工程材料复习资料(上)

1、一. 晶胞P10晶体中原子（离子和分子）规则排列的方式称为晶体结构。为方便研究，假设通过金属原子（离子）的中心画出许多空间直线，这些直线形成的空间架构，称为晶格。能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。晶胞在三维空间重复排列构成晶格。三种常见的金属晶体结构：1. 体心立方晶胞（格）BCCTi V Cr Mn Fe Mo W2. 面心立方晶胞（格）FCC Al Mn Fe Co Ni Cu Ag Pt Au Pb3. 密排六方晶胞（格）HCP Be Mg Ti Cr Co Zn 二. 晶体缺陷p17按照几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。（1） 点缺陷p17在三维尺度很小不超过几个原子

2、直径的缺陷。1 空位在晶体晶格中，若某结点上没有原子，则此结点称为空位。塑性变形、高能粒子辐射、热处理等会促进空位的形成。2 间隙原子位于晶格间隙中的原子叫间隙原子。间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变。3 异类原子任何纯金属中存在的其他元素原子。当异类原子的半径比金属原子的半径接近时，异类原子可能占据晶格的一些结点。当异类原子半径比金属原子半径小时，异类原子位于晶格的空隙中。点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发成变化。空位的存在有利于金属内部原子的迁徙（扩散）。在纯金属中，主要的缺陷是空位，并非间隙原子。 （2） 线缺陷p181 刃型位错在金属晶体中，晶体的一部分相对于

3、另一部分出现一个多余的原子面，这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线为位错线。2 螺型位错晶体的错动区的原子用线连接，具有螺旋形特征。螺旋线的中心线是位错线。A 位错导致晶格畸变产生内应力，刃型位错原子排列较密集区域原子受压应力，原子排列较疏区域原子受拉应力。B 刃型位错容易吸纳异类原子。原子排列较密集区域吸纳小直径的异类原子，原子排列较疏区域吸纳大直径的异类原子。C 位错具有易动性，在外力作用下，位错能产生移动。刃型位错移动的方向与切应力方向相同，螺型位错移动方向与切应力方向垂直。D 少量位错降低材料性能，大量位错提高材料性能。E 在外力或热的作用下位错移动，正负型位错能复合或消

4、失。F 位错能与间隙原子或空位复合，使人性位错半原子面扩大或缩小。（位错攀移）（3） 面缺陷二维尺度很大而三维尺度很小的缺陷。1 晶界晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。晶界在空中呈网状，晶界上原子的排列规则性较差。2 亚晶界晶粒由许多相位差很小的亚晶粒组成，晶粒中的亚晶粒又称晶块（镶嵌块）。亚晶粒之间的边界为亚晶界。亚晶界是晶粒内的一中面缺陷。在晶界、亚晶界上，晶格畸变较大，原子处于较高的能量状态。A 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。在高温时，晶粒容易长大。B 晶界处于存在较多的空位、位错，容易吸附异类原子，导致某些元素产生晶界偏聚。C 发生相变时，新相往

5、往在母相的晶界中形成。母相晶粒越细晶界越多，新相的晶粒就越多越细。D 晶界和亚晶界均可以提升金属强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑形越好。三 合金的晶体结构p221. 组成合金的独立的、最基本的单元叫组元。组元可以是金属元素、非金属元素稳定化合物。2. 合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能比纯金属高。某些合金还有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理化学性能。3.在金属或合金中，具有一定化学成分和一定晶体结构的均匀组成部分叫相。液态物质为液相，固态物质为固相。固态金属有固溶体和金属化合物两类基本相。（1） 固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相为固溶体

6、。溶质在溶剂晶格中的位置 置换固溶体 间隙固溶体置换固溶体中溶质原子代替了溶剂晶格某些结点的原子，间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。 溶质原子在溶剂中的溶解度 有限固溶体 无限固溶体 溶质原子在固溶体中分布是否规律 有序固溶体 无序固熔体在一定条件下，一些合金的无序固溶体可以转化为有序固溶体，这种转变为有序化原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并一定是无序的。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。固溶体的性能随溶质原子的溶入，固溶体晶格发生畸变。晶格畸变随溶

7、质原子浓度的增高而增大。晶格畸变会增大位错运动的阻力，使金属的滑移变得困难，从而提高合金的硬度和强度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称之为固溶强化。四 金属材料的组织p24金属材料的组织取决于它的化学成分和制造工艺过程。不同的碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不同。五 金属材料的性能特点p26金属材料的性能 工艺性能 制造工艺过程中材料适应加工的性能 使用性能 金属材料在使用条件下所表现的性能 力学 物理 化学1 金属的工艺性能 流动性 熔融金属的流动能力（1） 铸造性能 收缩性 铸件在凝固冷却过程中体积和尺寸减少的现象 偏析倾向 凝固后 铸件化学成分和组织不均匀现象

8、（2） 锻造性能 塑形越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。（3） 焊接性能 碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。（4） 切削加工性能 2 金属材料的力学性能p28（1） 强度 金属材料抵抗塑形变形或断裂的能力（2） 塑形 断裂前金属材料产生永久变形能力，用断后伸长率和断面收缩率来表示。P30（3） 硬度 受压时抵抗局部塑形变形的能力。 布氏硬度 洛氏硬度（4） 韧性 （5） 疲劳强度（6） 断裂韧性3 金属材料的理化性能p33(1) 密度 =m/v(2) 熔点(3) 导热性(4) 导电性(5) 热膨胀性 温度升高到一定数值时，铁磁性材料磁畴被破坏，可变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，

9、铁的居里点是770度。4 金属的化学性能（1） 耐腐蚀性（2） 抗氧化性六 高分子材料的力学性能特点线性非晶态高聚物的力学状态p42A 玻璃态B 高弹态C 粘流态 七 纯金属的结晶p581. 过冷度理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差为过冷度，用T表示 T=T0-Tn 在恒温条件下，只有引起体能自由度（即对外做功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。2. 纯金属的结晶过程液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种方式。（1） 自发形核液态中，大于临界晶核尺寸的短程有序原子集团变得稳定，形成结晶核心（在一定过冷度下能形成结晶核心的短程有序原子

10、集团的最小半径叫临界晶核尺寸。过冷度越大，临界晶核尺寸越小。）（2）非自发形核 实际金属往往含有杂质。杂质的存在能促进晶核的形成。依附杂质而生成的晶核叫非自发晶核。自发晶核和非自发晶核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先主导的作用。 3.晶体的长大 平面长大 树枝状长大八.同素异构转变p59在固态存在两种及两种以上的晶格形式的金属在冷却或加热过程中，晶格形式发生变化的。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。液态纯铁在1538时进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe。继续冷却到1394时发生同素异构转变，称为面心立方晶格的-Fe。再冷却到

11、912时又发生同素异构转变，成为体心立方晶格-Fe。九.铸锭p60 细等轴晶区 柱状晶区 粗等轴晶区十.细晶强化p61 金属的晶粒越小，金属的强度、塑形和韧性越好。使细晶强化，是提高金属力学性能的重要途径之一。1.细化铸态金属晶粒的措施 过冷度 变质处理 震动 电磁搅拌 2.定向结晶3.单晶的制取根据结晶理论，制备单晶的基本要求是只存在一个晶核，要严格防止另外形核。制取方法 尖端形核法 垂直提拉法十一.铁三相图 p73十二.加工硬化p891.金属发生塑形变形，随变形度的增大，金属强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象为加工硬化（形变强化）。2.由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产

12、生各向异性。（如沿纤维方向的强度和塑形明显高于垂直方向的）用有织构的板材冲制桶形零件时，由于在不同方向上塑形差别很大，零件的边缘出现“制耳”。3.产生残余内应力由于金属发生塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力，即外力去除后，金属内部会残留下来应力。十三.金属的再结晶p90金属经塑形变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大的过程。1.回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度是T回复=（0.250.3）T熔点 式

13、中T熔点表示该金属的熔点。由于加热温度不高，原子扩散能力不大，只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少。而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不再发生明显变化。此时材料的强度和硬度略微降低、塑性有增高，但是残余应力大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保证加工硬化效果。2.再结晶变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（压扁）、破粹的晶粒通过重新形核和长大变成均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶。再结晶生成的新晶粒的晶格类型与变形前、后的晶格类型均相同。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而韧性和塑形大大提高，加工硬化现象消除，此时内应力