機械工程材料

1、機械工程材料輔導(dǎo)資料一主 題：第0章 緒論學(xué)習(xí)時間：2013年9月30日10月6日內(nèi) 容：這周我們將學(xué)習(xí)本課程課件的第0章，即緒論部分，希望通過下面內(nèi)容的總結(jié)能使同學(xué)們加深對本課程的理解。一、學(xué)習(xí)要求1.掌握工程材料、材料科學(xué)的基本概念；2.掌握工程材料的分類及各類材料的性質(zhì)；3.理解本門課程的教學(xué)目的、性質(zhì)和學(xué)習(xí)要求；4.了解材料與材料科學(xué)的發(fā)展歷史。二、主要內(nèi)容（一）材料與材料科學(xué)的發(fā)展歷史材料是用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。從日常生活用的器具到高技術(shù)產(chǎn)品，從簡單的手工工具到復(fù)雜的航天器、機器人，都是用各種材料制作而成或由其加工的零件組裝而成?？v觀人類歷史，每當(dāng)

2、一種新材料出現(xiàn)并得以利用，都會給社會生產(chǎn)與人類生活帶來巨大的變化。歷史學(xué)家按照人類所使用材料的種類將人類歷史劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志之一。例如，沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術(shù)；沒有高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空航天工業(yè)；沒有光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。20世紀(jì)70年代，人們把材料與能源、信息并列，稱為現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是后兩者的基礎(chǔ)。中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用做出過重大貢獻(xiàn)。1. 早在公元前6000年至公元前5000年的新石器時代，中華民族的先人就能用黏土燒制陶器，到東

3、漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。2. 4000年前的夏朝時期，我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎質(zhì)量達(dá)875千克，且飾紋優(yōu)美。從湖北江陵楚墓中發(fā)掘出的兩把越王勾踐的寶劍，至今鋒利異常，是我國青銅器的杰作。3. 我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在其所著天工開物一書中就記載了古代的滲碳熱處理工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。4. 從簡單地利用天然材料、冶銅煉鐵到使用熱處理工藝，人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的。18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命后，人們對材料的質(zhì)量和數(shù)量的

4、要求越來越高，促進(jìn)了材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。1. 1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們步入了材料的微觀世界，能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來，標(biāo)志著材料研究從經(jīng)驗走向科學(xué)。2. 1912年發(fā)現(xiàn)了X射線對晶體的作用并在隨后用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。3. 19世紀(jì)末，晶體的230種空間群被確定，至此人們已經(jīng)可以完全用數(shù)學(xué)的方法來描述晶體的幾何特征。4. 1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次。5. 1934年位錯理論的提出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得的實際強度之間存在巨大差別的問題，對于人們認(rèn)識

5、材料的力學(xué)性能及設(shè)計高強度材料具有劃時代的意義。一些與材料有關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，有力地促進(jìn)了材料研究的深化。（二）材料與材料科學(xué)的基本概念1. 材料：用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。是現(xiàn)代文明的三大支柱（材料、能源及信息）之一。2. 材料科學(xué)：以材料為研究對象的一門科學(xué)。它以凝聚態(tài)物理和物理化學(xué)、晶體學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合冶金、機械、化工等領(lǐng)域的研究成果，探討材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能之間的內(nèi)在規(guī)律，并聯(lián)系具體器件或構(gòu)件的使用功能要求，力求用經(jīng)濟(jì)合理的辦法制備出有效的器件或構(gòu)件。因此，材料科學(xué)是現(xiàn)代機械工程、電子技術(shù)和高技術(shù)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。它的研究內(nèi)容包括：材料的化

6、學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，材料的形成機理和制取方法，材料物理性能的測試方法和技術(shù)，材料的損壞機理，材料的合理加工方法和最佳使用方案等。特別是材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，是材料科學(xué)研究的重點。3. 材料科學(xué)的研究內(nèi)容：l 材料的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。l 材料的形成機理和制取方法。l 材料物理性能的測試方法和技術(shù)。l 材料的損壞機理。l 材料的合理加工方法和最佳使用方案等。4. 材料的化學(xué)成分：組成材料的各元素在材料中的濃度，簡稱“成分”。5. 材料的組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的狀態(tài)，簡稱“組織”。6. 材料的結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀

7、態(tài)，一般通過X射線或透射電子顯微鏡來研究。（三）工程材料的分類及應(yīng)用工程材料是指在機械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機械零件的材料。按照材料的組成、結(jié)合鍵的特點，可將工程材料分為四大類。具體內(nèi)容如表1所示。1. 金屬材料鍵合方式為“金屬鍵”，分為黑色金屬和有色金屬兩大類。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料。其它金屬通稱為有色金屬。其中，黑色金屬用量占工程金屬的60以上。黑色金屬之外的所有金屬及其合金稱為有色金屬。有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同又可分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等。2. 陶瓷材料是以共價鍵和離子鍵結(jié)合為主的材料，其性能特點是熔點

8、高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。陶瓷材料分為：傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷以及金屬陶瓷三類。傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料為原料的陶瓷，主要用做建筑材料；特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用做工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件；金屬陶瓷是金屬與各種化合物粉末的燒結(jié)體，主要用做工具和模具。3. 高分子材料是以分子鍵和共價鍵為主結(jié)合的材料，具有塑性好、耐蝕性好、電絕緣性好、減震性好及密度小等特點。工程上使用的高分子材料主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運輸、航空航天等工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。4. 復(fù)合材料是把兩種（或兩種以上）不同性質(zhì)（或不同結(jié)

9、構(gòu)）的材料以微觀（或宏觀）的形式組合在一起而形成的材料，以進(jìn)一步提高材料的性能。復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和高分子復(fù)合材料等。如現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室中耐熱溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有密度低、彈性好、強度高等優(yōu)點。表1 材料按其組成與結(jié)合鍵特點分類材料名稱材料組成結(jié)合鍵金屬材料（黑色金屬、有色金屬）金屬為主金屬鍵為主陶瓷材料金屬和非金屬的化合物為主共價鍵和離子鍵為主高分子材料碳?xì)浠衔餅橹鞴矁r鍵和分子鍵為主復(fù)合材料兩種或兩種以上上述材料的組合混合鍵（四）機械工程材料課程

10、的目的、性質(zhì)和學(xué)習(xí)要求 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對材料的要求越來越苛刻，工程材料向高比強、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展，新材料也在不斷地涌現(xiàn)。機械工程材料課程是機械類和近機類各專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，它主要是應(yīng)用晶體學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科理論和實驗的最新成就，課程內(nèi)容以定性描述為主，具體表現(xiàn)為“三多”：內(nèi)容中名詞、概念、術(shù)語“多”，定性描述、經(jīng)驗性總結(jié)“多”，需記憶性的內(nèi)容、規(guī)律“多”。作為一名機械工程技術(shù)人員，時刻都會遇到有關(guān)材料及其制造加工方面的問題。無論設(shè)計一臺機器設(shè)備、機械零件，還是改造、加工一套工夾具，都將面臨材料的選擇、應(yīng)用與零件加工工

11、藝路線的制定等問題，這一切都涉及材料及其成形技術(shù)方面的問題。課程的目的是使學(xué)生獲得工程材料的基本理論知識，掌握材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系，了解常用材料的應(yīng)用范圍和加工工藝，初步具備合理選用材料、正確確定加工方法、妥善安排加工工藝路線的能力。本科課程理論性和實踐性都很強，基本概念多，與實際聯(lián)系密切。學(xué)習(xí)時應(yīng)注意聯(lián)系物理、化學(xué)、工程力學(xué)及金屬工藝學(xué)等課程的相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合生產(chǎn)實際，注重分析、理解前后知識的整體聯(lián)系及綜合應(yīng)用。三、重要考點多項選擇題（1）在下列各項學(xué)科中，與材料科學(xué)有關(guān)的是（）。A凝聚態(tài)物理B物理化學(xué)C晶體學(xué)D冶金、機械、和化工學(xué)答案：ABCD（2）工程材料被

12、劃分為金屬材料、陶瓷材料等的依據(jù)是（）。A用途B組成C結(jié)合鍵特點D質(zhì)量答案：BC（3）有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同可以分為（）等。A輕金屬B重金屬C貴金屬D稀有金屬答案：ABCD（4）下列各項屬于陶瓷材料性能特點的是（）。A熔點高B硬度高C耐腐蝕D脆性大答案：ABCD機械工程材料輔導(dǎo)資料二主 題：第1章 材料的性能學(xué)習(xí)時間：2013年10月7日10月13日內(nèi) 容：這周我們將開始對本課程課件第1章的學(xué)習(xí)，即材料的性能。具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容如下：一、學(xué)習(xí)要求1.掌握材料的力學(xué)性能、強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞、斷裂韌性、熱疲勞的概念。2.掌握材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。3.掌握材料的物理性能：密度

13、、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性的概念；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性的概念。4.理解布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度的公式、測量方式及適用范圍。二、主要內(nèi)容一、材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（一）基本概念選用材料時首先要考慮材料的有關(guān)性能，使之與構(gòu)件的使用要求相匹配。材料性能分為：使用性能和工藝性能兩大類。1. 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的性能。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。2. 工藝性能：材料在加工過程中所需要的性能。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能以及切削性能等。3. 材料的力學(xué)性能：材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為。4. 變形：材料在外力作用下，將發(fā)生形狀尺寸上

14、的變化，即產(chǎn)生變形。變形分為兩大類，即彈性變形和塑性變形。5. 彈性變形：材料在外力下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除以后仍能恢復(fù)原來形狀的變形。6. 塑性變形：材料在外力下產(chǎn)生的永久變形，而材料本身并不發(fā)生破壞的變形。（二）各類曲線1. 拉伸曲線：材料在外力作用下，力與伸長量之間的關(guān)系。圖1 低碳鋼的力-伸長曲線2. 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2 低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、強度與塑性（一）強度強度是指材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。1. 屈服強度圖3 條件屈服強度的確定2. 抗拉強度抗拉強度是指材料拉伸過程中，在拉斷以前能承受的最大外力所對應(yīng)的應(yīng)力值。反映材料抵抗斷裂的能力。圖4 低碳鋼的力-伸長曲線（二

15、）塑性塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的性質(zhì)。指標(biāo)為延伸率和斷面收縮率。，（三）任性韌性是指材料從變形到斷裂整個過程所吸收的能量，即拉伸曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積。三、硬度硬度是指材料抵抗局部塑性變形的能力。硬度測試有很多種方法，如壓入法、回彈法、劃痕法等，工業(yè)上主要用的是壓入法。壓入法是將比工件更硬的物質(zhì)壓入工件表面，利用所得到的壓痕測量工件的硬度的方法。常用的壓痕法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。四、沖擊韌性圖5 沖擊試驗機五、疲勞疲勞是指構(gòu)件在低于屈服強度的條件下，在交變載荷作用下發(fā)生破壞的現(xiàn)象。這種斷裂被稱為“疲勞斷裂”。引起疲勞斷裂的最低應(yīng)力值，即疲勞強度。六、斷裂韌性低

16、應(yīng)力脆斷是指工程上金屬材料經(jīng)常會出現(xiàn)材料在名義應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強度的情況下產(chǎn)生脆斷的現(xiàn)象。七、熱疲勞由于熱循環(huán)致使溫度反復(fù)變化，引起的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變，使材料受到疲勞損傷而破壞的現(xiàn)象。八、材料的物理和化學(xué)性能物理、化學(xué)性能雖然不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)，但在某些特定的情況下卻是必須加以考慮的因素。1. 物理性能即材料本身所具有的特性。2. 化學(xué)性能即材料在某些介質(zhì)中所表現(xiàn)出的抵抗化學(xué)侵蝕的能力 。（一）材料的物理性能1. 密度：單位體積材料的質(zhì)量。2. 熔點：材料的熔化溫度。3. 熱膨脹性：材料隨溫度的增加，體積增大的性質(zhì)。4. 導(dǎo)熱性：材料單位截面積傳導(dǎo)熱量的能力。5. 導(dǎo)電性：材料對電流的傳導(dǎo)特性

17、。6. 磁性：材料在磁場中的表現(xiàn)出來的特性。（二）材料的化學(xué)性能1. 耐腐蝕性：材料抵抗各種介質(zhì)腐蝕破壞的能力。2. 抗氧化性：材料在含氧環(huán)境中抵抗氧化的能力。九、材料的工藝性能工藝性能：材料在某種加工條件下，所表現(xiàn)出來的加工難易程度。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能以及機械加工性能等。1. 鑄造性能l 鑄造：將液體金屬澆注到具有與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，冷卻凝固以后獲得毛坯、鑄件或原材料的工藝方法。l 鑄造性能：液體金屬澆注到鑄型空腔中，待冷卻凝固以后獲得結(jié)構(gòu)完整、輪廓清晰的鑄件的能力。l 鑄造性能包括充型能力、收縮等。2. 鍛造性能l 鍛造：金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生變形，

18、從而獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的毛坯、鍛件或原材料的工藝方法。l 鍛造性能：金屬材料在外力作用下，獲得優(yōu)質(zhì)鍛件的能力。l 鍛造性能取決于金屬材料的塑性和變形抗力。l 材料的塑性好、變形抗力小，則鍛造性能好。3. 焊接性能l 焊接：通過加熱或加壓力（或同時加熱并加壓力），借助于原子或分子之間的結(jié)合作用，使分離的金屬結(jié)合起來的工藝方法。l 可焊性：金屬材料在一定的焊接方法、焊接材料、焊接規(guī)范以及結(jié)構(gòu)形式的條件下，形成優(yōu)質(zhì)連接的難易程度。l 材料的含碳量越低，則可焊性越好。4. 切削加工性l 切削加工：借助于機械，將材料加工成零件的過程。l 切削加工性：材料被切削加工成形并得到精確的形狀、尺寸

19、以及高的表面光潔度的能力。5. 熱處理性能l 熱處理：通過加熱、保溫、冷卻等手段，通常在不改變外形的條件下，改變其內(nèi)部組織，以獲得所需性能的工藝方法。l 熱處理性能：通過熱處理改變材料的性能的難易程度。l 熱處理性能包括淬硬性、淬透性、擴(kuò)散能力等。三、重要考點多選題1下列各項中屬于材料的工藝性能的是（）。A鑄造B鍛壓C焊接D熱處理答案：ABCD2材料的力學(xué)性能包括下列的（）。A強度B塑性C硬度D疲勞強度答案：ABCD3大多數(shù)材料的（）幾乎相等，一般不做區(qū)分。 A彈性極限 B比例極限 C屈服極限 D抗拉強度 答案：AB機械工程材料輔導(dǎo)資料三主 題：第2章 材料的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)時間：2013年10月14

20、日10月20日內(nèi) 容：這周我們將開始對本課程課件第2章的學(xué)習(xí)，即材料的結(jié)構(gòu)。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容如下：一、學(xué)習(xí)要求1.掌握各類結(jié)合鍵的概念：離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵。2.掌握晶體結(jié)構(gòu)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組成及大分子鏈的結(jié)構(gòu)。4.掌握擴(kuò)散的宏觀規(guī)律的基本內(nèi)容。5.理解各類材料的結(jié)構(gòu)：金屬的晶態(tài)結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，陶瓷的晶相、玻璃相及氣相。6.理解影響擴(kuò)散的因素。二、主要內(nèi)容一、原子的結(jié)合方式工程材料是由各種元素通過原子、離子或分子結(jié)合而成的。它們之間的結(jié)合力稱為“結(jié)合鍵”。根據(jù)結(jié)合力的強弱，結(jié)合鍵分為強鍵和弱鍵兩類：強鍵（離子鍵、共價鍵、金

21、屬鍵）；弱鍵（分子鍵）；（一）離子鍵正負(fù)離子通過靜電吸引相互接近，當(dāng)離子間的引力與斥力相等時，兩者之間達(dá)到平衡，而行成“離子鍵”。通過離子鍵結(jié)合的材料強度、硬度高，脆性大，是絕緣材料。多為無色透明的物體。圖1 NaCl離子鍵的形成過程（二）共價鍵通過共用電子對而達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)結(jié)合的鍵接方式稱為“共價鍵”。通過共價鍵結(jié)合的材料，同樣具有強度高、熔點高、脆性大的特點。導(dǎo)電性依共價鍵的強弱而不同。圖2 共價鍵示意圖（三）金屬鍵通過金屬離子和自由電子結(jié)合而形成的鍵接方式稱為“金屬鍵”。由金屬原子上脫離下來的最外層電子，稱為“自由電子” 。它們在金屬中聚集成為“電子云”，并可以自由移動。失去價電子的原子成

22、為“正離子”，通過電子云將它們連接在一起。由于電子云在金屬中可以自由移動，所以金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，同時，在光照的條件下使其激發(fā)，繼而產(chǎn)生金屬光澤。當(dāng)金屬原子之間產(chǎn)生位移時，由于自由電子的存在，使原子之間不致產(chǎn)生破壞，因而，金屬具有良好的塑性。圖3 金屬鍵示意圖（四）分子鍵分子鍵又被稱作“范德華鍵”。它是由于分子中的共價電子對非對稱分布而引起的電位不均允分布，使分子在某方向上顯正電性，而另一方向顯負(fù)電性，繼而形成偶極矩，使兩個分子鍵接在一起。圖4 分子鍵示意圖氫鍵：由于氫原子只有一個電子，所以當(dāng)和某個電負(fù)性很大的原子結(jié)合成分子時，電子強烈偏移，另一個方向會顯示很強的正電性，當(dāng)和另一個電

23、負(fù)性較大的原子相遇時，產(chǎn)生較強的引力，使三個原子連接在一起，形成橋接，故單獨形成一種鍵接方式，稱為“氫鍵或氫橋”。由于形成分子鍵的范德華力很弱，因而分子鍵結(jié)合的材料熔點和硬度均較低。又因無自由電子的存在，所以這些材料都是良好的絕緣體。二、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念（一）晶體與非晶體1. 晶體：內(nèi)部原子在三維空間呈規(guī)則排列的物質(zhì)。如金屬、食鹽、單晶硅等。2非晶體：內(nèi)部原子在空間無序排列的物質(zhì)。如玻璃、石蠟、松香等。3. 晶體與非晶體在某些條件下可以互相轉(zhuǎn)化。4. 非晶體在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以轉(zhuǎn)化為晶體，稱為“晶化”。晶體在適當(dāng)?shù)臈l件下也可出現(xiàn)非晶狀態(tài)。5. 晶體具有固定的熔點，具有各向異性，非晶體原子混亂

24、排列，各向同性。（二）晶格為了研究原子的排列規(guī)律，把每個原子看成是一個既無大小，又無質(zhì)量的幾何點，稱為“結(jié)點”。由結(jié)點的排列陣列稱為“點陣”。將點陣中各結(jié)點用想象中的線條連接起來所得到的空間格架，稱為“晶格”。（三）晶胞1. 晶胞：晶格中能夠代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元稱為晶胞。為了表達(dá)晶胞的形狀、尺寸，將晶胞放入坐標(biāo)系中，單個晶胞在坐標(biāo)系中的尺寸（棱邊截距）、及各棱邊之間的夾角，稱為“晶格常數(shù)”，又稱為“晶格尺寸”。晶格常數(shù)（晶格尺寸）分別用和等來描述。根據(jù)這些參數(shù)，可將晶體分為七大晶系，分別為三斜、單斜、正交、六方、菱方、四方和立方。2. 原子半徑：晶體中原子最緊密排列方向上,相鄰原

25、子間距尺寸的一半。3. 晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的實際原子數(shù)。4. 致密度：晶胞中原子所占的體積百分?jǐn)?shù)。5. 配位數(shù)：晶體中與任意原子距離相等的原子數(shù)。顯然,不同結(jié)構(gòu)的晶體晶胞原子數(shù)、配位數(shù)和致密度也不相同，配位數(shù)越大的晶體致密度越高。（四）立方晶系的晶面和晶向表示方法1. 晶面：晶體中，由原子組成的平面稱為“晶面”。2. 晶向：由原子組成的原子列的方向稱為“晶向”。3. 晶面指數(shù)：表示晶面的符號稱為“晶面指數(shù)”。4. 晶向指數(shù)：表示晶向的符號稱為“晶向指數(shù)”。三、金屬的結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)包括：金屬的“晶態(tài)結(jié)構(gòu)”和金屬的 “非晶態(tài)結(jié)構(gòu)”兩大類。（一）金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵

26、沒有方向性和飽和性，大多數(shù)金屬晶體都具有排列緊密、對稱性高的簡單結(jié)構(gòu)。在純金屬中，最常見最典型的晶體結(jié)構(gòu)有面心立方、體心立方和密排六方結(jié)構(gòu)。前兩種屬于立方晶系，后者屬于六方晶系。2. 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬中不可避免的存在著各種缺陷。晶體缺陷對金屬性能有著重要的影響。根據(jù)缺陷的幾何特征，可將晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三種類型。（二）金屬的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)1. 描述方法比較氣態(tài)、非晶態(tài)和晶態(tài)，非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬相似，原子排列沒有長程的周期性。在非晶態(tài)金屬中沒有晶界、位錯等晶態(tài)金屬所特有的晶體缺陷。2. 模型非晶態(tài)的原子結(jié)構(gòu)模型多數(shù)人認(rèn)為是“硬球無規(guī)密堆模型”。四、陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷材料

27、是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料經(jīng)制坯、成型和燒結(jié)工藝加工制成的材料。陶瓷材料中的基本相及其結(jié)構(gòu)要比金屬復(fù)雜的多。通常由三種相組成，分別是晶相、玻璃相和氣相。（一）晶相晶相是陶瓷材料的主要組成相。陶瓷材料主要物理化學(xué)性質(zhì)均取決于晶相。多數(shù)陶瓷材料是離子鍵和共價鍵晶體。陶瓷材料中的晶體類型及其復(fù)雜程度都超過金屬晶體。晶相中的晶粒大小對陶瓷材料的性能影響很大，晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，裂紋越不容易擴(kuò)展，材料的強度越高。（二）玻璃相玻璃相是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的低熔點固體，其作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材料的致密程度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長大。玻璃相的強度低、絕緣性及熱穩(wěn)定性差，工業(yè)陶瓷中

28、玻璃相的數(shù)量一般控制在2040。陶瓷坯體在燒結(jié)過程中還會產(chǎn)生一種含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聚合體的熔體，這種熔體的粘度很大，冷卻時不利于晶體形核長大，從而轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw。玻璃化溫度：陶瓷冷卻過程中，由熔體變?yōu)椴Ａw的溫度。軟化溫度：玻璃體加熱時顯著軟化時的溫度。（三）氣相氣相是在生產(chǎn)過程中形成的氣孔，氣孔往往是裂紋源，降低陶瓷的強度。通常除了多孔陶瓷以外，普通陶瓷的氣孔率為5-10%，特種陶瓷在5%以下。五、高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子化合物是指相對分子量大于的有機化合物。常稱為聚合物或高聚物。實際上，高分子化合物和低分子化合物之間沒有嚴(yán)格的區(qū)別，主要由它是否顯示高分子

29、化合物的特性來判斷。高分子化合物具有一定的強度和彈性，而低分子化合物則沒有。高分子化合物是由簡單結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。組成聚合物的低分子化合物稱為“單體”，如乙烯、氯乙烯等。聚合物的分子為很長的鏈條，稱為“大分子鏈”。六、擴(kuò)散擴(kuò)散：由濃度梯度或熱運動引起的原子定向運動。固態(tài)金屬中的擴(kuò)散是金屬固態(tài)轉(zhuǎn)變的重要機制之一，也是固態(tài)加工的重要理論基礎(chǔ) 。（一）擴(kuò)散的宏觀規(guī)律1.菲克第一定律菲克第一定律：在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)的流量，與該截面處的濃度梯度成正比。2.菲克第二定律非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散物質(zhì)的濃度是隨時間變化的，為此菲克給出了第二方程。（二）擴(kuò)散機

30、制1.空位擴(kuò)散空位擴(kuò)散是擴(kuò)散原子通過與相鄰的空位交換位置進(jìn)行遷移的擴(kuò)散。2.間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散是位于晶格間隙中的原子躍遷到相鄰間隙位置所引起的擴(kuò)散。小原子半徑的間隙原子，在間隙固溶體中的擴(kuò)散就是以這種機制進(jìn)行的。多數(shù)合金中，間隙擴(kuò)散比空位擴(kuò)散要快得多。3.其他擴(kuò)散機制除了上述兩種擴(kuò)散機制以外，位錯中心和晶界也是良好的擴(kuò)散通道。三、重要考點判斷題1.（ ）自然界有些物質(zhì)不是由原子組成的。2.（ ）金屬、食鹽、單晶硅等屬于非晶體。3.（ ）在非晶態(tài)金屬中沒有晶界、位錯等晶態(tài)金屬所特有的晶體缺陷。答案：1.錯；2.錯；3.對。機械工程材料輔導(dǎo)資料四主 題：第3章 材料的凝固學(xué)習(xí)時間：2013年10月2

31、1日10月27日內(nèi) 容：這周我們將開始本課程課件的第3章的學(xué)習(xí)，即材料的凝固。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容如下：一、學(xué)習(xí)要求1.掌握純金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件，包括液體和晶體的自由能-溫度曲線和純金屬的冷卻曲線。2.掌握金屬及合金結(jié)晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、決定晶粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小對金屬性能的影響。3.理解純金屬的結(jié)晶過程以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。4.理解合金結(jié)晶二元相圖的建立方式、基本類型。5.理解合金結(jié)晶中的“杠桿定律”。6.理解鐵碳合金相圖的分析原理以及典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程：工業(yè)純鐵、共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵。7.理解含碳量對鐵碳合

32、金組織和性能的影響。二、主要內(nèi)容一、純金屬的結(jié)晶材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為“凝固”。材料的凝固分為兩種類型,一種是“結(jié)晶”，另一種是“凝固”。結(jié)晶是物質(zhì)內(nèi)部原子由混亂排列到有序排列的轉(zhuǎn)變過程，是一種相變過程。非晶體材料冷卻過程中，熔融態(tài)隨著溫度的下降，逐漸變粘，變硬，直至完全固化成固態(tài)，這個過程稱為“凝固”。（一）結(jié)晶的熱力學(xué)條件熱力學(xué)定義指出：在等壓條件下，自然界一切自發(fā)過程，都是朝著自由能降低的方向進(jìn)行的。同一物質(zhì)的液體和晶體，自由能隨溫度變化曲線如下圖所示。圖1 液體和晶體的自由能-溫度曲線冷卻曲線表明，材料的結(jié)晶是在理論結(jié)晶溫度以下，一定的過冷度條件下發(fā)生，并且是在恒定的溫度下進(jìn)行的

33、。圖2 純金屬的冷卻曲線（二）純金屬的結(jié)晶過程任何一種液體物質(zhì)結(jié)晶都包括晶核生成和長大的過程。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是短程有序（稱為“晶坯”）,長程無序的,而短程有序是時聚時散的。圖3 氣體、液體和晶體結(jié)構(gòu)示意圖1.結(jié)晶的基本過程液態(tài)金屬中存在著許多晶坯，在溫度以上，固相的自由能高于液相，它們時聚時散，不可能長大。在溫度以下，固相自由能低于液相，這些晶坯聚集長大，經(jīng)過一段時間的孕育，最后形成晶核。結(jié)晶就以這些晶核穩(wěn)為核心開始長大。同時，在一個晶核長大的瞬間，其他部為也有晶核生成，并開始長大，直至晶粒間相互接觸，形成晶界，結(jié)晶結(jié)束。見下圖所示。圖4 純金屬結(jié)晶過程示意圖2.晶核的形成方式形成條件：l 熱

34、力學(xué)條件：溫度低于T0固相自由能低于液相。l 動力學(xué)條件：要有足夠的過冷度，l 結(jié)構(gòu)條件：有足夠尺寸的晶坯，以形成晶核。晶核的形成方式主要有：l 自發(fā)形核（均勻形核）：完全是由液體中瞬時的短程有序原子團(tuán)形成的晶核。l 非自發(fā)形核（非均勻形核）：依靠液體中存在的外來固體物質(zhì)或容器壁形成的晶核。3.晶核長大方式晶核的長大方式也有兩種，即均勻長大，和樹枝狀長大。在過冷度足夠小的情況下，結(jié)晶以均勻長大方式進(jìn)行，由于自由晶體表面總是能量最低的密排面，因而晶粒在結(jié)晶過程中保持著規(guī)則的外形，直至晶粒間相互接觸時規(guī)則的外形才被破壞。（三）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變某些物質(zhì)在固態(tài)下，隨著溫度的變化，可以以不同晶體結(jié)構(gòu)存在的現(xiàn)

35、象稱為“同素異構(gòu)性”。由一種結(jié)晶形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)晶形式的過程稱為“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是結(jié)晶過程，也遵循形核與核長大的規(guī)律。它是一個在固態(tài)下相變的過程。除錫以外，鐵、錳、鈷、鈦等也都存在著同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。二、合金的結(jié)晶合金：以金屬元素為基礎(chǔ)加入金屬（或非金屬）元素，經(jīng)熔煉（或燒結(jié)）而成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，通常用相圖（或組織圖）來分析。相圖合金結(jié)晶以后，隨著溫度的變化，成分與結(jié)晶組織之間的簡明圖解。由于該圖是在極緩慢的冷速下測量的，故又被稱為“平衡圖”。（一）二元相圖的建立合金按照組元的數(shù)量可以分為，二元、三元 或多元合金，最基本的是二元合金。主要介紹二元

36、合金相圖，二元合金現(xiàn)圖通常是用試驗方法測出的。1. 測量二元合金相圖的基本條件：l 選材要選二元合金。l 其次要在接近平衡冷速的條件下冷卻。2. 二元相圖的建立l 配置合金；l 分別加熱、冷卻，測出冷卻曲線。l 找出各曲線上的臨界點。如圖310a。l 在溫度成分坐標(biāo)上繪圖（做成分垂線），降臨界點標(biāo)在成分垂線上。l 將成分垂線上各相同意義的點連線，并標(biāo)上相應(yīng)的字母和數(shù)字。圖中，結(jié)晶開始點的連線，稱為“液相線”。結(jié)晶終了點的連線，稱為“固相線”。圖5 Cu-Ni合金二元相圖建立示意圖（二）鐵碳合金的組元和相1.純鐵及鐵基固溶體l 純鐵在固態(tài)下有三種同素異構(gòu)體，F(xiàn)e、Fe、Fe。l 通常所說的工業(yè)純

37、鐵是指室溫下的Fe,它的強度、硬度低，塑性、韌性好。2. 鐵與碳形成的化合物（Fe3C）稱為“滲碳體”。用符號“Fe3C”或“Cm”表示。l 復(fù)雜斜方晶格；最高存在溫度1227。l 含碳量：6.69%c；l 性能：硬而脆，HB800;、aK0;是鋼中的重要強化相。三、重要考點多選題1在下列各元素中，存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的是（）。A鐵 B錳C鈷D鈦2固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點包括下列的（）。A形核在特定部位發(fā)生，如晶界、晶內(nèi)缺陷等B過冷傾向大C過冷傾向小D伴隨體積變化，產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力3下列關(guān)于二元勻晶相圖的描述，正確的是（）。A液、固相線是相區(qū)分界線B液、固相線是結(jié)晶時兩相的成分變化線C勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變D結(jié)晶

38、過程中，液、固兩相的成分隨溫度變化而變化4. 下列關(guān)于枝晶偏析的說法中，正確的是（）。A. 枝晶偏析的大小與冷卻速度有關(guān)B枝晶偏析與給定成分合金的液、固相線間距有關(guān)C枝晶偏析影響合金性能D生產(chǎn)上常以擴(kuò)散退火來消除枝晶偏析答案：1.ABCD 2.ABD 3.ABCD 4.ABCD機械工程材料輔導(dǎo)資料五主 題：第3章 材料的凝固學(xué)習(xí)時間：2013年10月28日11月3日內(nèi) 容：這周我們將結(jié)束本課程課件第3章的學(xué)習(xí)，即材料的凝固。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容如下：一、學(xué)習(xí)要求1、掌握純金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件，包括液體和晶體的自由能-溫度曲線和純金屬的冷卻曲線。2、掌握金屬及合金結(jié)晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、決定晶

39、粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小對金屬性能的影響。3、理解純金屬的結(jié)晶過程以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。4、理解合金結(jié)晶二元相圖的建立方式、基本類型。5、理解合金結(jié)晶中的“杠桿定律”。6、理解鐵碳合金相圖的分析原理以及典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程：工業(yè)純鐵、共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵。7、理解含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響。二、主要內(nèi)容1、鐵碳合金相圖2、凝固組織及其控制一、鐵碳合金相圖鐵碳合金是碳鋼和鑄鐵的總稱。含碳量0.0218c-2.11%c的稱為“碳鋼”。大于2.11%c，小于6.69%c的稱為“鑄鐵”。鐵碳合金相圖實際上是FeFe3C相圖，

40、因為含碳量大于6.69%c鐵碳合金脆性過大，在工業(yè)上無意義。（一）鐵碳合金的組元和相1、純鐵及鐵基固溶體l 純鐵在固態(tài)下有三種同素異構(gòu)體，F(xiàn)e、Fe、Fe。l 通常所說的工業(yè)純鐵是指室溫下的Fe，它的強度、硬度低，塑性、韌性好。l 工業(yè)純鐵的力學(xué)性能大致在：0.2=100-170MPa；b=180-270MPa；=30-50%；=70-80%，HB=50-80，aK=18-25J/cm2。l 鐵素體：碳溶解在Fe中形成的固溶體，代表符號“F”。l 體心立方晶格，最高存在溫度：912。l 含碳量:727；0.0218%c；室溫:0.0008%C；l 顯微組織：明亮的，多邊形顆粒。如下圖所示；l

41、性能：與純鐵相似，即強度、硬度低，塑性、韌性高。圖1 鐵素體組織2、鐵與碳形成的化合物（Fe3C）稱為“滲碳體”。用符號“Fe3C”或“Cm”表示。l 復(fù)雜斜方晶格；最高存在溫度1227。l 含碳量：6.69%c；l 性能：硬而脆，HB800；、aK0；是鋼中的重要強化相。l 顯微組織：根據(jù)析出的母相不同分別為：板狀、蜂窩狀、網(wǎng)狀、片狀、微量的。l 滲碳體是亞穩(wěn)相，在一定的條件下發(fā)生分解： Fe3C3FeC，所分解出的單質(zhì)碳稱為“石墨”。這一分解在鑄鐵中有著重要意義。l 由于碳在Fe中的溶解度很低，所以鐵碳合金常溫下碳主要是以滲碳體或石墨的形式存在。（二）鐵碳合金相圖的分析1、FeFe3C相圖

42、圖2 以相組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖l 圖中，共有三個基本相圖組成（包晶、共晶、共析相圖）。l 有5個基本相：液相L、高溫鐵素體相、鐵素體相F、奧氏體A、滲碳體相Fe3C。l 5個單相區(qū)，L、F、A、Fe3C；l 7個兩相區(qū)：L、LA、LFe3C、 A、AFe3C、AF、FFe3C；ABCD液相線、AHJECF固相線；l 各特征點的溫度、成分及含義見表1。表1 鐵碳合金相圖中各特征點的說明三條水平線（三相區(qū)）：l HJB線，包晶線（1495）l 成分范圍：0.09%-0.53%c；l 發(fā)生包晶反應(yīng)：L0.53+0.09A0.17；l 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：奧氏體；l ECF線，共晶線（1148）l 成分范圍

43、：2.11%-6.69%cl 共晶反應(yīng)：L4.3A2.11Fe3C；l 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：萊氏體Le（AFe3C共晶)；l 萊氏體是Fe3C基分布著A的機械混合物。顯微組織形態(tài)：蜂窩狀；l 性能：硬而脆（HB700）。l PSK線，共析線（727）， A1線；l 成分范圍：0.0218%-6.69%c；l 共析反應(yīng)：A0.77F0.0218+Fe3C共析l 反應(yīng)產(chǎn)物：珠光體P（F0.0218+Fe3C共析）l 珠光體：鐵素體和滲碳體的機械混合物l 顯微組織：片層狀l 性能：介于兩相之間。2、根據(jù)母相、組織形態(tài)滲碳體可分為五種：l 一次滲碳體（由液體中直接結(jié)晶，呈板狀）l 二次滲碳體（由奧氏體析出，呈網(wǎng)

44、狀）l 三次滲碳體（由鐵素體析出，微量）l 共晶滲碳體（共晶直接結(jié)晶，蜂窩狀）l 共析滲碳體（共析過程析出，片狀）（三）典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：1、工業(yè)純鐵（0.0218%c）顯微組織鐵素體晶粒，工業(yè)上很少使用。2、碳鋼（0.0218%c-2.11%c）高溫組織為奧氏體塑性好，適于變形加工。碳鋼又分為亞共析鋼(0.0218%c-0.77%c；共析鋼（0.77%c）；過共析鋼（0.77%c-2.11%c）三種。3、白口鑄鐵（2.11%c-6.69%c）特點鑄造性能好，硬而脆。亞共晶白口鐵（2.11%c-4.3%c）；共晶白口鐵（4.3%c）；過共晶白口鐵（4

45、.3%c-6.69%c）。白口鑄鐵通常在工業(yè)上很少直接應(yīng)用，因為其硬度高，不利于機械加工，鑄造性能也不如灰口鑄鐵。二、凝固組織及其控制對于單相合金而言晶粒的尺度對性能的影響很大，對于多相合金第二相的尺寸、形態(tài)、分布狀態(tài)往往是合金性能的決定因素。此外，合金在結(jié)晶過程中的邊緣效應(yīng)，對結(jié)晶過程的影響，以及結(jié)晶后的組織影響也是不容小覷的。（一）晶粒度晶粒度通常是指對晶粒的大小的度量。通常使用長度、面積、體積或晶粒度級別數(shù)來評定或測定晶粒的大小。在100倍下645。16mm2面積所包含的晶粒個數(shù)N與顯微晶粒度級別數(shù)G的關(guān)系為：N2G1。比較法詳見GB/T63942002。（二）決定晶粒尺寸的因素結(jié)晶后晶

46、粒的尺寸決定于形核速率和長大速度。形核率：單位時間、單位體積內(nèi)形成晶核的數(shù)目稱為“形核率”用“N”來表示。長大速度：單位時間內(nèi)晶核生長的長度。用“G”來表示?？梢?，N/G越大晶粒越細(xì)小。（三）控制晶粒尺寸的方法1、控制過冷度通常，冷卻速度增大，過冷度增加，N/G值增大，晶粒越細(xì)。過冷度對N和G的影響見圖3。圖3 過冷度對形核率和長大速度的影響2、變質(zhì)處理有意相液態(tài)金屬中加入非自發(fā)形核物質(zhì)，從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的物質(zhì)稱為“變質(zhì)劑”。金屬不同所加入的變質(zhì)劑不同。3、振動的、攪拌結(jié)晶時，通過機械振動、電磁攪拌及超聲波等方法，打碎樹枝晶，并輸入能量，促進(jìn)形核，從而細(xì)化晶粒。4、晶粒大小對金屬性能

47、的影響常溫下，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，因而金屬強度、硬度越高。同時，晶粒越細(xì)，可同時變形的晶粒越多，故塑性韌性越好，這被稱為“細(xì)晶強化”。高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動和遷移，對強度無益。但晶粒過于粗大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒過粗，過細(xì)均無好的結(jié)果。三、重要考點判斷題1、（ ）金屬材料在正常條件下通常是以結(jié)晶的形式凝固的。2、（ ）凝固是物質(zhì)內(nèi)部原子由混亂排列到有序排列的轉(zhuǎn)變過程，是一種相變過程 。3、（ ）任何一種液體物質(zhì)結(jié)晶都包括晶核生成和長大的過程。答案：1、對；2、錯；3、對。機械工程材料輔導(dǎo)資料六主 題：第四章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶學(xué)習(xí)時間：2013年11月

48、4日11月10日內(nèi) 容：這周我們將結(jié)束本課程課件第4章的學(xué)習(xí)，即金屬的塑性變形與再結(jié)晶。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容如下：一、學(xué)習(xí)要求1、掌握單晶體和多晶體金屬的塑性變形原理。2、掌握單相固溶體合金、多相混合物合金的塑性變形與固溶強化過程。3、掌握殘余內(nèi)應(yīng)力的概念。4、掌握冷加工與熱加工的區(qū)別。5、理解冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化過程曲線。6、理解再結(jié)晶溫度-變形度曲線。7、理解熱加工對金屬組織和性能的影響。二、主要內(nèi)容一、金屬的塑性變形金屬在外力作用下，產(chǎn)生“永久變形”,而不破壞的性質(zhì)稱為“塑性”。當(dāng)外力去除以后所殘留的變形稱為“塑性變形”。（一）單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力P在任何晶面上都

49、可以分解成正應(yīng)力和切應(yīng)力，見圖1。正應(yīng)力只能引起彈性變形和解理斷裂，只有在切應(yīng)力作用下才能使金屬晶體產(chǎn)生塑性變形。正常情況下，塑性變形有兩種形式：滑移和孿生，多數(shù)情況下金屬的塑性變形是以滑移形式進(jìn)行的。圖1 單晶體的拉伸變形（二）多晶體金屬的塑性變形1、晶界與晶粒位向差的影響晶界對金屬塑性變形的阻礙作用：晶界原子排列混亂，故位錯移動到晶界，引起位錯的塞積，要想繼續(xù)使位錯運動則必須增加外力，宏觀上體現(xiàn)為變形抗力的增加，即強度增加。晶界兩側(cè)的晶粒位向差不同，位錯穿過晶界進(jìn)入另一個晶粒時，必引起位向上的變化，開動新的位錯，使強度增加。2、多晶體金屬的塑性變形過程金屬滑移的不均允性和不同時性：軟位向晶

50、粒首先滑移（滑移系和外力成45°角的晶粒稱為“軟位向晶粒”）。其他晶粒的轉(zhuǎn)動和晶界的滑移：軟位向晶粒滑移的同時，伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動（如前所述）帶來其它較硬位向的晶粒朝著軟位向的轉(zhuǎn)動使得這些晶粒相繼發(fā)生滑移，使塑性變形連續(xù)進(jìn)行。3、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，金屬強度越高。晶粒越細(xì)位于軟位向的晶粒越多，同時開始滑動的晶粒數(shù)越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴(kuò)展，金屬的變形量越大。故“細(xì)晶強化”既可以提高金屬的強度、硬度，又可以提高金屬的塑性、韌性。二、合金的塑性變形與強化就合金的組織而言，基本上可分為單相固溶體和多項混合物兩種。由于合金元素的存在，使得合金的塑

51、性行為與純金屬有著顯著的不同。（一）單相固溶體合金的塑性變形與固溶強化固溶體合金的組織與純金屬相同，因而其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但由于溶質(zhì)原子的存在，使晶格發(fā)生畸變，從而 產(chǎn)生了“固溶強化”。產(chǎn)生固溶強化的原因：溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格畸變產(chǎn)生畸變，而且易吸附在位錯附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯釘扎住從而是變形抗力增加。（二）多相合金的塑性變形與彌散強化當(dāng)合金的由多相混合物組成時，合金的塑性變形除與合金的基本性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬，也可以是固溶體或化合物，工業(yè)合金中的第二相多數(shù)是化合物。當(dāng)?shù)诙喑示W(wǎng)狀分布時，對

52、合金的強度和塑性都不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時，可提高強度和硬度，但會降低塑性和韌性；當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀分布時，雖塑性、韌性略有下降，但強度、硬度可顯著提高，而且第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，這種方法稱為“彌散強化”或“沉淀強化”。彌散強化的原因：由于硬的顆粒不易被切變，從而阻礙了位錯運的運動，提高了變形抗力。三、塑性變形對金屬組織和性能的影響（一）塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響組織影響：晶粒沿最大變形方向被拉長；變形量足夠大時，晶界變得模糊不清；使晶粒破碎形成碎晶（亞晶粒）；晶格產(chǎn)生畸變；如圖2所示。圖2 工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化（二）塑性變形對金屬性能的影響金屬發(fā)生冷

53、塑性變形后，產(chǎn)生加工硬化。原因是：1、隨變形量的增加，位錯密度增加。使變形抗力增加；2、隨變形量的增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，亞晶界對位錯運動起阻礙作用；3、隨變形量的增加，空位密度增加；4、硬位向晶粒數(shù)量增加，發(fā)生幾何硬化，變形抗力增加。（三）殘余內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。它是金屬在外力作用下，內(nèi)部不均允塑性變形而引起的。金屬在塑性變形過程中，大約10的功殘留在金屬內(nèi)部成為內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分為三類：1、第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱為“宏觀內(nèi)應(yīng)力”，平衡于金屬內(nèi)部一部分與另一部分之間，（如表面與心部之間）；2、第二類內(nèi)應(yīng)力，又稱為“微觀內(nèi)應(yīng)力”，它存在于金屬內(nèi)部晶粒與晶粒（或晶粒內(nèi)不同區(qū)域）之間；3、第三

54、類內(nèi)應(yīng)力，又稱為“超微觀內(nèi)應(yīng)力”，它平衡于金屬內(nèi)部原子之間，是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強化的主要原因。第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬的強度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬的耐蝕性下降，并易引起零件在加工、淬火過程中變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。四、回復(fù)與再結(jié)晶（一）冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化金屬冷變形之后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，但因溫度低，原子擴(kuò)散困難，達(dá)到暫時的平衡。一旦溫度增加，是原子的擴(kuò)散條件得以改善金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大過程，塑性變形金屬加熱時段的組織與性能的變化如圖3所示。圖3 冷塑性變形金屬的組織性能隨溫度變化示意圖1、回復(fù)冷變形以后的金屬重新加熱到(0.25-0.3)T熔溫度時,晶內(nèi)原子就近遷移到接近平衡位置，境內(nèi)缺陷減少,由塑性變形帶來的第三類應(yīng)力部分消除,由位錯運動帶來的無序狀態(tài)垂直分布.形成亞晶界,這一過程稱為“多邊形化”,即“回復(fù)”。在回復(fù)階段強度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。在工業(yè)上這種處理方法稱為“穩(wěn)定化處理或定型處理” 。冷拉鋼絲的低碳鋼彈簧經(jīng)纏繞后，要在250300條件下進(jìn)行定形處理，使其定型。經(jīng)深沖工藝制成的黃銅彈殼要進(jìn)行260的穩(wěn)定化處理，以防止以防止晶間應(yīng)力腐蝕開裂等。2、再結(jié)晶當(dāng)溫