前言、晶体学教材

机械工程材料及热处理许令峰机械与电子工程学院绪论一、材料和材料科学二、工程材料的分类三、工程材料的应用和发展四、《机械工程材料》课程的性质和任务一、材料和材料科学1、材料哥伦比亚号航天飞机材料是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机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.

龙芯没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。

在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机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，称作现代文明的三大支柱之一。

前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料.可见，高技术需要先进材料的支持.

前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭TITANICTITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关!!!哥伦比亚号航天飞机失事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。公元前6000～5000年，陶器。商朝司母戊鼎古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨/年上升到现在的5亿吨/年。

中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、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跃的发展。1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的1932年发明了电子显微镜，高分辨率电镜（HighResolutionElectronMicroscopy,HREM）直接观察晶体中原子的规则排列。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的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错2、材料科学主要研究内容：⑴研究材料的化学组成、结构与性能的关系；⑵研究材料的形成机理和制取方法；⑶研究材料物理性能的测试方法和技术；⑷分析材料的损坏机理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。材料科学是以材料为研究对象的一门科学。“挑战者号”爆炸瞬间二、工程材料的分类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。按组成与结合键分：

1、金属材料

2、高分子材料

3、陶瓷材料

4、复合材料金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛。黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属

金属键金属材料制品陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类传统陶瓷又称普通陶瓷,是以天然材料(如黏土、石英、长石等)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，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料

以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等

分子键共价键高分子材料在机械、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。

烯丙酰氯-苯乙烯复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合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。玻璃纤维增强高分子复合材料现代航空发动机燃烧室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，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机三、工程材料的应用和发展机械工业是材料应用的重要领域。

随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘四、机械工程材料课程的性质和任务课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课课程任务：

⑴

了解工程材料的一般知识；

⑵建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：工艺-组织-性能之间关系的例子Steelwith0.4%C

①化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。②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情景。习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织或宏观组织。放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织.在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。钢的宏观组织、显微组织和电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织③结构：材料中各原子的具体组合状态.一般通过X-射线衍射或透射电镜研究.Al的高分辨透射电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点⑶了解常用材料的用途和加工工艺。⑷初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。

课程特点：基本概念多，与实际联系紧密,是一门应用科学。第一章金属材料的机械性能强度高加工性好成本低广泛使用于机械、建筑、国防等领域一、强度与塑性强度：是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

屈服点

:试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；

:试样原始截面积，

抗拉强度

：试样在拉断前所承受的最大载荷，N：试样原始截面积，金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。塑性：是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。伸长率断面收缩率:试样原始标距长度，mm:试样拉断后，断口处截面积，:试样的原始截面积，:试样拉断后的标距长度，mm低碳钢拉伸曲线

二、硬度硬度—金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。常用的硬度有：1.布氏硬度HB**见图1-3布氏硬度法**用钢球为压头：HBS,常用范围HBS﹤450布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重复性好，但较费时，不宜成品检验。**用硬质合金为压头：HBW表示，较少用。

布氏硬度试验原理图

适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。2.洛氏硬度HR根据压头形式和载荷不同有三种标度（HRA,HRB,HRC），能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC应用最广，可用于测硬度很高的材料。三、韧性韧性—金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。:冲击韧度（冲击值）:冲断试样所消耗的冲击功，J:试样缺口处的截面积，金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。夏比冲击试验

1.试验原理

式中：Ak—折断试样所消耗的冲击功（J）

A—试样断口处的原始截面积（cm2）

对于脆性材料试样一般不开缺口冲击韧度αK=AK/A

四、疲劳强度疲劳强度—机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用表示。第二章金属的晶体结构与结晶现代使用的材料绝大部分是晶态（Crystalline）材料。晶态材料包括单晶材料、多晶材料、微晶材料和液晶材料等。我们日常使用的各种金属材料大部分是多晶材料。

天然晶体具有规则外形和宏观对称性。高分辨率电镜（HighResolutionElectronMicroscopy,HREM）直接观察晶体中原子的规则排列。主要内容纯金属典型晶体结构类型及特征；合金相的基本特征；实际金属晶体中的缺陷；纯金属结晶的基本概念。第一节晶体及晶体的特性物质结晶状态的本质特征是：结构基元在空间呈不随时间变化的三维周期排列，它决定了晶体的宏观和微观物理性质。不具有这种特性的物质例如石蜡、玻璃等是非晶态物质。有一些有机高聚合物，它们的结构基元具有一维或二维的近似长程有序排列，其性质介于晶体和非晶体之间，这种物质称为液态晶体，简称液晶（Liquid−crystal）。晶态物质可以由多个晶体组成，由许多取向不同单晶体晶粒随机排列的组合称多晶体（Polycrystal），各个晶粒之间有晶界分隔开。当晶粒颗粒尺度很小（约为微米级）时称为微晶（Crystallite）。一、物质状态二、晶体材料的特性（1）均匀性（Homogeneity）—晶态物质任意部分的所有性质是完全相同的，这就是均匀性。（2）各向异性（Anisotropy）—晶体的标量性质（例如相对密度、热容量等）和晶体的取向无关；矢量性质（例如热导率、磁导率、光折射率等）（例如介电系数、弹性系数、扩散系数等）和晶体的取向有关，就是各向异性。（3）对称性（Symmetry）—晶体的各向异性是指晶体的性质在某些不同的、不连续变化或间断的方向上存在着有规律的等同性，这就是晶体对称性的表现。对称性的概念是自然科学中最普遍最基本的概念之一。第二节金属的晶体结构

一、纯金属的典型结构模型

由于金属键不具有饱和性和方向性，使金属的晶体结构倾向于最大限度填满空间，即最紧密堆垛。

晶体是由结构基元(原子、分子、离子等）在空间呈不随时间变化的规则的三维周期排列而形成的，在研究结构基元周期排列的规律性时，往往把结构基元抽象为一个几何点。这样，结构基元的三维周期排列就被抽象为点的三维周期排列（称空间点阵）。研究结构基元的三维周期排列规律就可以转化为研究点的三维周期排列规律。晶胞：晶体点阵的一个基本单元。晶格常数：三个棱边长用a、b、c表示，大小以埃为计量单位。三个棱边之间的夹角用α、β、γ表示。

金属原子刚性球体，以的形式堆砌最密集原子面：每个球周围都有六个球与其相切。次密集原子面：每个球周围都有四个球与其相切。三个密集方向二个密集方向原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。配位数：是晶格中与任一原子处于等距离且相距最近的原子数目。致密度：金属晶胞中的全部原子的体积占晶胞总体积的百分数,它是衡量堆垛紧密程度的。晶向：晶向是晶格中各种原子列的位向，晶向指数即是用来描述晶向的一种符号。以[u.v.w]表示。晶面：晶面是指各种不同方位上的原子面，而用来描述晶面位置的符号称为晶面指数。以（h.k.l）表示。原子堆积模型晶胞模型密集六方结构原子密排面1.面心立方和密集六方面心立方，FCC─facecentredcubic

密集六方，HCP─hexagonalclose-packed面心立方结构面心立方堆垛方式密排六方堆垛方式密集面面心立方，以立方体的体对角线为法线的原子面密集六方，立方体的底面（每一层）配位数面心立方密集六方12个，其中同一层中6个近邻原子，上下层中各有3个近邻原子致密度：原子占总体积74％面心立方的密排面为{111}密排方向<110>面心立方每个晶胞有4个原子面心立方2a2=(4r)2a2=8r2

立方体体积立方体中原子的个数：顶角每个原子占1/8×8

（4）面心每个原子占1/2×6立方体中原子的总体积：原子占总体积：面心立方配位数是6密排方向<110>密排六方2.体心立方结构体心立方，BCC─bodycentredcubic

原子次密集堆积形式：次密集面A-B-A-B堆积

一个密集方向遭到破坏次密排面：两条体对角线构成的晶面=两面对角线构成的晶面配位数：体心原子与立方体的八个顶角为紧邻（最近邻）（8+6）与六个面外的体心原子均为近邻（次近邻）致密度：原子占总体积的68％，空隙占32％每个原子有8个最近邻原子和6个次近邻原子。次近邻原子仅比最近邻原子距离大约15％，因此往往考虑次近邻原子作用。密排方向<111>二、金属的晶体结构面心立方结构金属：铜、金、铝、铅、镍、锰、铂、铱、银、钍、铑、钯、……Cu-Zi代位固溶体

铜型晶格密排六方结构金属：锇、镁、锌、钴、钛、锆、铍、镉

Mg-Zn代位固溶体

锇型晶格体心立方结构金属：铁、铬、钼、钨、钒、钽、锂、钾、……

α-Fe型晶格

1.典型的金属结构

面心立方fcc

体心立方bcc

密集六方hcp

金属晶体大多属于对称性较高、配位数较大的晶体类型。

2.多形性或同素异构现象

同一物质(金属)随温度或压力的不同，呈现不同的晶体结构类型三、金属晶体的多形性铁的同素异构转变第三节合金相结构由两种或多种元素组成、以金属元素为主体、大多通过冶炼或熔合而成、并在宏观上具有一般金属元素所具有的共同特征，这一类材料或物质通称为合金。合金纯金属+异类原子怎样进入主组元中

代位固溶体结构

间隙固溶体结构金属间化合物类型？一.固溶体

置换固溶体:主组元的一部分原子被其它组元的原子所取代，保留主组元的结构类型。异类原子按任意比例统计式地分布在各类结构中的各相应晶面上，并处于主组元相似的正常位置上。Cu-Ni为FCC结构；Fe-Cr为BCC结构；Mg-Zn为HCP结构一定范围内（有限互溶）或是

所有成分范围内（无限互溶）异类原子分布在主组元原子间的空隙中。例如：Fe形成体心立方或面心立方结构，

C分布在八面体间隙中。

间隙固溶体:影响合金相结构的基本因素

1.异类原子间的相互作用

异类原子间的相互作用与同类原子间的相互作用相比：

≈

不使能量变化

均匀混合

>

使能量降低

有序固溶体

金属间化合物