机械工程材料

1、机械工程材料辅导资料一主 题：第0章 绪论学习时间：2013年9月30日10月6日内 容：这周我们将学习本课程课件的第0章，即绪论部分，希望通过下面内容的总结能使同学们加深对本课程的理解。一、学习要求1.掌握工程材料、材料科学的基本概念；2.掌握工程材料的分类及各类材料的性质；3.理解本门课程的教学目的、性质和学习要求；4.了解材料与材料科学的发展历史。二、主要内容（一）材料与材料科学的发展历史材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础。从日常生活用的器具到高技术产品，从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人，都是用各种材料制作而成或由其加工的零件组装而成。纵观人类历史，每当

2、一种新材料出现并得以利用，都会给社会生产与人类生活带来巨大的变化。历史学家按照人类所使用材料的种类将人类历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志之一。例如，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；没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空航天工业；没有光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。20世纪70年代，人们把材料与能源、信息并列，称为现代文明的三大支柱，而材料又是后两者的基础。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用做出过重大贡献。1. 早在公元前6000年至公元前5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制陶器，到东

3、汉时期又出现了瓷器，并流传海外。2. 4000年前的夏朝时期，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。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎质量达875千克，且饰纹优美。从湖北江陵楚墓中发掘出的两把越王勾践的宝剑，至今锋利异常，是我国青铜器的杰作。3. 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其所著天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。4. 从简单地利用天然材料、冶铜炼铁到使用热处理工艺，人类对材料的认识是逐步深入的。18世纪欧洲工业革命后，人们对材料的质量和数量的

4、要求越来越高，促进了材料科学的进一步发展。1. 1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们步入了材料的微观世界，能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来，标志着材料研究从经验走向科学。2. 1912年发现了X射线对晶体的作用并在随后用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。3. 19世纪末，晶体的230种空间群被确定，至此人们已经可以完全用数学的方法来描述晶体的几何特征。4. 1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次。5. 1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在巨大差别的问题，对于人们认识

5、材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。一些与材料有关的基础学科的发展，有力地促进了材料研究的深化。（二）材料与材料科学的基本概念1. 材料：用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础。是现代文明的三大支柱（材料、能源及信息）之一。2. 材料科学：以材料为研究对象的一门科学。它以凝聚态物理和物理化学、晶体学为理论基础，结合冶金、机械、化工等领域的研究成果，探讨材料的成分、工艺、组织结构及性能之间的内在规律，并联系具体器件或构件的使用功能要求，力求用经济合理的办法制备出有效的器件或构件。因此，材料科学是现代机械工程、电子技术和高技术工业发展的基础。它的研究内容包括：材料的化

6、学组成、组织结构与性能之间的关系，材料的形成机理和制取方法，材料物理性能的测试方法和技术，材料的损坏机理，材料的合理加工方法和最佳使用方案等。特别是材料的组织结构与性能之间的关系，是材料科学研究的重点。3. 材料科学的研究内容：l 材料的化学组成、组织结构与性能之间的关系。l 材料的形成机理和制取方法。l 材料物理性能的测试方法和技术。l 材料的损坏机理。l 材料的合理加工方法和最佳使用方案等。4. 材料的化学成分：组成材料的各元素在材料中的浓度，简称“成分”。5. 材料的组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的状态，简称“组织”。6. 材料的结构：材料中各原子的具体组合状

7、态，一般通过X射线或透射电子显微镜来研究。（三）工程材料的分类及应用工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。按照材料的组成、结合键的特点，可将工程材料分为四大类。具体内容如表1所示。1. 金属材料键合方式为“金属键”，分为黑色金属和有色金属两大类。铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料。其它金属通称为有色金属。其中，黑色金属用量占工程金属的60以上。黑色金属之外的所有金属及其合金称为有色金属。有色金属的种类很多，根据其特性的不同又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。2. 陶瓷材料是以共价键和离子键结合为主的材料，其性能特点是熔点

8、高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。陶瓷材料分为：传统陶瓷、特种陶瓷以及金属陶瓷三类。传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料为原料的陶瓷，主要用做建筑材料；特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用做工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件；金属陶瓷是金属与各种化合物粉末的烧结体，主要用做工具和模具。3. 高分子材料是以分子键和共价键为主结合的材料，具有塑性好、耐蚀性好、电绝缘性好、减震性好及密度小等特点。工程上使用的高分子材料主要包括塑料、橡胶及合成纤维等，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、航空航天等工业中有广泛应用。4. 复合材料是把两种（或两种以上）不同性质（或不同结

9、构）的材料以微观（或宏观）的形式组合在一起而形成的材料，以进一步提高材料的性能。复合材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子复合材料等。如现代航空发动机燃烧室中耐热温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有密度低、弹性好、强度高等优点。表1 材料按其组成与结合键特点分类材料名称材料组成结合键金属材料（黑色金属、有色金属）金属为主金属键为主陶瓷材料金属和非金属的化合物为主共价键和离子键为主高分子材料碳氢化合物为主共价键和分子键为主复合材料两种或两种以上上述材料的组合混合键（四）机械工程材料课程

10、的目的、性质和学习要求 随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，工程材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展，新材料也在不断地涌现。机械工程材料课程是机械类和近机类各专业的重要技术基础课，它主要是应用晶体学、物理学、化学、冶金学等学科理论和实验的最新成就，课程内容以定性描述为主，具体表现为“三多”：内容中名词、概念、术语“多”，定性描述、经验性总结“多”，需记忆性的内容、规律“多”。作为一名机械工程技术人员，时刻都会遇到有关材料及其制造加工方面的问题。无论设计一台机器设备、机械零件，还是改造、加工一套工夹具，都将面临材料的选择、应用与零件加工工

11、艺路线的制定等问题，这一切都涉及材料及其成形技术方面的问题。课程的目的是使学生获得工程材料的基本理论知识，掌握材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，了解常用材料的应用范围和加工工艺，初步具备合理选用材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。本科课程理论性和实践性都很强，基本概念多，与实际联系密切。学习时应注意联系物理、化学、工程力学及金属工艺学等课程的相关内容，并结合生产实际，注重分析、理解前后知识的整体联系及综合应用。三、重要考点多项选择题（1）在下列各项学科中，与材料科学有关的是（）。A凝聚态物理B物理化学C晶体学D冶金、机械、和化工学答案：ABCD（2）工程材料被

12、划分为金属材料、陶瓷材料等的依据是（）。A用途B组成C结合键特点D质量答案：BC（3）有色金属的种类很多，根据其特性的不同可以分为（）等。A轻金属B重金属C贵金属D稀有金属答案：ABCD（4）下列各项属于陶瓷材料性能特点的是（）。A熔点高B硬度高C耐腐蚀D脆性大答案：ABCD机械工程材料辅导资料二主 题：第1章 材料的性能学习时间：2013年10月7日10月13日内 容：这周我们将开始对本课程课件第1章的学习，即材料的性能。具体的学习内容如下：一、学习要求1.掌握材料的力学性能、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳、断裂韧性、热疲劳的概念。2.掌握材料的应力-应变曲线。3.掌握材料的物理性能：密度

13、、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性的概念；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性的概念。4.理解布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的公式、测量方式及适用范围。二、主要内容一、材料的应力-应变曲线（一）基本概念选用材料时首先要考虑材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。材料性能分为：使用性能和工艺性能两大类。1. 使用性能：材料在使用过程中所表现出来的性能。包括力学性能、物理性能、化学性能等。2. 工艺性能：材料在加工过程中所需要的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能以及切削性能等。3. 材料的力学性能：材料在外力作用下，所表现出来的力学行为。4. 变形：材料在外力作用下，将发生形状尺寸上

14、的变化，即产生变形。变形分为两大类，即弹性变形和塑性变形。5. 弹性变形：材料在外力下产生变形，当外力去除以后仍能恢复原来形状的变形。6. 塑性变形：材料在外力下产生的永久变形，而材料本身并不发生破坏的变形。（二）各类曲线1. 拉伸曲线：材料在外力作用下，力与伸长量之间的关系。图1 低碳钢的力-伸长曲线2. 工程应力应变曲线图2 低碳钢的应力-应变曲线二、强度与塑性（一）强度强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。1. 屈服强度图3 条件屈服强度的确定2. 抗拉强度抗拉强度是指材料拉伸过程中，在拉断以前能承受的最大外力所对应的应力值。反映材料抵抗断裂的能力。图4 低碳钢的力-伸长曲线（二

15、）塑性塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性质。指标为延伸率和断面收缩率。，（三）任性韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量，即拉伸曲线与横坐标所包围的面积。三、硬度硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度测试有很多种方法，如压入法、回弹法、划痕法等，工业上主要用的是压入法。压入法是将比工件更硬的物质压入工件表面，利用所得到的压痕测量工件的硬度的方法。常用的压痕法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。四、冲击韧性图5 冲击试验机五、疲劳疲劳是指构件在低于屈服强度的条件下，在交变载荷作用下发生破坏的现象。这种断裂被称为“疲劳断裂”。引起疲劳断裂的最低应力值，即疲劳强度。六、断裂韧性低

16、应力脆断是指工程上金属材料经常会出现材料在名义应力远低于屈服强度的情况下产生脆断的现象。七、热疲劳由于热循环致使温度反复变化，引起的热应力、热应变，使材料受到疲劳损伤而破坏的现象。八、材料的物理和化学性能物理、化学性能虽然不是结构设计的主要参数，但在某些特定的情况下却是必须加以考虑的因素。1. 物理性能即材料本身所具有的特性。2. 化学性能即材料在某些介质中所表现出的抵抗化学侵蚀的能力 。（一）材料的物理性能1. 密度：单位体积材料的质量。2. 熔点：材料的熔化温度。3. 热膨胀性：材料随温度的增加，体积增大的性质。4. 导热性：材料单位截面积传导热量的能力。5. 导电性：材料对电流的传导特性

17、。6. 磁性：材料在磁场中的表现出来的特性。（二）材料的化学性能1. 耐腐蚀性：材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力。2. 抗氧化性：材料在含氧环境中抵抗氧化的能力。九、材料的工艺性能工艺性能：材料在某种加工条件下，所表现出来的加工难易程度。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能以及机械加工性能等。1. 铸造性能l 铸造：将液体金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，冷却凝固以后获得毛坯、铸件或原材料的工艺方法。l 铸造性能：液体金属浇注到铸型空腔中，待冷却凝固以后获得结构完整、轮廓清晰的铸件的能力。l 铸造性能包括充型能力、收缩等。2. 锻造性能l 锻造：金属材料在外力作用下，产生变形，

18、从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯、锻件或原材料的工艺方法。l 锻造性能：金属材料在外力作用下，获得优质锻件的能力。l 锻造性能取决于金属材料的塑性和变形抗力。l 材料的塑性好、变形抗力小，则锻造性能好。3. 焊接性能l 焊接：通过加热或加压力（或同时加热并加压力），借助于原子或分子之间的结合作用，使分离的金属结合起来的工艺方法。l 可焊性：金属材料在一定的焊接方法、焊接材料、焊接规范以及结构形式的条件下，形成优质连接的难易程度。l 材料的含碳量越低，则可焊性越好。4. 切削加工性l 切削加工：借助于机械，将材料加工成零件的过程。l 切削加工性：材料被切削加工成形并得到精确的形状、尺寸

19、以及高的表面光洁度的能力。5. 热处理性能l 热处理：通过加热、保温、冷却等手段，通常在不改变外形的条件下，改变其内部组织，以获得所需性能的工艺方法。l 热处理性能：通过热处理改变材料的性能的难易程度。l 热处理性能包括淬硬性、淬透性、扩散能力等。三、重要考点多选题1下列各项中属于材料的工艺性能的是（）。A铸造B锻压C焊接D热处理答案：ABCD2材料的力学性能包括下列的（）。A强度B塑性C硬度D疲劳强度答案：ABCD3大多数材料的（）几乎相等，一般不做区分。 A弹性极限 B比例极限 C屈服极限 D抗拉强度 答案：AB机械工程材料辅导资料三主 题：第2章 材料的结构学习时间：2013年10月14

20、日10月20日内 容：这周我们将开始对本课程课件第2章的学习，即材料的结构。具体学习内容如下：一、学习要求1.掌握各类结合键的概念：离子键、共价键、金属键、分子键。2.掌握晶体结构的基本概念：包括晶格、晶胞、立方晶系的晶面和晶向表示方法。3.掌握高分子化合物的组成及大分子链的结构。4.掌握扩散的宏观规律的基本内容。5.理解各类材料的结构：金属的晶态结构与非晶态结构，陶瓷的晶相、玻璃相及气相。6.理解影响扩散的因素。二、主要内容一、原子的结合方式工程材料是由各种元素通过原子、离子或分子结合而成的。它们之间的结合力称为“结合键”。根据结合力的强弱，结合键分为强键和弱键两类：强键（离子键、共价键、金

21、属键）；弱键（分子键）；（一）离子键正负离子通过静电吸引相互接近，当离子间的引力与斥力相等时，两者之间达到平衡，而行成“离子键”。通过离子键结合的材料强度、硬度高，脆性大，是绝缘材料。多为无色透明的物体。图1 NaCl离子键的形成过程（二）共价键通过共用电子对而达到稳定结构结合的键接方式称为“共价键”。通过共价键结合的材料，同样具有强度高、熔点高、脆性大的特点。导电性依共价键的强弱而不同。图2 共价键示意图（三）金属键通过金属离子和自由电子结合而形成的键接方式称为“金属键”。由金属原子上脱离下来的最外层电子，称为“自由电子” 。它们在金属中聚集成为“电子云”，并可以自由移动。失去价电子的原子成

22、为“正离子”，通过电子云将它们连接在一起。由于电子云在金属中可以自由移动，所以金属具有良好的导电性和导热性，同时，在光照的条件下使其激发，继而产生金属光泽。当金属原子之间产生位移时，由于自由电子的存在，使原子之间不致产生破坏，因而，金属具有良好的塑性。图3 金属键示意图（四）分子键分子键又被称作“范德华键”。它是由于分子中的共价电子对非对称分布而引起的电位不均允分布，使分子在某方向上显正电性，而另一方向显负电性，继而形成偶极矩，使两个分子键接在一起。图4 分子键示意图氢键：由于氢原子只有一个电子，所以当和某个电负性很大的原子结合成分子时，电子强烈偏移，另一个方向会显示很强的正电性，当和另一个电

23、负性较大的原子相遇时，产生较强的引力，使三个原子连接在一起，形成桥接，故单独形成一种键接方式，称为“氢键或氢桥”。由于形成分子键的范德华力很弱，因而分子键结合的材料熔点和硬度均较低。又因无自由电子的存在，所以这些材料都是良好的绝缘体。二、晶体结构的基本概念（一）晶体与非晶体1. 晶体：内部原子在三维空间呈规则排列的物质。如金属、食盐、单晶硅等。2非晶体：内部原子在空间无序排列的物质。如玻璃、石蜡、松香等。3. 晶体与非晶体在某些条件下可以互相转化。4. 非晶体在适当的条件下，可以转化为晶体，称为“晶化”。晶体在适当的条件下也可出现非晶状态。5. 晶体具有固定的熔点，具有各向异性，非晶体原子混乱

24、排列，各向同性。（二）晶格为了研究原子的排列规律，把每个原子看成是一个既无大小，又无质量的几何点，称为“结点”。由结点的排列阵列称为“点阵”。将点阵中各结点用想象中的线条连接起来所得到的空间格架，称为“晶格”。（三）晶胞1. 晶胞：晶格中能够代表晶格原子排列规律的最小几何单元称为晶胞。为了表达晶胞的形状、尺寸，将晶胞放入坐标系中，单个晶胞在坐标系中的尺寸（棱边截距）、及各棱边之间的夹角，称为“晶格常数”，又称为“晶格尺寸”。晶格常数（晶格尺寸）分别用和等来描述。根据这些参数，可将晶体分为七大晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。2. 原子半径：晶体中原子最紧密排列方向上,相邻原

25、子间距尺寸的一半。3. 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的实际原子数。4. 致密度：晶胞中原子所占的体积百分数。5. 配位数：晶体中与任意原子距离相等的原子数。显然,不同结构的晶体晶胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位数越大的晶体致密度越高。（四）立方晶系的晶面和晶向表示方法1. 晶面：晶体中，由原子组成的平面称为“晶面”。2. 晶向：由原子组成的原子列的方向称为“晶向”。3. 晶面指数：表示晶面的符号称为“晶面指数”。4. 晶向指数：表示晶向的符号称为“晶向指数”。三、金属的结构金属的晶体结构包括：金属的“晶态结构”和金属的 “非晶态结构”两大类。（一）金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构金属键

26、没有方向性和饱和性，大多数金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。在纯金属中，最常见最典型的晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方结构。前两种属于立方晶系，后者属于六方晶系。2. 实际金属的晶体结构实际金属中不可避免的存在着各种缺陷。晶体缺陷对金属性能有着重要的影响。根据缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。（二）金属的非晶态结构1. 描述方法比较气态、非晶态和晶态，非晶态金属的结构与液态金属相似，原子排列没有长程的周期性。在非晶态金属中没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。2. 模型非晶态的原子结构模型多数人认为是“硬球无规密堆模型”。四、陶瓷的结构陶瓷材料

27、是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料经制坯、成型和烧结工艺加工制成的材料。陶瓷材料中的基本相及其结构要比金属复杂的多。通常由三种相组成，分别是晶相、玻璃相和气相。（一）晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相。陶瓷材料主要物理化学性质均取决于晶相。多数陶瓷材料是离子键和共价键晶体。陶瓷材料中的晶体类型及其复杂程度都超过金属晶体。晶相中的晶粒大小对陶瓷材料的性能影响很大，晶粒越细，晶界总面积越大，裂纹越不容易扩展，材料的强度越高。（二）玻璃相玻璃相是非晶态结构中的低熔点固体，其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料的致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。玻璃相的强度低、绝缘性及热稳定性差，工业陶瓷中

28、玻璃相的数量一般控制在2040。陶瓷坯体在烧结过程中还会产生一种含有复杂结构的聚合体的熔体，这种熔体的粘度很大，冷却时不利于晶体形核长大，从而转变为玻璃体。玻璃化温度：陶瓷冷却过程中，由熔体变为玻璃体的温度。软化温度：玻璃体加热时显著软化时的温度。（三）气相气相是在生产过程中形成的气孔，气孔往往是裂纹源，降低陶瓷的强度。通常除了多孔陶瓷以外，普通陶瓷的气孔率为5-10%，特种陶瓷在5%以下。五、高分子材料的结构高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子量大于的有机化合物。常称为聚合物或高聚物。实际上，高分子化合物和低分子化合物之间没有严格的区别，主要由它是否显示高分子

29、化合物的特性来判断。高分子化合物具有一定的强度和弹性，而低分子化合物则没有。高分子化合物是由简单结构单元重复连接而成。组成聚合物的低分子化合物称为“单体”，如乙烯、氯乙烯等。聚合物的分子为很长的链条，称为“大分子链”。六、扩散扩散：由浓度梯度或热运动引起的原子定向运动。固态金属中的扩散是金属固态转变的重要机制之一，也是固态加工的重要理论基础 。（一）扩散的宏观规律1.菲克第一定律菲克第一定律：在稳态扩散条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的流量，与该截面处的浓度梯度成正比。2.菲克第二定律非稳态扩散过程中，扩散物质的浓度是随时间变化的，为此菲克给出了第二方程。（二）扩散机

30、制1.空位扩散空位扩散是扩散原子通过与相邻的空位交换位置进行迁移的扩散。2.间隙扩散间隙扩散是位于晶格间隙中的原子跃迁到相邻间隙位置所引起的扩散。小原子半径的间隙原子，在间隙固溶体中的扩散就是以这种机制进行的。多数合金中，间隙扩散比空位扩散要快得多。3.其他扩散机制除了上述两种扩散机制以外，位错中心和晶界也是良好的扩散通道。三、重要考点判断题1.（ ）自然界有些物质不是由原子组成的。2.（ ）金属、食盐、单晶硅等属于非晶体。3.（ ）在非晶态金属中没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。答案：1.错；2.错；3.对。机械工程材料辅导资料四主 题：第3章 材料的凝固学习时间：2013年10月2

31、1日10月27日内 容：这周我们将开始本课程课件的第3章的学习，即材料的凝固。具体学习内容如下：一、学习要求1.掌握纯金属结晶的热力学条件，包括液体和晶体的自由能-温度曲线和纯金属的冷却曲线。2.掌握金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、决定晶粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小对金属性能的影响。3.理解纯金属的结晶过程以及同素异构转变。4.理解合金结晶二元相图的建立方式、基本类型。5.理解合金结晶中的“杠杆定律”。6.理解铁碳合金相图的分析原理以及典型铁碳合金的平衡结晶过程：工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。7.理解含碳量对铁碳合

32、金组织和性能的影响。二、主要内容一、纯金属的结晶材料由液态变为固态的过程称为“凝固”。材料的凝固分为两种类型,一种是“结晶”，另一种是“凝固”。结晶是物质内部原子由混乱排列到有序排列的转变过程，是一种相变过程。非晶体材料冷却过程中，熔融态随着温度的下降，逐渐变粘，变硬，直至完全固化成固态，这个过程称为“凝固”。（一）结晶的热力学条件热力学定义指出：在等压条件下，自然界一切自发过程，都是朝着自由能降低的方向进行的。同一物质的液体和晶体，自由能随温度变化曲线如下图所示。图1 液体和晶体的自由能-温度曲线冷却曲线表明，材料的结晶是在理论结晶温度以下，一定的过冷度条件下发生，并且是在恒定的温度下进行的

33、。图2 纯金属的冷却曲线（二）纯金属的结晶过程任何一种液体物质结晶都包括晶核生成和长大的过程。液态金属的结构是短程有序（称为“晶坯”）,长程无序的,而短程有序是时聚时散的。图3 气体、液体和晶体结构示意图1.结晶的基本过程液态金属中存在着许多晶坯，在温度以上，固相的自由能高于液相，它们时聚时散，不可能长大。在温度以下，固相自由能低于液相，这些晶坯聚集长大，经过一段时间的孕育，最后形成晶核。结晶就以这些晶核稳为核心开始长大。同时，在一个晶核长大的瞬间，其他部为也有晶核生成，并开始长大，直至晶粒间相互接触，形成晶界，结晶结束。见下图所示。图4 纯金属结晶过程示意图2.晶核的形成方式形成条件：l 热

34、力学条件：温度低于T0固相自由能低于液相。l 动力学条件：要有足够的过冷度，l 结构条件：有足够尺寸的晶坯，以形成晶核。晶核的形成方式主要有：l 自发形核（均匀形核）：完全是由液体中瞬时的短程有序原子团形成的晶核。l 非自发形核（非均匀形核）：依靠液体中存在的外来固体物质或容器壁形成的晶核。3.晶核长大方式晶核的长大方式也有两种，即均匀长大，和树枝状长大。在过冷度足够小的情况下，结晶以均匀长大方式进行，由于自由晶体表面总是能量最低的密排面，因而晶粒在结晶过程中保持着规则的外形，直至晶粒间相互接触时规则的外形才被破坏。（三）同素异构转变某些物质在固态下，随着温度的变化，可以以不同晶体结构存在的现

35、象称为“同素异构性”。由一种结晶形式转变为另一种结晶形式的过程称为“同素异构转变”。同素异构转变也是结晶过程，也遵循形核与核长大的规律。它是一个在固态下相变的过程。除锡以外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。二、合金的结晶合金：以金属元素为基础加入金属（或非金属）元素，经熔炼（或烧结）而成的具有金属性质的物质。合金的结晶过程比纯金属复杂，通常用相图（或组织图）来分析。相图合金结晶以后，随着温度的变化，成分与结晶组织之间的简明图解。由于该图是在极缓慢的冷速下测量的，故又被称为“平衡图”。（一）二元相图的建立合金按照组元的数量可以分为，二元、三元 或多元合金，最基本的是二元合金。主要介绍二元

36、合金相图，二元合金现图通常是用试验方法测出的。1. 测量二元合金相图的基本条件：l 选材要选二元合金。l 其次要在接近平衡冷速的条件下冷却。2. 二元相图的建立l 配置合金；l 分别加热、冷却，测出冷却曲线。l 找出各曲线上的临界点。如图310a。l 在温度成分坐标上绘图（做成分垂线），降临界点标在成分垂线上。l 将成分垂线上各相同意义的点连线，并标上相应的字母和数字。图中，结晶开始点的连线，称为“液相线”。结晶终了点的连线，称为“固相线”。图5 Cu-Ni合金二元相图建立示意图（二）铁碳合金的组元和相1.纯铁及铁基固溶体l 纯铁在固态下有三种同素异构体，Fe、Fe、Fe。l 通常所说的工业纯

37、铁是指室温下的Fe,它的强度、硬度低，塑性、韧性好。2. 铁与碳形成的化合物（Fe3C）称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。l 复杂斜方晶格；最高存在温度1227。l 含碳量：6.69%c；l 性能：硬而脆，HB800;、aK0;是钢中的重要强化相。三、重要考点多选题1在下列各元素中，存在同素异构转变的是（）。A铁 B锰C钴D钛2固态转变的特点包括下列的（）。A形核在特定部位发生，如晶界、晶内缺陷等B过冷倾向大C过冷倾向小D伴随体积变化，产生很大内应力3下列关于二元匀晶相图的描述，正确的是（）。A液、固相线是相区分界线B液、固相线是结晶时两相的成分变化线C匀晶转变是变温转变D结晶

38、过程中，液、固两相的成分随温度变化而变化4. 下列关于枝晶偏析的说法中，正确的是（）。A. 枝晶偏析的大小与冷却速度有关B枝晶偏析与给定成分合金的液、固相线间距有关C枝晶偏析影响合金性能D生产上常以扩散退火来消除枝晶偏析答案：1.ABCD 2.ABD 3.ABCD 4.ABCD机械工程材料辅导资料五主 题：第3章 材料的凝固学习时间：2013年10月28日11月3日内 容：这周我们将结束本课程课件第3章的学习，即材料的凝固。具体学习内容如下：一、学习要求1、掌握纯金属结晶的热力学条件，包括液体和晶体的自由能-温度曲线和纯金属的冷却曲线。2、掌握金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、决定晶

39、粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小对金属性能的影响。3、理解纯金属的结晶过程以及同素异构转变。4、理解合金结晶二元相图的建立方式、基本类型。5、理解合金结晶中的“杠杆定律”。6、理解铁碳合金相图的分析原理以及典型铁碳合金的平衡结晶过程：工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。7、理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。二、主要内容1、铁碳合金相图2、凝固组织及其控制一、铁碳合金相图铁碳合金是碳钢和铸铁的总称。含碳量0.0218c-2.11%c的称为“碳钢”。大于2.11%c，小于6.69%c的称为“铸铁”。铁碳合金相图实际上是FeFe3C相图，

40、因为含碳量大于6.69%c铁碳合金脆性过大，在工业上无意义。（一）铁碳合金的组元和相1、纯铁及铁基固溶体l 纯铁在固态下有三种同素异构体，Fe、Fe、Fe。l 通常所说的工业纯铁是指室温下的Fe，它的强度、硬度低，塑性、韧性好。l 工业纯铁的力学性能大致在：0.2=100-170MPa；b=180-270MPa；=30-50%；=70-80%，HB=50-80，aK=18-25J/cm2。l 铁素体：碳溶解在Fe中形成的固溶体，代表符号“F”。l 体心立方晶格，最高存在温度：912。l 含碳量:727；0.0218%c；室温:0.0008%C；l 显微组织：明亮的，多边形颗粒。如下图所示；l

41、性能：与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。图1 铁素体组织2、铁与碳形成的化合物（Fe3C）称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。l 复杂斜方晶格；最高存在温度1227。l 含碳量：6.69%c；l 性能：硬而脆，HB800；、aK0；是钢中的重要强化相。l 显微组织：根据析出的母相不同分别为：板状、蜂窝状、网状、片状、微量的。l 渗碳体是亚稳相，在一定的条件下发生分解： Fe3C3FeC，所分解出的单质碳称为“石墨”。这一分解在铸铁中有着重要意义。l 由于碳在Fe中的溶解度很低，所以铁碳合金常温下碳主要是以渗碳体或石墨的形式存在。（二）铁碳合金相图的分析1、FeFe3C相图

42、图2 以相组成物标注的铁碳合金相图l 图中，共有三个基本相图组成（包晶、共晶、共析相图）。l 有5个基本相：液相L、高温铁素体相、铁素体相F、奥氏体A、渗碳体相Fe3C。l 5个单相区，L、F、A、Fe3C；l 7个两相区：L、LA、LFe3C、 A、AFe3C、AF、FFe3C；ABCD液相线、AHJECF固相线；l 各特征点的温度、成分及含义见表1。表1 铁碳合金相图中各特征点的说明三条水平线（三相区）：l HJB线，包晶线（1495）l 成分范围：0.09%-0.53%c；l 发生包晶反应：L0.53+0.09A0.17；l 转变产物：奥氏体；l ECF线，共晶线（1148）l 成分范围

43、：2.11%-6.69%cl 共晶反应：L4.3A2.11Fe3C；l 转变产物：莱氏体Le（AFe3C共晶)；l 莱氏体是Fe3C基分布着A的机械混合物。显微组织形态：蜂窝状；l 性能：硬而脆（HB700）。l PSK线，共析线（727）， A1线；l 成分范围：0.0218%-6.69%c；l 共析反应：A0.77F0.0218+Fe3C共析l 反应产物：珠光体P（F0.0218+Fe3C共析）l 珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物l 显微组织：片层状l 性能：介于两相之间。2、根据母相、组织形态渗碳体可分为五种：l 一次渗碳体（由液体中直接结晶，呈板状）l 二次渗碳体（由奥氏体析出，呈网

44、状）l 三次渗碳体（由铁素体析出，微量）l 共晶渗碳体（共晶直接结晶，蜂窝状）l 共析渗碳体（共析过程析出，片状）（三）典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：1、工业纯铁（0.0218%c）显微组织铁素体晶粒，工业上很少使用。2、碳钢（0.0218%c-2.11%c）高温组织为奥氏体塑性好，适于变形加工。碳钢又分为亚共析钢(0.0218%c-0.77%c；共析钢（0.77%c）；过共析钢（0.77%c-2.11%c）三种。3、白口铸铁（2.11%c-6.69%c）特点铸造性能好，硬而脆。亚共晶白口铁（2.11%c-4.3%c）；共晶白口铁（4.3%c）；过共晶白口铁（4

45、.3%c-6.69%c）。白口铸铁通常在工业上很少直接应用，因为其硬度高，不利于机械加工，铸造性能也不如灰口铸铁。二、凝固组织及其控制对于单相合金而言晶粒的尺度对性能的影响很大，对于多相合金第二相的尺寸、形态、分布状态往往是合金性能的决定因素。此外，合金在结晶过程中的边缘效应，对结晶过程的影响，以及结晶后的组织影响也是不容小觑的。（一）晶粒度晶粒度通常是指对晶粒的大小的度量。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来评定或测定晶粒的大小。在100倍下645。16mm2面积所包含的晶粒个数N与显微晶粒度级别数G的关系为：N2G1。比较法详见GB/T63942002。（二）决定晶粒尺寸的因素结晶后晶

46、粒的尺寸决定于形核速率和长大速度。形核率：单位时间、单位体积内形成晶核的数目称为“形核率”用“N”来表示。长大速度：单位时间内晶核生长的长度。用“G”来表示。可见，N/G越大晶粒越细小。（三）控制晶粒尺寸的方法1、控制过冷度通常，冷却速度增大，过冷度增加，N/G值增大，晶粒越细。过冷度对N和G的影响见图3。图3 过冷度对形核率和长大速度的影响2、变质处理有意相液态金属中加入非自发形核物质，从而细化晶粒的方法。所加入的物质称为“变质剂”。金属不同所加入的变质剂不同。3、振动的、搅拌结晶时，通过机械振动、电磁搅拌及超声波等方法，打碎树枝晶，并输入能量，促进形核，从而细化晶粒。4、晶粒大小对金属性能

47、的影响常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属强度、硬度越高。同时，晶粒越细，可同时变形的晶粒越多，故塑性韧性越好，这被称为“细晶强化”。高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动和迁移，对强度无益。但晶粒过于粗大，易产生应力集中。因而高温下晶粒过粗，过细均无好的结果。三、重要考点判断题1、（ ）金属材料在正常条件下通常是以结晶的形式凝固的。2、（ ）凝固是物质内部原子由混乱排列到有序排列的转变过程，是一种相变过程 。3、（ ）任何一种液体物质结晶都包括晶核生成和长大的过程。答案：1、对；2、错；3、对。机械工程材料辅导资料六主 题：第四章 金属的塑性变形与再结晶学习时间：2013年11月

48、4日11月10日内 容：这周我们将结束本课程课件第4章的学习，即金属的塑性变形与再结晶。具体学习内容如下：一、学习要求1、掌握单晶体和多晶体金属的塑性变形原理。2、掌握单相固溶体合金、多相混合物合金的塑性变形与固溶强化过程。3、掌握残余内应力的概念。4、掌握冷加工与热加工的区别。5、理解冷变形金属在加热时的组织和性能变化过程曲线。6、理解再结晶温度-变形度曲线。7、理解热加工对金属组织和性能的影响。二、主要内容一、金属的塑性变形金属在外力作用下，产生“永久变形”,而不破坏的性质称为“塑性”。当外力去除以后所残留的变形称为“塑性变形”。（一）单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力P在任何晶面上都

49、可以分解成正应力和切应力，见图1。正应力只能引起弹性变形和解理断裂，只有在切应力作用下才能使金属晶体产生塑性变形。正常情况下，塑性变形有两种形式：滑移和孪生，多数情况下金属的塑性变形是以滑移形式进行的。图1 单晶体的拉伸变形（二）多晶体金属的塑性变形1、晶界与晶粒位向差的影响晶界对金属塑性变形的阻碍作用：晶界原子排列混乱，故位错移动到晶界，引起位错的塞积，要想继续使位错运动则必须增加外力，宏观上体现为变形抗力的增加，即强度增加。晶界两侧的晶粒位向差不同，位错穿过晶界进入另一个晶粒时，必引起位向上的变化，开动新的位错，使强度增加。2、多晶体金属的塑性变形过程金属滑移的不均允性和不同时性：软位向晶

50、粒首先滑移（滑移系和外力成45°角的晶粒称为“软位向晶粒”）。其他晶粒的转动和晶界的滑移：软位向晶粒滑移的同时，伴随着晶粒的转动（如前所述）带来其它较硬位向的晶粒朝着软位向的转动使得这些晶粒相继发生滑移，使塑性变形连续进行。3、晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细，晶界总面积越大，金属强度越高。晶粒越细位于软位向的晶粒越多，同时开始滑动的晶粒数越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，金属的变形量越大。故“细晶强化”既可以提高金属的强度、硬度，又可以提高金属的塑性、韧性。二、合金的塑性变形与强化就合金的组织而言，基本上可分为单相固溶体和多项混合物两种。由于合金元素的存在，使得合金的塑

51、性行为与纯金属有着显著的不同。（一）单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化固溶体合金的组织与纯金属相同，因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但由于溶质原子的存在，使晶格发生畸变，从而 产生了“固溶强化”。产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格畸变产生畸变，而且易吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错钉扎住从而是变形抗力增加。（二）多相合金的塑性变形与弥散强化当合金的由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金的基本性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属，也可以是固溶体或化合物，工业合金中的第二相多数是化合物。当第二相呈网状分布时，对

52、合金的强度和塑性都不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度和硬度，但会降低塑性和韧性；当在晶内呈颗粒状分布时，虽塑性、韧性略有下降，但强度、硬度可显著提高，而且第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，这种方法称为“弥散强化”或“沉淀强化”。弥散强化的原因：由于硬的颗粒不易被切变，从而阻碍了位错运的运动，提高了变形抗力。三、塑性变形对金属组织和性能的影响（一）塑性变形对金属组织结构的影响组织影响：晶粒沿最大变形方向被拉长；变形量足够大时，晶界变得模糊不清；使晶粒破碎形成碎晶（亚晶粒）；晶格产生畸变；如图2所示。图2 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化（二）塑性变形对金属性能的影响金属发生冷

53、塑性变形后，产生加工硬化。原因是：1、随变形量的增加，位错密度增加。使变形抗力增加；2、随变形量的增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动起阻碍作用；3、随变形量的增加，空位密度增加；4、硬位向晶粒数量增加，发生几何硬化，变形抗力增加。（三）残余内应力内应力：平衡于金属内部的应力。它是金属在外力作用下，内部不均允塑性变形而引起的。金属在塑性变形过程中，大约10的功残留在金属内部成为内应力。内应力分为三类：1、第一类内应力，又称为“宏观内应力”，平衡于金属内部一部分与另一部分之间，（如表面与心部之间）；2、第二类内应力，又称为“微观内应力”，它存在于金属内部晶粒与晶粒（或晶粒内不同区域）之间；3、第三

54、类内应力，又称为“超微观内应力”，它平衡于金属内部原子之间，是由晶格缺陷引起的畸变应力。第三类内应力是形变金属的主要内应力，也是金属强化的主要原因。第一、二类内应力都使金属的强度降低。内应力的存在，使金属的耐蚀性下降，并易引起零件在加工、淬火过程中变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。四、回复与再结晶（一）冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属冷变形之后处于不稳定状态，有自发恢复到稳定状态的趋势，但因温度低，原子扩散困难，达到暂时的平衡。一旦温度增加，是原子的扩散条件得以改善金属将依次发生回复、再结晶、晶粒长大过程，塑性变形金属加热时段的组织与性能的变化如图3所示。图3 冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图1、回复冷变形以后的金属重新加热到(0.25-0.3)T熔温度时,晶内原子就近迁移到接近平衡位置，境内缺陷减少,由塑性变形带来的第三类应力部分消除,由位错运动带来的无序状态垂直分布.形成亚晶界,这一过程称为“多边形化”,即“回复”。在回复阶段强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。在工业上这种处理方法称为“稳定化处理或定型处理” 。冷拉钢丝的低碳钢弹簧经缠绕后，要在250300条件下进行定形处理，使其定型。经深冲工艺制成的黄铜弹壳要进行260的稳定化处理，以防止以防止晶间应力腐蚀开裂等。2、再结晶当温