面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格)
概念 span style=\"font-weight: normal;\
镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等
晶格参数 正六边形的边长a 两底面之间的距离c 相邻侧面夹角120° 侧面与底面夹角90°
晶胞原子数 6
密排六方晶格(胞) ( HCP 晶格)
通过晶体中原子中心的平面叫做晶面
平行晶面 晶面指数的一般标记为(h k l) 实际表示一组原子排列相同的平行晶面
立方晶系的晶面指数
通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做晶向
晶向指数 标记为[u v w] 表示一组原子排列相同的平行晶向
立方晶系的晶向指数
晶体中的晶面和晶向
各向异性 晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样
各向同性 非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性
金属晶体的特性
纯金属的晶体结构
空位 晶格中某结点上没有原子（有利于金属内部原子的扩散）
间隙原子 位于晶格间隙之中的原子
置换原子 金属杂质原子占据在金属晶体原子的位置
点缺陷 在三维尺度上都很小的的缺陷
刃型位错 晶体的一部分出现一个多余的半原子面。如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线
螺型位错 晶体右边的上部相对于下部向后错动一个原子间距 晶面发生错动
对于刃型位错：原子较密区域原子受到压应力。原子较疏区域原子受到拉应力。
位错导致晶格畸变，产生内应力
原子较密区域吸纳小直径的异类原子
原子较疏区域吸纳大直径的异类原子
刃型位错容易吸纳异类原子
在外力作用下，位错能产生移动
刃型位错移动的方向与切应力的方向相同
螺型位错移动的方向与切应力的方向垂直
位错具有易动性
在外力或热的作用下位错移动，正、负刃型位错能够复合而消失
正、负刃型位错复合
位错可以与间隙原子或空位复合，而使刃型位错半原子面扩大或者缩小
位错攀移
位错理论是金属材料强化的重要理论基础。 金属材料的许多强化机制都与位错有关
位错特点
位错的量 用位错线长度来表示
位错密度 单位体积中位错线的长度 ρ 为位错密度span class=\"equation-text\" data-index=\"1\" data-equation=\"m^{-2}\" contenteditable=\"false\
退火金属中位错密度为 ，强度最低
位错对性能的影响
线缺陷（位错） 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷 （由晶体中原子平面的错动引起）
亚晶界 亚晶粒之间的边界 (由位错垂直排列成位错墙构成)
在晶界、亚晶界上，晶格畸变较大，原子处于较高的能量状态
晶界处原子的平均能量比晶内高，晶粒长大和晶界的平直化可以降低晶界的总能量
在高温时，晶粒容易长大
晶界处存在较多的空位、位错，容易吸附异类原子
元素晶界偏聚
发生相变时，新相在母相的晶界处形成。 母相晶粒越细，晶界越多，新相晶粒数目就越多，晶粒越细
晶界越多，新相晶粒越细
晶界和亚晶界阻碍为位错运动，提高金属的强度
提高金属的强度和塑性
晶界、亚晶界对金属的影响
面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷
实际金属中的晶体缺陷
组元 组成合金的独立的、最基本的单元 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物
二元合金 由两个组元组成的合金 如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等
合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能比纯金属高许多
某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能
合金的应用比纯金属广泛得多
合金的基本概念
在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分 固溶体 金属化合物
按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：置换固溶体、间隙固溶体
按溶质原子在溶剂中的溶解度分：有限固溶体、无限固溶体
固溶体的分类
通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化
固溶体综合力学性能很好， 常作为结构合金的基体相
固溶体的性能 固溶强化
严格遵守化合价规律的化合物（硬度高、脆性大）
正常价化合物
不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化合物叫做电子化合物（明显金属特性）
电子浓度 化合物中价电子数与原子数之比
电子化合物
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物
间隙化合物
金属化合物的分类
一般熔点高，硬而脆
弥散强化 金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金强度、硬度和耐磨性明显提高的现象
金属化合物的性能
合金的相结构
概念 在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。材料内部所有的微观组成总称显微组织(简称组织)
化学成分 不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样
影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程
金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定
金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定
不同组织结构的材料具有不同的性能
组织与性能的关系
金属材料的组织
合金的晶体结构
第二章 金属与合金的晶体结构
工程材料
职业：本科生
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