工程材料学B1(2013冬)

1、姚勤 绪 论 一、材料与人类社会发展的关系一、材料与人类社会发展的关系 材料是人类生存所必需的物质基础。材料是人类生存所必需的物质基础。 人的衣、食、住、行都离不开材料，从人的衣、食、住、行都离不开材料，从 原始社会最简单的日常生活用具和手工劳动原始社会最简单的日常生活用具和手工劳动 工具到如今高精尖的计算机、航天器、机器工具到如今高精尖的计算机、航天器、机器 人等，都是用各种各样的材料加工而成的。人等，都是用各种各样的材料加工而成的。 即使在科技如此发达的今天，我们也很难想即使在科技如此发达的今天，我们也很难想 象，如果没有了粮食、石油、煤炭等资源，象，如果没有了粮食、石油、煤炭等资源， 人

2、类将怎样生存。人类将怎样生存。 材料是人类社会文明进步的重要标志。材料是人类社会文明进步的重要标志。 石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代钢铁时代钢铁时代 人类历史是按人类所使用的材料种类划分的，人类历史是按人类所使用的材料种类划分的， 材料的利用和发展构成了人类文明史的里程碑。材料的利用和发展构成了人类文明史的里程碑。 材料工业是国民经济的支柱产业。材料工业是国民经济的支柱产业。 能源能源 信息信息 交通交通 材料材料 材料工业是生产力发展的基础和动力材料工业是生产力发展的基础和动力。 就制造业而言，材料是其必要的基础和就制造业而言，材料是其必要的基础和 有力的保证，没有了材料工业的发展，制

3、造有力的保证，没有了材料工业的发展，制造 业也就成了业也就成了“无米之炊无米之炊”。同时，材料也是。同时，材料也是 制造业发展的动力，不断涌现的新材料促进制造业发展的动力，不断涌现的新材料促进 了制造新工艺的研究开发，反过来，新工艺了制造新工艺的研究开发，反过来，新工艺 又对材料提出了进一步的性能要求，又带动又对材料提出了进一步的性能要求，又带动 了新材料的出现。如此循环交替，推动了社了新材料的出现。如此循环交替，推动了社 会生产力的不断进步。会生产力的不断进步。 二、材料科学及其发展趋势二、材料科学及其发展趋势 材料科学材料科学-是研究材料的化学组成和微是研究材料的化学组成和微 观结构与材料

4、宏观性能之间关系的一门科学，观结构与材料宏观性能之间关系的一门科学， 它同时还研究制取和使用材料的有关知识。它同时还研究制取和使用材料的有关知识。 材料科学的发展趋势材料科学的发展趋势 新手段新手段 新品种新品种 新工艺新工艺 新新 手手 段段 光学显微镜、电子显微镜等先进分析工具的光学显微镜、电子显微镜等先进分析工具的 研制研制, 固体物理、量子力学等基础学科的发展固体物理、量子力学等基础学科的发展, 将人们从宏观世界带入了微观世界，揭示了材将人们从宏观世界带入了微观世界，揭示了材 料的成分、结构、性能之间的相互关系。料的成分、结构、性能之间的相互关系。 高性能：高性能：低密度、高强度、耐高

5、温、耐磨损、低密度、高强度、耐高温、耐磨损、 耐腐蚀、耐腐蚀、 新功能：新功能：随着原子能、航天航空、电子技术、随着原子能、航天航空、电子技术、 生物医疗等现代工业的发展，对材料提出了许生物医疗等现代工业的发展，对材料提出了许 多特殊的性能要求。如现代电子技术中的超导多特殊的性能要求。如现代电子技术中的超导 材料；医学领域中的形状记忆材料；人工器官、材料；医学领域中的形状记忆材料；人工器官、 生物传感器、血液代用品等等；以及现在非常生物传感器、血液代用品等等；以及现在非常 热门的纳米材料（热门的纳米材料（1纳米纳米=10-9米）米）,人们关注的人们关注的 不仅是其尺寸的微细可以用来制造不仅是其

6、尺寸的微细可以用来制造“微机械微机械”， 更关注的是由此而来的一些奇特的性能，如纳更关注的是由此而来的一些奇特的性能，如纳 米陶瓷的塑性、导体变非导体、吸波性等。米陶瓷的塑性、导体变非导体、吸波性等。 新新 品品 种种 三、三、“工程材料学工程材料学B”课程简介课程简介 “工程材料学工程材料学B”是机械类各专业的一门必修是机械类各专业的一门必修 的技术基础课。主要介绍工程材料的一般知识和的技术基础课。主要介绍工程材料的一般知识和 铸造成形、锻压成形及焊接等常用的成形方法和铸造成形、锻压成形及焊接等常用的成形方法和 低能耗、低污染，可持续发展等已成为现低能耗、低污染，可持续发展等已成为现 代工业

7、生产的必然趋势。因此，铸、锻、焊等代工业生产的必然趋势。因此，铸、锻、焊等 传统的材料成形技术也在不断地发展和进步。传统的材料成形技术也在不断地发展和进步。 少、无切屑的精密铸造和精密锻造以及计算机少、无切屑的精密铸造和精密锻造以及计算机 控制的机械化、自动化生产装备得到了广泛的控制的机械化、自动化生产装备得到了广泛的 应用，极大地提高了生产率，减轻劳动强度。应用，极大地提高了生产率，减轻劳动强度。 新新 工工 艺艺 工艺，使学生初步具备合理选择材料、选择毛坯工艺，使学生初步具备合理选择材料、选择毛坯 或零件的加工方法与加工工艺以及分析零件结构或零件的加工方法与加工工艺以及分析零件结构 工艺性

8、的能力，了解本学科领域中的新技术。工艺性的能力，了解本学科领域中的新技术。 本课程分在两个学期完成，本学期的本课程分在两个学期完成，本学期的 “工程工程 材料学材料学B（一）（一）”着重介绍工程材料，下学期的着重介绍工程材料，下学期的 “工程材料学工程材料学B（二）（二）”主要介绍铸、锻、焊等主要介绍铸、锻、焊等 材料成形的方法。材料成形的方法。 四、评分方法及其他四、评分方法及其他 平时成绩：平时成绩：30%（考勤与作业）（考勤与作业） 考试成绩：考试成绩：70% 第一章 工程材料 黑色金属 金属材料 有色金属 工程材料有机高分子材料 非金属材料 无机非金属材料 复合材料 1-1 概述概述

9、金属材料 黑色金属：黑色金属：铁、锰、铬及其合金。铁、锰、铬及其合金。 主要指钢和铸铁。主要指钢和铸铁。 有色金属：有色金属：除黑色金属以外的金属除黑色金属以外的金属 及其合金。如铜、铝等。及其合金。如铜、铝等。 轻金属轻金属 重金属重金属 贵金属贵金属 稀有金属稀有金属 非金属材料 有机高分子材料：有机高分子材料：主要含碳和氢。主要含碳和氢。 塑料塑料 橡胶橡胶 合成纤维合成纤维 无机非金属材料：无机非金属材料：不含碳和氢。不含碳和氢。 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 复合材料 复合材料是由两种或两种以上的不复合材料是由两种或两种以上的不 同材料复合而成的材料。既保留原有同材料复合而成的材料。既保留原有

10、 材料各自的特性，又具有原有材料所材料各自的特性，又具有原有材料所 没有的特殊的、优异的性能。没有的特殊的、优异的性能。 树脂基树脂基复合材料复合材料 金属基金属基复合材料复合材料 陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料 1-2 固体材料的性能固体材料的性能 一、物理性能一、物理性能 二、二、化学性能化学性能 三、力学性能三、力学性能 四、工艺性能四、工艺性能 1-2 固体材料的性能固体材料的性能 一、物理性能一、物理性能 密度密度 熔点熔点 导电性导电性 导热性导热性 磁性磁性 二、二、化学性能化学性能 指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 抗氧化性抗氧化性 耐腐蚀性（如耐油、

11、耐酸、耐碱）耐腐蚀性（如耐油、耐酸、耐碱） 三、力学性能三、力学性能 力学性能是指材料在承受外力后的表现力学性能是指材料在承受外力后的表现。 常温常温静态静态 常温常温动态下动态下 高低温下高低温下 载荷形式的影响载荷形式的影响 拉伸拉伸压缩压缩弯曲弯曲剪切剪切扭转扭转 工作温度的影响工作温度的影响 运动状态的影响运动状态的影响 材料完整性的影响材料完整性的影响 四、工艺性能四、工艺性能 热处理性能热处理性能 铸造性能铸造性能 锻压性能锻压性能 焊接性能焊接性能 切削加工性能切削加工性能 工艺性能是指材料加工时的性能工艺性能是指材料加工时的性能。 1.强度强度 弹性极限弹性极限 e - 发生最

12、大弹性变形时的应力。发生最大弹性变形时的应力。 屈服强度屈服强度 s - 开始出现明显塑性变形时的应力。开始出现明显塑性变形时的应力。 条件条件屈服强度屈服强度 0.2 - 产生产生0.2%塑性变形时的应力。塑性变形时的应力。 抗拉强度抗拉强度 b -拉断前所承受的最大应力。拉断前所承受的最大应力。 应力应力- 单位面积上所承受的内力，以单位面积上所承受的内力，以 表示。表示。 （MPa） 应变应变-单位尺寸上的变形量，以单位尺寸上的变形量，以 表示。表示。 （%） 弹性变形弹性变形-受力后立即发生，并随力的消失而消失的变形。受力后立即发生，并随力的消失而消失的变形。 塑性变形塑性变形-应力超

13、过一定数值后才发生的并将永久保留的变形。应力超过一定数值后才发生的并将永久保留的变形。 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂在外力作用下，材料抵抗变形和断裂 的能力。的能力。 三三、力学性能、力学性能 拉伸试验拉伸试验 l 0l S 0 S 拉伸前拉伸前 拉断后拉断后 b 缩颈点缩颈点 s e e s b e - 最大弹性变形时的应力最大弹性变形时的应力 s - 开始塑性变形时的应力开始塑性变形时的应力 b - 拉断前所承受的最大应力拉断前所承受的最大应力 应力应力 （MPa） 应变应变 （%） 刚度刚度- 材料抵抗弹性变形的能力。用材料抵抗弹性变形的能力。用弹性弹性 模量模量E（弹性范围内，应力

14、与应变的比例）（弹性范围内，应力与应变的比例） 表示（表示（E=tg ），），E越大刚性越好。越大刚性越好。 拉伸拉伸 试样试样 拉拉 伸伸 曲曲 线线 屈服点屈服点 k 拉断点拉断点 对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定 以试样产生以试样产生0.2%残余伸长率时的应力作为其屈服残余伸长率时的应力作为其屈服 强度，称为条件强度，称为条件屈服强度屈服强度 0.2 应变应变 （%） 应力应力 （MPa） 0.2% 0.2 2.2.塑性塑性 延伸率延伸率 - 试样断裂前后的长度变化率试样断裂前后的长度变化率。 断面收缩率断面收缩率 - 试样断裂前后的面积变化率

15、试样断裂前后的面积变化率。 在外力作用下，材料产生塑性变形在外力作用下，材料产生塑性变形 而不发生断裂的能力。而不发生断裂的能力。 l l 0 l 0 = 100 % = S 0 S 100 % S 0 4 4 3 3 2 21 1 例题例题：图示：图示1-41-4为四种不同材料的应力为四种不同材料的应力- -应变曲线，应变曲线， 请比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、请比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、 刚度和塑性。刚度和塑性。 应力应力 应变应变 1 12 2 4 4 3 3 2 21 1 应力应力 应变应变 0. 2 0. 2 s3 s2 0. 2 b1 b2 b3 b4 抗拉强度：抗

16、拉强度：2 2 1 1 3 3 4 4 （根据拉断前的最大应力）根据拉断前的最大应力） 屈服强度：屈服强度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根据屈服点或条件屈服点）根据屈服点或条件屈服点） 4 4 3 3 2 21 1 应力应力 应变应变 1 4 2 3 塑性：塑性：3 3 2 2 4 4 1 1 （根据断裂时的应变根据断裂时的应变 ） 刚度：刚度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根据弹性模量根据弹性模量 E E） 直线斜率直线斜率 总总= = 弹弹+ + 塑塑 = = 塑塑 此方法为错误的此方法为错误的 4 4 3 3 2 21 1 应力应力 应变应变 塑性：塑性：3 3 2 2 4 4

17、 1 1 （根据试样的延伸率根据试样的延伸率） 刚度：刚度：1 1 3 3 2 2 4 4 （根据弹性模量根据弹性模量 E E） 直线斜率直线斜率 总总= = 弹弹+ + 塑塑 = = 塑塑 1 234 3.3.硬度硬度 布氏硬度布氏硬度： 用用淬火钢球淬火钢球或或硬质合金球硬质合金球作作 压头，以压痕直径来衡量材料硬度。压头，以压痕直径来衡量材料硬度。 压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的 原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。 注意：注意：压头为钢球时表示成数字压头为钢球时表示成数

18、字+ HBS ，如，如450HBS， 用硬质合金球时表示为数字用硬质合金球时表示为数字+ HBW ，如，如650HBW 洛氏硬度洛氏硬度： 用用金刚石圆锥金刚石圆锥或或淬火钢球淬火钢球作作压压 头，以压痕深度来衡量材料的硬度头，以压痕深度来衡量材料的硬度 。 F F 材料抵抗更硬物体压入的能力。材料抵抗更硬物体压入的能力。 由压头和载荷的不同，洛氏硬度由压头和载荷的不同，洛氏硬度分成分成 HRA、 HRB、HRC三种，以三种，以HRC应应用最广。用最广。 洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测硬硬 材料、薄试样及成品零件。材料、薄试样及成品零件。 标尺标尺压头

19、类型压头类型总载荷总载荷(N)应用范围应用范围 HRA120金刚石圆锥体金刚石圆锥体588.4 硬质合金、表面淬火硬质合金、表面淬火 层、渗碳钢层、渗碳钢 HRB 1.588mm淬火钢球淬火钢球980.7 有色金属、退火钢、有色金属、退火钢、 正火钢正火钢 HRC120金刚石圆锥体金刚石圆锥体235.4淬火钢、调质钢淬火钢、调质钢 三种洛氏硬度的试验规范和应用范围三种洛氏硬度的试验规范和应用范围 维氏硬度维氏硬度： 用用136度金刚石四棱锥度金刚石四棱锥作作压头。压头。 维氏硬度法维氏硬度法载荷小、压痕浅，可测量各种软载荷小、压痕浅，可测量各种软 硬程度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测硬程

20、度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测 极薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。极薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。 另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力，另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力， 两者之间有一定的关系，可近似换算：两者之间有一定的关系，可近似换算： 低碳钢轧材或锻件：低碳钢轧材或锻件： b 0.36 HB； 灰铸铁件：灰铸铁件： b 0.1 HB； 高碳钢轧材或锻件：高碳钢轧材或锻件： b 0.34 HB； 铸铝件：铸铝件： b 0.26 HB； 调质合金钢：调质合金钢： b 0.325 HB 特别提醒：特别提醒：不同硬度试验法所获得的硬度值是不

21、能直接不同硬度试验法所获得的硬度值是不能直接 进行比较的，必须通过换算成同一硬度指标后才能比较。进行比较的，必须通过换算成同一硬度指标后才能比较。 课堂练习题课堂练习题: : 1.1.某工厂欲制造一批钢制拉杆，此拉杆的最大某工厂欲制造一批钢制拉杆，此拉杆的最大 工作应力为工作应力为350MPa350MPa，且工作时不允许产生明，且工作时不允许产生明 显的塑性变形。工厂仓库中有一种钢材，将显的塑性变形。工厂仓库中有一种钢材，将 其制成直径为其制成直径为d d0 0 = = 1010 m m m m 标准拉伸试样后进行标准拉伸试样后进行 拉伸试验，测得拉伸试验，测得 F Fs s = = 2150

22、021500 N N，F Fb b = = 3510035100 N N。 试判断该钢材是否适合做拉杆？为什么？试判断该钢材是否适合做拉杆？为什么？ 2.2.请判断下列说法是否正确：请判断下列说法是否正确： 材料的强度越高就越不容易变形。因此和高材料的强度越高就越不容易变形。因此和高 强度材料相比，低强度材料一定会变形。强度材料相比，低强度材料一定会变形。 硬度高的材料，其强度和刚度也一定会大。硬度高的材料，其强度和刚度也一定会大。 弹性模量大的材料，其弹性极限就高。弹性模量大的材料，其弹性极限就高。 4.4.冲击韧度冲击韧度 通常采用通常采用一次摆锤冲击弯曲试验一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，

23、用摆锤冲进行测定，用摆锤冲 击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功 k 表示冲击韧度。表示冲击韧度。 材料抵抗材料抵抗一次或数次大能量一次或数次大能量 冲击的能力。冲击的能力。 k = G（H - h） S 其中：其中： G -摆锤质量摆锤质量, Kg S -试样缺口处原始截面积试样缺口处原始截面积, cm2 摆锤摆锤 缺口试样缺口试样 ! ! ! 材料的冲击韧度主要取决于塑性，并与温度材料的冲击韧度主要取决于塑性，并与温度 密切相关密切相关。 二次世界大战中，美国建造了约二次世界大战中，美国建造了约50005000艘全焊艘全焊 接接“自由轮自由轮”，然而在，然而

24、在19421942年年19461946年之间有年之间有 10001000艘船舶发生破断，艘船舶发生破断，19461946年年19561956年之间有年之间有 200200艘发生严重折断。艘发生严重折断。19431943年年1 1月美国的一艘月美国的一艘T-T- 2y2y油船停泊在装货码头时断裂成两半截，当时计油船停泊在装货码头时断裂成两半截，当时计 算的甲板应力水平仅为算的甲板应力水平仅为7 Kg7 Kgf/mmf/mm2 2，远远低于船，远远低于船 板钢的强度极限。板钢的强度极限。为什么会断裂呢？为什么会断裂呢？ 通过在不同温度下对材料进行冲击试验，结通过在不同温度下对材料进行冲击试验，结

25、果表明果表明: :材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，材料的冲击韧度值随温度的降低而减小， 当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下 降，材料由韧性状态转变为脆性状态。降，材料由韧性状态转变为脆性状态。 冷脆冷脆- 材料在某一材料在某一低温低温范围内，冲击韧度急剧下降，由范围内，冲击韧度急剧下降，由 塑性状态变为脆性状态的现象。塑性状态变为脆性状态的现象。 冷脆转变温度冷脆转变温度- 材料发生冷脆现象的温度范围材料发生冷脆现象的温度范围。 其数值愈低，表示材料的低温抗冲击性能愈好。其数值愈低，表示材料的低温抗冲击性能愈好。 铜、铝、镍等面心立方结构金

26、属不存在铜、铝、镍等面心立方结构金属不存在“冷脆冷脆”。 温度温度 k 冷脆转变温度冷脆转变温度 一般用应力与循环次数曲线（如图）一般用应力与循环次数曲线（如图） 上应力与横坐标平行时的应力值表示上应力与横坐标平行时的应力值表示 可经无数次循环而不断裂的疲劳强度。可经无数次循环而不断裂的疲劳强度。 对不出现水平段的材料，工程上则规对不出现水平段的材料，工程上则规 定达到一定循环次数（定达到一定循环次数（钢钢107，有色金有色金 属属108）仍不发生断裂的最大应力值为）仍不发生断裂的最大应力值为 其疲劳强度。其疲劳强度。 5.疲劳强度疲劳强度 用材料在无数次重复或交变载荷作用下而不用材料在无数次

27、重复或交变载荷作用下而不 致发生断裂的最大应力致发生断裂的最大应力 -1表示。表示。 -1 N N 材料在材料在无数次重复无数次重复或或交变载荷交变载荷 作用下不产生断裂的能力。作用下不产生断裂的能力。 6.断裂韧度断裂韧度 材料有材料有裂纹存在裂纹存在时抵抗脆性断裂时抵抗脆性断裂 的能力。的能力。 断裂韧度断裂韧度通常用材料的应力强度因子通常用材料的应力强度因子KI的临界的临界 值值KIC来描述。即：来描述。即： KIC = 当材料内部存在宏观裂纹时当材料内部存在宏观裂纹时, ,往往 往会由于裂纹的失稳扩展而使制件往会由于裂纹的失稳扩展而使制件 即使在远低于许用应力的条件下工即使在远低于许用

28、应力的条件下工 作，也会产生无明显塑性变形的断作，也会产生无明显塑性变形的断 裂，即裂，即低应力脆断低应力脆断。这是因为裂纹。这是因为裂纹 尖端附近的尖端附近的应力集中应力集中造成的。造成的。 KI = 应力应力强度因子强度因子 N-2/3 mm mm( N ) . 2 3 - max 7.7.高温蠕变高温蠕变 材料在高温环境下，长时间承材料在高温环境下，长时间承 受恒温、恒应力（远远小于该受恒温、恒应力（远远小于该 温度下的屈服强度温度下的屈服强度 s ）而产生）而产生 缓慢塑性变形甚至断裂的现象。缓慢塑性变形甚至断裂的现象。 一般而言，材料的强度、刚度、硬度等指标将一般而言，材料的强度、刚

29、度、硬度等指标将 随温度的升高而降低，只有塑性会变好。因此在对随温度的升高而降低，只有塑性会变好。因此在对 高温下工作的零件选材时应适当提高对强度和硬度高温下工作的零件选材时应适当提高对强度和硬度 的要求。然而许多高温下工作零件的应力松弛甚至的要求。然而许多高温下工作零件的应力松弛甚至 断裂却更多地是由于蠕变而造成的，故高温零件应断裂却更多地是由于蠕变而造成的，故高温零件应 选用高温蠕变性小的材料。选用高温蠕变性小的材料。 有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变。 1-3 固体材料的结构固体材料的结构 材料的宏观性能是由其微观结构所决定的材料的宏观性

30、能是由其微观结构所决定的 分子是保持物质基本化学性质的最小微粒分子是保持物质基本化学性质的最小微粒, 而分子又是由原子组成的而分子又是由原子组成的 组成分子的组成分子的原子的种类、数目、排列方式原子的种类、数目、排列方式 及原子间的相互作用决定了分子的性质及原子间的相互作用决定了分子的性质 结合键又称为化学键，是指分子中各原子结合键又称为化学键，是指分子中各原子 之间的相互作用。之间的相互作用。 1、几种典型的结合键、几种典型的结合键 离子键离子键 - 金属原子失去价电子成为正离子，金属原子失去价电子成为正离子， 非金属原子获得价电子成为负离子，非金属原子获得价电子成为负离子， 这种由正、负离

31、子相互作用而产生这种由正、负离子相互作用而产生 的强大键合力称为离子键。的强大键合力称为离子键。 大多数由金属和非金属结合形成的盐类、碱类大多数由金属和非金属结合形成的盐类、碱类 和金属氧化物是以离子键结合的。和金属氧化物是以离子键结合的。 - 一、固体材料的结合键一、固体材料的结合键 - - - - - + + + + + + 共价键共价键 - 原子间通过形成共用电子对而产生原子间通过形成共用电子对而产生 的结合键。是由相同原子或性能相的结合键。是由相同原子或性能相 近的原子组成分子时采用的原子结近的原子组成分子时采用的原子结 合方式，如金刚石、碳化硅等。合方式，如金刚石、碳化硅等。 金属键

32、金属键 - 金属原子的外层价电子脱离原子，金属原子的外层价电子脱离原子， 形成金属正离子和共用电子云。形成金属正离子和共用电子云。 这种由正离子和电子云的相互吸这种由正离子和电子云的相互吸 引而形成的结合键称为金属键。引而形成的结合键称为金属键。 分子键分子键 - 分子之间通过一个分子的负电性分子之间通过一个分子的负电性 部分与另一个分子的正电性部分部分与另一个分子的正电性部分 相互吸引而产生的结合键。相互吸引而产生的结合键。 + + + + + + + + + 2、工程材料的结合键与性能、工程材料的结合键与性能 金属金属材料材料 -以以金属键金属键为主。为主。 高硬度、高强度、高熔点，良好的

33、塑性、导电、导热高硬度、高强度、高熔点，良好的塑性、导电、导热 性及大密度性及大密度 有机高分子材料有机高分子材料 -分子内分子内共价键共价键,分子间分子间分子键分子键。 不高的强度和硬度，低的熔点和耐热性，密度小，耐不高的强度和硬度，低的熔点和耐热性，密度小，耐 蚀和绝缘性好蚀和绝缘性好 陶瓷材料陶瓷材料（无机材料）（无机材料）-离子键离子键或或共价键共价键为主。为主。 硬而脆，高熔点，耐热、耐蚀性好，绝缘好硬而脆，高熔点，耐热、耐蚀性好，绝缘好 复合材料复合材料 -取决于组成物的结合键取决于组成物的结合键。 二、二、金属材料的显微结构金属材料的显微结构 固态物质按原子聚集状态分为晶体和非晶

34、体。 晶体晶体 - 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 非非晶体晶体 - 原子呈现无规律、无次序的堆积。原子呈现无规律、无次序的堆积。 绝大多数的固态金属和合金都是晶体。 金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子 的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性； 正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属 具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻 增大，电阻

35、温度系数增大，使金属具有正的温度系数；增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数； 1、金属键及金属的特性、金属键及金属的特性 自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性； 当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的 能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体 中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金 属键结合，使金属具有良好的塑性。属键结合，使金属具有良好的塑性。 晶格晶格-

36、将将晶体中的每一个原子假设成一个几何晶体中的每一个原子假设成一个几何 点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把 这些点连接起来，所得到的一个表示金这些点连接起来，所得到的一个表示金 属内部原子排列规律的抽象的空间格子。属内部原子排列规律的抽象的空间格子。 2、晶格、晶胞和晶格常数、晶格、晶胞和晶格常数 晶胞晶胞-反映晶格特征的最小几何单元。反映晶格特征的最小几何单元。 （a） 原子排列模型原子排列模型 （b） 晶格晶格 （c） 晶胞晶胞 晶格常数晶格常数-反映晶胞大小、形状的参数。反映晶胞大小、形状的参数。 如棱边长度如棱边长度a a、b b 、c(c(以以 A A

37、 为单位，为单位，1 1 A A =10=10-10 -10 米 米) ) 和棱间夹角和棱间夹角、 等。等。 。 3、晶向和晶面、晶向和晶面 晶向晶向-晶体中，任意二个原子之间的连线称为晶体中，任意二个原子之间的连线称为 原子列，连线所指方向称为晶向。原子列，连线所指方向称为晶向。 晶向通常采用晶向通常采用晶向指数晶向指数 u v w 表示表示 即以晶胞的某个顶点为坐标原点，以即以晶胞的某个顶点为坐标原点，以 晶胞的晶胞的3 3条棱边为坐标轴条棱边为坐标轴, ,以棱边长度以棱边长度 为单位长度。过原点作一平行于待定为单位长度。过原点作一平行于待定 晶向的有向线段，其上任一点的座标晶向的有向线段

38、，其上任一点的座标 值化为最简整数后即为值化为最简整数后即为晶向指数晶向指数。 如左图中如左图中红色红色线段的座标值线段的座标值X=1X=1， Y=1/2,Z=0Y=1/2,Z=0，则其晶向指数为，则其晶向指数为210210 而而绿色绿色线段的座标值线段的座标值X=0X=0，Y=1,Z=Y=1,Z= -1,-1, 则其晶向指数为则其晶向指数为011011 210 110 011 晶面晶面-晶体中各种方位的原子面称为晶面。晶体中各种方位的原子面称为晶面。 立方晶系立方晶系的晶面指数通常采用的晶面指数通常采用密勒指数法密勒指数法确定，即根据确定，即根据 晶面与晶面与3 3个坐标轴的截距来决定晶面指

39、数。通常选晶胞中个坐标轴的截距来决定晶面指数。通常选晶胞中 不在所求晶面上的某个顶点为坐标原点不在所求晶面上的某个顶点为坐标原点( (不出现零截距不出现零截距) )， 以晶胞以晶胞3 3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；取晶面的条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；取晶面的 三坐标三坐标截距值的倒数截距值的倒数，并化为最简整数即为其晶面指数。，并化为最简整数即为其晶面指数。 晶面的方位通常采用晶面的方位通常采用晶面指数晶面指数( ( h k l ) )表示。表示。 如上图中如上图中绿色晶面绿色晶面与与3 3个坐标轴的截距为个坐标轴的截距为1 1、1 1、1/21/2， 其晶面指数为（其晶面指数为（

40、112112）。）。 ! ! ! 需要注意的是：需要注意的是： 所有所有相互平行的晶向相互平行的晶向都具有都具有相同的晶向指数相同的晶向指数。 如果晶向相反，则它们的晶向指数的数值相同，如果晶向相反，则它们的晶向指数的数值相同， 符号相反；符号相反； 所有所有相互平行的晶面相互平行的晶面都具有都具有相同的晶面指数相同的晶面指数。 晶面指数的数值相同而符号相反，表示这两个晶面指数的数值相同而符号相反，表示这两个 晶面，如（晶面，如（100100）与（）与（100100）平行地分布在坐标）平行地分布在坐标 原点的两边。原点的两边。 体心立方晶格体心立方晶格 -晶胞形状为立方体，晶胞形状为立方体，8

41、 8个顶点及体个顶点及体 心各有心各有1 1个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞2 2个原子个原子) )，晶格常数，晶格常数 = = b b = = , , = = = =90= =90。属于此类晶格的金属有铬、钼、钒、。属于此类晶格的金属有铬、钼、钒、 钨、钨、- -铁等。具有相当高的强度和塑性。铁等。具有相当高的强度和塑性。 4、常见的晶格类型及其致密度、常见的晶格类型及其致密度 c ca a 面心立方面心立方晶格晶格 -晶胞形状为立方体，晶胞形状为立方体，8 8个顶点及个顶点及6 6 个表面的中心各有个表面的中心各有1 1个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞4 4个原子个原子) )，晶格常，晶格

42、常 数数 = = b b = = , , = = = =90= =90。属于此类晶格的金属有金、。属于此类晶格的金属有金、 银、铜、铝、镍、银、铜、铝、镍、 - -铁等。具有较好的塑性而且低温铁等。具有较好的塑性而且低温 下不会发生下不会发生冷脆冷脆。 c ca a 密排六方密排六方晶格晶格 -晶胞形状是一个六方柱体。柱体晶胞形状是一个六方柱体。柱体 的的1212个顶点及上、下底面中心各有个顶点及上、下底面中心各有1 1个原子，柱体中心个原子，柱体中心 还有还有3 3个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞6 6个原子个原子) )。属于这类晶格的金属。属于这类晶格的金属 有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较

43、差。有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较差。 致密度致密度-晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。 ？体心立方、面心立方及密排六方晶格的体心立方、面心立方及密排六方晶格的 致密度为多少？致密度为多少？ 提示提示: : 先按原子排列最紧密的晶向推算出原子半径与先按原子排列最紧密的晶向推算出原子半径与 晶格常数的关系，再计算一个晶胞中原子所占晶格常数的关系，再计算一个晶胞中原子所占 体积以及晶胞的体积。体积以及晶胞的体积。 如体心立方晶格中，原子排列如体心立方晶格中，原子排列 最紧密的晶向为最紧密的晶向为111111，可以推出：，可以推出： 原子半径原子半径 r r= =

44、3 4 4 3 3 a a 理想晶体是理想晶体是单晶体单晶体 结晶结构和结晶结构和 位向完全一致的晶体。位向完全一致的晶体。 单晶体一般性能呈现单晶体一般性能呈现各向异性各向异性， 须用特殊手段制取须用特殊手段制取。 实际金属是实际金属是多多晶体晶体 由许多结构相同由许多结构相同 但位向不同的小晶体所构成的晶体。但位向不同的小晶体所构成的晶体。 多晶体一般呈现多晶体一般呈现各向同性各向同性( (又称为又称为 伪各向同性，即各晶粒因位向不同而伪各向同性，即各晶粒因位向不同而 将各向异性抵消，使各向性能趋于相同将各向异性抵消，使各向性能趋于相同) ) 晶粒晶粒 晶界晶界 5、实际金属的晶体结构实际

45、金属的晶体结构 实际金属有晶格缺陷实际金属有晶格缺陷 原子排列规则受到破坏，原子排列规则受到破坏， 出现与理想结构的偏差出现与理想结构的偏差 点缺陷：点缺陷：间隙原子间隙原子、 置换原子置换原子、 晶格空位晶格空位 晶格缺陷分为晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷 所有的晶格所有的晶格缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变，缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变， 从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变化。从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变化。 一般而言，一般而言，晶格晶格缺陷越多，强度、硬度越高。缺陷越多，强度、硬度越高。 线缺陷：线缺陷：位错位错（一列或多列原子

46、发生错排）（一列或多列原子发生错排） 面缺陷：面缺陷：晶界晶界或或亚晶界亚晶界上的晶格畸变上的晶格畸变 晶界晶界亚晶界亚晶界 晶粒与晶粒晶粒与晶粒 之间的交界面之间的交界面 在同一晶粒内，在同一晶粒内， 略有位向差的略有位向差的 小晶块之间的边界小晶块之间的边界 如如NaCl是以离子键结合的是以离子键结合的离子晶体离子晶体；金刚石金刚石 是以共价键结合的是以共价键结合的共价晶体；共价晶体；塑料、橡胶等则是塑料、橡胶等则是 高分子晶体高分子晶体（分子内分子内共价键，分子间分子键）。共价键，分子间分子键）。 非金属材料有些是晶体，有些是非晶体。非金属材料有些是晶体，有些是非晶体。 三、非三、非金属

47、材料的结构金属材料的结构 而普通玻璃、松香等都是非晶体。由于非晶体而普通玻璃、松香等都是非晶体。由于非晶体 的原子或分子的排列状态类似于液体，故又被称为的原子或分子的排列状态类似于液体，故又被称为 “被冻结的液体被冻结的液体”。 微晶玻璃微晶玻璃（钢化玻璃、晶态玻璃）（钢化玻璃、晶态玻璃） 1-4 金属的结晶金属的结晶 一、有关结晶的几个概念一、有关结晶的几个概念 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 三、结晶后的晶粒大小三、结晶后的晶粒大小 五、金属铸锭的组织形态五、金属铸锭的组织形态 四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变 一、一、有关结晶的几个概念有关结晶的几个概念 1.结晶结晶-

48、液态金属凝固成为原子有规则排列的液态金属凝固成为原子有规则排列的 晶体的过程。晶体的过程。 2.冷却曲线冷却曲线-液态金属从高温冷却至室温的过液态金属从高温冷却至室温的过 程中测得的温度程中测得的温度-时间变化曲线。时间变化曲线。 温度温度 无限缓慢冷却时无限缓慢冷却时 温度温度 实际冷却时实际冷却时 T0 T 时间时间 时间时间 3.3.理论结晶温度理论结晶温度T T0 0-在无限缓慢冷却条件下的在无限缓慢冷却条件下的 平衡结晶温度。平衡结晶温度。 4.4.过冷现象及过冷度过冷现象及过冷度 过冷现象过冷现象-实际冷却实际冷却条件下，实际结晶温度总条件下，实际结晶温度总 是低于理论（平衡）结晶

49、温度的现象。是低于理论（平衡）结晶温度的现象。 过冷度过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差值理论结晶温度与实际结晶温度的差值。 过冷度与冷却速度的关系：过冷度与冷却速度的关系： 冷却速度越快，过冷度冷却速度越快，过冷度 T T越大越大。 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 结晶结晶=晶核形成晶核形成+晶核长大晶核长大 通常情况下，晶核形成后的晶核长大方式是通常情况下，晶核形成后的晶核长大方式是 呈树枝状的长大，即首先沿散热条件最好的晶核呈树枝状的长大，即首先沿散热条件最好的晶核 棱角处快速生长形成主干（一次晶轴），同时又棱角处快速生长形成主干（一次晶轴），同时又 不断地生出新的分枝，直至液

50、体全部消耗殆尽。不断地生出新的分枝，直至液体全部消耗殆尽。 一般结晶完毕后，这种树枝晶形态并不显露，一般结晶完毕后，这种树枝晶形态并不显露， 但在铸锭组织中较为明显。但在铸锭组织中较为明显。 根据结晶过程分析，若形核速度快于生长速根据结晶过程分析，若形核速度快于生长速 度，则结晶后的晶体晶粒细密，力学性能较好；度，则结晶后的晶体晶粒细密，力学性能较好； 而若形核少、生长快，则易得到粗大的晶粒，造而若形核少、生长快，则易得到粗大的晶粒，造 成力学性能的下降。成力学性能的下降。 三、结晶后的晶粒大小三、结晶后的晶粒大小 金属结晶后的晶粒愈细，晶界面积就愈大金属结晶后的晶粒愈细，晶界面积就愈大, ,

51、 意味着晶体缺陷就愈多，则对金属力学性能的影意味着晶体缺陷就愈多，则对金属力学性能的影 响愈大。一般情况下，响愈大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、细晶粒组织的强度、硬度、 塑性和韧性都比粗晶粒组织好塑性和韧性都比粗晶粒组织好。 细化晶粒的方法：细化晶粒的方法： 1.增大冷却速度以提高过冷度，可细化晶粒。增大冷却速度以提高过冷度，可细化晶粒。 如铸造时用金属型代替砂型，加快冷却。如铸造时用金属型代替砂型，加快冷却。 2.通过变质处理（孕育处理）增加晶核数，可通过变质处理（孕育处理）增加晶核数，可 细化晶粒。细化晶粒。 匀质晶核（自发晶核）匀质晶核（自发晶核） 异质晶核（人工晶核）异质晶核（

52、人工晶核） 3.结晶时外加振动（机械、超声波、电磁）破结晶时外加振动（机械、超声波、电磁）破 碎大晶粒，获得细晶组织。碎大晶粒，获得细晶组织。 四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变 固态物质随温度不同而改变其原子排列方式，固态物质随温度不同而改变其原子排列方式， 得到不同晶体结构的现象称为得到不同晶体结构的现象称为同素异构转变同素异构转变，又，又 称为称为重结晶重结晶。 纯铁的同素纯铁的同素异构转变过程：异构转变过程： 912912 13941394 -Fe-Fe -Fe-Fe - -FeFe ( (体心立方）体心立方） （面心立方）（面心立方） （体心立方）（体心立方） 具有同素异构

53、转变特性的金属（如具有同素异构转变特性的金属（如FeFe、CoCo、SnSn、MnMn等）等） 可以通过热处理来改变组织和性能。可以通过热处理来改变组织和性能。 液态铁液态铁 15381538 结晶结晶重结晶重结晶重结晶重结晶 五、金属铸锭的组织形态五、金属铸锭的组织形态 生产中应用的金属材生产中应用的金属材 料，无论是板材、棒材，料，无论是板材、棒材， 还是线材，其原始的状态还是线材，其原始的状态 一般都为锭材，即将液态一般都为锭材，即将液态 金属浇入铸模或铸型中冷金属浇入铸模或铸型中冷 却结晶而成的。铸锭的组却结晶而成的。铸锭的组 织形态将直接影响材料的织形态将直接影响材料的 性能。性能。

54、 1-表面细晶表面细晶 1 2 3 2-内层柱状晶内层柱状晶 铸锭组织示意图铸锭组织示意图 3-中心粗大等轴晶中心粗大等轴晶 1-5 二元合金二元合金 一、有关合金的几个概念一、有关合金的几个概念 二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构 三、二元合金相图三、二元合金相图 一、有关合金的几个概念一、有关合金的几个概念 合金合金-由两种或两种以上的金属元素或金属元素与由两种或两种以上的金属元素或金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质。非金属元素组成的具有金属特性的物质。 元元-组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。 相相-成分相同、结构相同，并与

55、其它部分以界面分开成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开 的均匀物质部分。的均匀物质部分。 组织组织-由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的，由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的， 具有相同形貌特征的整体。具有相同形貌特征的整体。 固态合金的晶格结构按其基本的相属性来分，固态合金的晶格结构按其基本的相属性来分， 可以分为固溶体和化合物两大类。可以分为固溶体和化合物两大类。 二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构 1.固溶体固溶体-( (少数少数) )溶质原子溶入溶质原子溶入( (多数多数) )溶剂原子溶剂原子 的晶体结构的晶体结构中所形成的合金相。中所形成的合金相。 固溶体仍将保持溶剂

56、金属的晶体结构，但晶格参数固溶体仍将保持溶剂金属的晶体结构，但晶格参数 发生改变。发生改变。 间隙固溶体：间隙固溶体： 置换固溶体：置换固溶体： 固溶强化固溶强化-固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子 的间隙或置换溶剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、的间隙或置换溶剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、 硬度提高的现象。硬度提高的现象。 溶剂原子直径溶剂原子直径 溶质原子直径溶质原子直径 0.590.59 时形成。是时形成。是有限固溶体有限固溶体 溶质和溶剂原子大小接近时形成。溶质和溶剂原子大小接近时形成。有限有限互溶互溶 或或无限无限互溶，温度越高，溶解度越

57、大。互溶，温度越高，溶解度越大。 2.金属化合物金属化合物-两组元都放弃自身的原子排列方两组元都放弃自身的原子排列方 式而形成的一种具有全新晶体结式而形成的一种具有全新晶体结 构的新物质。构的新物质。 化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。 3.机械混合物机械混合物-由固溶体和金属化合物均匀混合由固溶体和金属化合物均匀混合 而成的物质。而成的物质。 机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进 行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以，行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以， 工业中使用的合

58、金都希望有相当比例的机械混合物存在。工业中使用的合金都希望有相当比例的机械混合物存在。 * *另外，固态合金的晶格结构还可按其组织属性来分，另外，固态合金的晶格结构还可按其组织属性来分， 将分为将分为固溶体固溶体、化合物化合物和和机械混合物机械混合物三大类。三大类。 三、二元合金相图三、二元合金相图 1.几个基本概念：几个基本概念： 二元二元合金合金-由两种组元组成的合金。由两种组元组成的合金。 合金系合金系-组元组元相同但相同但配比不同的系列合金。配比不同的系列合金。 如如Cu-NiCu-Ni系、系、Pb-SnPb-Sn系等。系等。 相平衡相平衡-合金系中各相的成分、结构和相对量合金系中各相

59、的成分、结构和相对量 趋于稳定，不再发生变化的状态。趋于稳定，不再发生变化的状态。 相图相图-表达表达平衡条件平衡条件下，下，合金系中温度、成分合金系中温度、成分 和相组织之间关系的图形。又称为合金和相组织之间关系的图形。又称为合金 状态图。状态图。 自由度自由度-保持相保持相平衡时，合金体系中可独立改平衡时，合金体系中可独立改 变的因素数目（如温度、压力、相的变的因素数目（如温度、压力、相的 成分等）。成分等）。 如自由度为如自由度为0 0，表示温度、压力、相成分都不能独立，表示温度、压力、相成分都不能独立 改变，否则会引起平衡相的改变；自由度为改变，否则会引起平衡相的改变；自由度为1 1，

60、表示只能，表示只能 改变三者之一而不影响平衡相；依此类推。改变三者之一而不影响平衡相；依此类推。 在只考虑温度影响时，相律表达式为：在只考虑温度影响时，相律表达式为： F FC CP P 1 1 其中其中: F 体系的自由度数；体系的自由度数； C 体系中独立组元数；体系中独立组元数； P 相数；相数； 相律表达式相律表达式-表示在平衡条件下，独立组元数、表示在平衡条件下，独立组元数、 相数和自由度三者之间的关系式。相数和自由度三者之间的关系式。 2.相图的作用：相图的作用： 分析各种类型、各种成分的合金在不同温度下分析各种类型、各种成分的合金在不同温度下 的组织形态，从而比较各自性能的差异。