工程材料
2021-10-20 00:42:07 0 举报适用于机械类专业的工程材料（完整版添加QQ1875582465）
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大纲/内容
绪论
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
第一章 金属材料的力学性能
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）
<b>金属材料的力学性能</b> 金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能<br>
<b>强度 </b>金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力(拉伸试验)
<b>塑性</b> 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性
<b>硬度</b> 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)<br>
<b>冲击韧度</b> 材料抵抗冲击载荷作用的能力
<b>疲劳强度</b> 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<br>这种过程称为金属的疲劳
<b>断裂韧性</b> 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力
<b>耐磨性</b> 在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力
工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等
<b>铸造性能</b> 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力
<b>锻造性能</b> 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)
<b>焊接性能</b> 金属材料对焊接加工的适应性
<b>切削加工性能</b> 用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示
<b>热处理工艺性能</b> 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力
第二章 金属与合金的晶体结构<br>
纯金属的晶体结构
<b>晶体结构</b> 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式
<b>晶格</b> 通过金属原子(离子)的中心划出许多直线，形成空间格架
<b>晶胞</b> 能反映该晶格特征的最小组成单元
<b>晶格参数</b> 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: <span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="1×10^{-10}m～7×10^{-10} m"><span></span><span></span></span> ）<br>
<b>晶系</b> 根据晶胞参数，可将所有晶体分为七种（重点下列三种）
<b>晶格尺寸</b> 用晶格常数表示，立方晶系只用一个数值a即可表示
<b>原子半径 </b> 晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半
<b>晶胞原子数 </b>一个晶胞内包含的原子数目
<b>配位数</b> 晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目
<b>致密度</b> 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
体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
<b>概念 </b>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
钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe, <912 ℃)等
<b>晶格参数</b> a=b=c α=β=γ=90° <br>
<b>晶胞原子数</b> <b>2</b><br>
<b>原子半径</b> <span class="equation-text" data-index="0" data-equation="r_原=\frac{\sqrt3}{4}a" contenteditable="false"><span></span><span></span></span>
<b>致密度 </b> 68%
<b>配位数 </b> 8
面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格)<br>
<b>概念</b> 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。
铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(γ-Fe, 912℃～1394℃)
<b>晶格参数</b> a=b=c α=β=γ=90°<br>
<b>晶胞原子数</b> 4<br>
原子半径 <span style="font-weight: normal;"><span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="r_原=\frac{\sqrt2}{4}a"><span></span><span></span></span></span>
<b>致密度</b> 74%
<b>配位数</b> 12
密排六方晶格(胞) ( HCP 晶格)<br>
概念 <span style="font-weight: normal;">12个金属原子分布在六方体的12个角上, 在上下底面的中心各分布1个原子, 上下底面之间均匀分布3个原子</span>
镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等
<b>晶格参数</b> 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° <br>
<b>晶胞原子数</b> 6
<b>原子半径</b> <span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="r_原=\frac{1}{2}a"><span></span><span></span></span>
<b>致密度</b> 74%
<b>配位数</b> 12
晶体中的晶面和晶向<br>
立方晶系的<b>晶面指数</b>
通过晶体中原子中心的平面叫做晶面
<b>标定过程 </b> <br>（1）设定一空间坐标系。原点在欲定晶面外, 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。<br>（2）以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距。<br>（3）截距取倒数。<br>（4）3个倒数按比例化为最小整数。<br> （5）将3个整数写在园括号内。<br>
<b>平行晶面</b> 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<br>
<b>晶面族</b> 在立方晶系中, 原子排列相同但在空间方向不同的晶面组成晶面族 晶面族用大括号表示, 即{h k l}<br>
立方晶系的<b>晶向指数</b>
通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做晶向
标定过程 （1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶向的一结点上。<br> （2）写出该晶向上另一结点的空间坐标值。<br> （3）将坐标值按比例化为最小整数。<br> （4）将化好的整数记在方括号内。<br>
<b>晶向指数 </b>标记为[u v w] 表示一组原子排列相同的平行晶向<br>
<b>晶向族 </b>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<u v w>
金属晶体的特性
金属晶体具有<b>确定的熔点</b> 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。熔化温度(<span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="T_0"><span></span><span></span></span>)称为熔点
金属晶体具有<b>各向异性 </b>在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同
<b>各向异性</b> 晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样<br>
<b>各向同性</b> 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
实际金属中的晶体缺陷<br>
<b>点缺陷</b> 在三维尺度上都很小的的缺陷
<b>空位</b> 晶格中某结点上没有原子（有利于金属内部原子的扩散）
<b>间隙原子</b> 位于晶格间隙之中的原子<br>
置换原子 金属杂质原子占据在金属晶体原子的位置
点缺陷造成局部<b>晶格畸变,</b> 使金属的屈服强度、电阻率增加，密度发生变化
<b>线缺陷（位错） </b>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）
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 <br>
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<br>
位错特点
位错导致晶格畸变，产生内应力
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。<br>
刃型位错容易吸纳异类原子
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
位错具有易动性
在外力作用下，位错能产生移动<br>
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
正、负刃型位错复合
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<br>
位错攀移
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
位错的量 用位错线长度来表示<br>
位错密度 单位体积中位错线的长度<span class="equation-text" data-index="0" data-equation=" ρ=\frac{∑L}{V}" contenteditable="false"><span></span><span></span></span> ρ 为位错密度<span class="equation-text" data-index="1" data-equation="m^{-2}" contenteditable="false"><span></span><span></span></span>，ΣL 为位错线总长度m, V为体积<span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="2" data-equation="m^3"><span></span><span></span></span>
位错对性能的影响
金属为理想晶体或含极少量位错时, 金属的屈服强度<span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="σ_s"><span></span><span></span></span> 很高
当含有一定量的位错时, 强度降低
退火金属中位错密度为 <span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="10^{6～8} cm^{-2}"><span></span><span></span></span> ，强度最低
形变加工时, 位错密度增加, <span class="equation-text" contenteditable="false" data-index="0" data-equation="σ_s"><span></span><span></span></span> 增高
<b>面缺陷 </b>二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷
<b>晶界</b> 晶粒与晶粒之间的接触界面 (实际金属为多晶体,每个晶粒可视为单晶体)<br>
<b>亚晶界</b> 亚晶粒之间的边界 (由位错垂直排列成位错墙构成)
晶界、亚晶界对金属的影响<br>
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、亚晶界对金属中的许多过程的进行, 具有极为重要的作用
在高温时，晶粒容易长大
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
元素晶界偏聚
晶界处存在较多的空位、位错，容易吸附异类原子
晶界越多，新相晶粒越细
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
提高金属的强度和塑性
晶界和亚晶界阻碍为位错运动，提高金属的强度<br>
晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力就越大, 塑性越好
合金的晶体结构<br>
合金的基本概念
<b>合金</b> 一种金属元素同另一种或几种其它元素, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质
<b>组元 </b>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
合金的相结构
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<br>
<b>固溶体</b> 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 A(B)：A为溶剂, B为溶质
固溶体的分类
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
固溶体的性能 <b>固溶强化</b>
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
<b>金属化合物</b> 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称为金属化合物, 也叫做中间相
金属化合物的分类
正常价化合物
严格遵守化合价规律的化合物（硬度高、脆性大）
电子化合物
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）
<b>电子浓度</b> 化合物中价电子数与原子数之比
间隙化合物
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
金属化合物的性能
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
金属材料的组织
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)
影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程
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
工艺 金属材料的化学成分一定时, 工艺过程是组织最重要的影响因素
组织与性能的关系
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
职业：本科生
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