工程材料课件

第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元1單元2純金屬的晶體結構合金的晶體結構及金屬材料的組織單元3第二節金屬材料的性能金屬材料的機械性能單元4金屬材料的工藝、物理和化學性能素材庫習題庫目錄單元11.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

純金屬的晶體結構晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規則的週期性排列的物體。如金剛石、水晶、金屬等。非晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間無規則排列的物體。如松香、石蠟、玻璃等素材庫練習一目錄1.1.1純金屬的晶體結構晶體結構—晶體中原子（離子或分子）規則排列的方式.

晶格—假設通過原子結點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶胞—能反映晶格特徵的最小組成單元。晶格常數—晶胞的三個棱邊的長度a,b,c1.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

單元1(一)常見的金屬晶體結構

①體心立方晶格（BCC—Body-CenteredCube）素材庫練習一目錄有：鉬（Mo）、鎢、釩、鉻、鈮、α-Fe等②面心立方晶格（FCC—Face-CenteredCube）③密排六方晶胞（HCP—HexagonalClose-Packed）面心立方晶格金屬有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。密排六方晶格金屬有：鎂、鎘（Cd）、鋅、鈹（Be）等。1.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

單元1(二)金屬晶體中的晶面和晶向晶面—晶體學中，通過晶體中原子中心的平面稱晶面。

晶向—晶體學中，通過晶體中原子中心的直線為原子列，其所代表的方向叫晶向。晶面和晶向可分別用晶面指數和晶向指數來表達。素材庫練習一目錄XYZ(001)(100)(010)（1）晶面和晶向的表示方法①立方晶系的晶面表示方法舉例：（100）、（110）（111）、（010）等

晶面族：原子排列完全相同但在空間位向不同。

如：｛111｝、｛100｝

｛110｝等

②

立方晶系的晶向表示方法舉例：[111]、[100]、[110]、[101]等。

晶向族：原子排列完全相同但在空間位向不同。

如：<100>

1.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

單元1XYZ[111][100][110][011][101]素材庫練習一目錄立方晶系中如一個晶面指數和一個晶向指數數值和符號相同時，則該晶面和該晶向互相垂直。如：（111）⊥[111]（2）密排面和密排方向

體心立方晶格中｛110｝為密排面，

<111>為密排方向。面心立方晶格中｛111｝為密排面，

<110>為密排方向。

（三）金屬晶體的特性①金屬有確定的熔點。②金屬晶體有各向異性（單晶體）。③晶體排列有規則的、週期的長程有序（納米級）。④具有規則的外形。1.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

單元1（四）實際金屬中的晶體缺陷（1）點缺陷—三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。①空位①空位②間隙原子③異類原子②間隙原子③異類原子素材庫練習一目錄（2）線缺陷—二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。①刃型位錯②螺型位錯①刃型位錯（3）面缺陷—二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。①晶界②亞晶界

晶界1.材料的結構與性能1.1金屬材料的結構與組織

單元11.1.1純金屬的晶體結構（四）實際金屬中的晶體缺陷※金屬晶體缺陷的影響？

點缺陷--造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強度增加,

密度發生變化。

線缺陷--形成位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，

金屬強度很高，位錯密度越大，金屬強度也會提高。面缺陷--晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，

金屬塑性變形的能力越大，塑性越好。素材庫練習一目錄第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元1單元2純金屬的晶體結構合金的晶體結構及金屬材料的組織單元3第二節金屬材料的性能金屬材料的機械性能單元4金屬材料的工藝、物理和化學性能素材庫習題庫目錄單元2單元2

第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織素材庫練習二目錄合金的晶體結構及金屬材料的組織-1

基本內容和要求一.基本概念

掌握有關合金、組元、相、二元合金、組織等概念。二.合金基本相的類型

瞭解各自的種類、特點、形成過程及其對合金性能的影響。

三.理解和掌握固溶強化概念及其強化原理。

理解和掌握彌散強化概念及其強化原理。

練習二素材庫單元2目錄-2單元2一、基本概念合金

組元二元合金

相組織練習二素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-31.合金

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質、稱為合金。（alloy）練習二素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-42.組元

組元可以是金屬、非金屬或穩定化合物。

組成合金的獨立的，最基本的單元稱組元

由兩種組元組成的合金，稱為二元合金。3.二元合金素材庫練習二目錄第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2-5合金舉例：碳鋼（carbonsteel）：是鐵與碳所組成的合金。白銅：主要是銅與鎳所組成的合金。黃銅(brass)：是銅與鋅等元素組成的合金。

合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達到的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、強磁性、耐蝕性等。練習二目錄素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2-64.相在固態下，物質可以是單相的，也可以是多相的。鐵在同素異構轉變過程中，會出現相的變化。純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。固態白銅（銅與鎳二元合金）是單相的。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。

在物質中，凡是成分相同，結構相同並與其他部分以介面分開的均勻組成部分，稱為相。練習二素材庫目錄-7單元25.組織合金的組織是由數量、大小、形狀和分佈方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構成的材料具有不同的性能。同一種鋼經過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。45鋼經過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。並獲得不同的性能。組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。練習二素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-8T8鋼在A1臨界點上下組織和結構的變化練習二素材庫請點擊目錄-9單元2T8鋼加熱時組織和結構的轉變素材庫練習二這是複雜晶體結構的Fe3C過程解釋：Fe3C和α-Fe交界（Fe3C和鐵素體晶界）開始向γ-Fe轉變，同時C原子向一方擴散最後形成含碳均勻的奧氏體組織（即C在γ-Fe中的間隙式固溶體）目錄單元2-10純鐵加熱時晶體結構的轉變純鐵912℃以下為體心立方的α-Fe加熱到912℃α-Fe開始向面心立方γ-Fe轉變素材庫練習二目錄單元2-11T8鋼淬火後發生的組織和結構的變化練習二素材庫請點擊目錄單元2-12不同鑄鐵組織類型金相圖練習二素材庫請點擊目錄單元2-13鈹青銅金相組織圖練習二素材庫請點擊目錄單元2-14二、固溶體合金中兩組元在液態和固態下都互相溶解，共同形成一種成分和性能均勻的、且結構與組元之一相同的固相，稱為固溶體。固溶體溶劑+溶質一種固相能夠保持其原有晶格類型並與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質，一般在合金中含量較少。(solidsolution)素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-15（一）固溶體的分類根據溶質原子在溶劑晶格中所佔據的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。根據溶質原子在溶劑晶格中分布是否有規律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。根據溶質原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。溶解度：指溶質在固溶體中的極限濃度。素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-16間隙固溶體溶質原子進入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。(interstitialsolidsolutions)置換固溶體(substitutionalsolidsolution)溶質原子佔據在溶劑晶格的某些結點上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。間隙固溶體置換固溶體素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-17

溶質與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。

溶質原子有規則地佔據溶劑結構中的固定位置，溶質與溶劑原子數之比為一定值時，所形成的固溶體稱為有序固溶體。否則為無序固溶體。素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-18間隙固溶體溶質原子與溶劑原子直徑之比應小於0．59方可。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質原子將使間隙固溶體發生畸變，其濃度越大，畸變越大。間隙固溶體都是無序固鎔體。練習二素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-19置換固溶體無限固溶體和有序固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體和無序固溶體。兩組元晶體結構相同，原子半徑和電化學特性接近，則容易形成置換固溶體。無限固溶體形成條件兩組元晶體結構相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質原子半徑rB的相對差(rA—rB)\rA小於8%左右時。兩元素間的電負性相差越小越好。練習二素材庫第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-20無序素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織偏聚短程有序單元2目錄請點擊-21碳在α－

Fe中的間隙固溶體素材庫練習二請點擊目錄單元2-22銅和金形成的置換固溶體素材庫練習二請點擊目錄單元2-23（二）固溶體的性能固溶體與純金屬相比強度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結構合金的基體相固溶體與純金屬相比電阻率上升，導電率下降等。素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-24固溶強化的原因

？

由於溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發生畸變，晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強度和硬度。素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-25三、金屬化合物

它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同於任一組元的新相。金屬化合物一般具有複雜的晶體結構，熔點高，硬而脆。合金中出現金屬化合物時，常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。

根據合金中金屬化合物相結構的性質和特點，可大致劃分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-26（一）正常價化合物嚴格遵守化合價規律的化合物稱正常價化合物。(normal-valencecompounds)這類化合物是由週期表上相距遠而電負性相差較大的兩元素形成的。可用確定的化學式來表示。這類化合物的共同特點是硬度較高，脆性很大。化合物的晶格形式與其形成元素完全不同，各類原子在晶格中都呈有序排列。這類化合物有：Mg2Sn、BeS、ZnS、A1P、ZnSe、CaF2等。素材庫練習二目錄單元2-27CaF2型的晶格形式和ZnS型晶格形式素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄請點擊-28（二）電子價化合物(electroncompounds)

不遵守一般的化合價規律但符合於一定電子濃度（價電子數與原子數目之比值）的化合物。電子濃度(即電子數／原於數)為3／2的電子化合物，皆具有體心立方晶格稱之為β相。如CuZn、Cu5Sn、FeAl、NiAl等。電子濃度為21／13的電子化合物皆具有複雜立方晶格，稱為γ相如Cu5Zn8、Cu31Sn8等。電子濃度為7／4的電子化合物，皆具有密排六方晶格，稱作ε相。如CuZn3、Cu8Sn等電子化合物主要以金屬鍵結合，有明顯的金屬特性，可以導電是硬而脆的相，在許多有色金屬中為重要的強化相。素材庫練習二目錄單元2-29（三）間隙化合物(interstitialcompounds)是由過渡族金屬(Fe、Cr、Mn、Mo、W、V等)同原子直徑較小的非金屬元素(C、N、H、B等)形成的化合物。間隙化合物種類間隙相複雜晶格的間隙化合物素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-301間隙相

當非金屬元素原子半徑與金屬元素原子半徑之比小於0.59時形成了具有簡單晶格的間隙化合物，稱間隙相。這類化合物的共同特點是有金屬特性，熔點極高，硬度極高，而且十分穩定。間隙化合物的合理存在，可有效地提高鋼的強度、熱強性、紅硬性及耐磨性。是高速鋼和硬質合金中的重要組成相。如TiC、WC、TiN、VC、NbC、Mo2N、Fe4N等素材庫練習二第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-312複雜結構的間隙化合物

當非金屬元素原子半徑與金屬元素原子半徑之比大於0.59時形成了具有複雜晶格的間隙化合物。這類化合物的特點是也有較高的熔點和硬度，比間隙相稍低，而穩定性方面也稍差。這類化合物在鋼中也起強化相作用，如Fe3C是鐵碳合金中的重要組成相，具有複雜的斜方晶格。其中鐵原子可部分被Mn、Cr、Mo、W等金屬原子置換，形成以Fe3C晶格為基的固溶體，如（Fe、Mn）3C、(Fe、Cr)3C等.其他如Mn3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB等素材庫練習二目錄單元2-32

請點擊化合物表目錄素材庫練習二單元2-33素材庫練習二VC晶體結構Fe3C晶體結構目錄請點擊單元2-34a素材庫練習二目錄請點擊單元2-35機械混合物

工業合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因為化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，無法應用。固溶體組成的合金，往往由於強度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數的工業合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構成的機械混合物。合金的性能取決於其形態、大小、數量、種類等。素材庫練習二目錄單元2-36

當金屬化合物呈細小顆粒均勻分佈在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性（此現象稱為彌散強化）。因此，金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質合金及有色金屬的重要組成相及強化相。而性能除固溶強化影響外，還取決於金屬化合物的種類和數量。如：碳鋼中的鐵素體（C在α－

Fe中的間隙式固溶體）和滲碳體Fe3C。高速鋼和硬質合金等。素材庫練習二彌散強化第一章材料的結構與性能第一節金屬材料的結構與組織單元2目錄-37重點小結合金、相、組織的基本概念。固溶體和金屬化合物的概念及其類型。固溶體和金屬化合物對合金性能的影響。固溶強化概念及其強化原理。彌散強化概念及其強化原理。單元2素材庫練習二單元2-38目錄同學們：本節課內容結束，下課!素材庫練習二請點擊畫框單元2-39目錄1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元31.2金屬材料的性能基本內容和要求一、金屬材料力學性能1.瞭解力學性能的種類、概念及指標。2.瞭解拉伸實驗過程及相關指標概念和意義。3.瞭解各種硬度實驗測試方法和應用範圍。4.瞭解衝擊實驗方法和所測指標的意義。金屬材料的性能包含工藝性能和使用性能。

使用性能：是指金屬材料在使用條件下所表現出來的性能。如：機械性能、物理性能、化學性能。

工藝性能：是指製造工藝過程中材料適應加工的性能。如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性。1單元31.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元31.2金屬材料的性能一、金屬材料的機械性能是指金屬材料在外力作用時表現出來的性能。機械性能—外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉等。載荷形式：靜載荷、衝擊載荷、交變載荷等。指標：強度、剛度、硬度、塑性、韌性和疲勞強度等。強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。

單位:MPa(MN/mm2)

2單元3分：抗拉強度σb、抗壓σbc、抗彎σbb、抗剪τb、抗扭τt。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元34靜載單向靜拉伸應力――應變曲線介紹拉伸實驗：彈性變形階段屈服階段強化階段縮頸階段試樣斷裂1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元35靜載單向靜拉伸應力――應變曲線介紹拉伸實驗：ob彈性變形階段bcd屈服階段db強化階段Bk縮頸階段k試樣斷裂1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元36根據拉伸實驗確定一些強度指標①彈性極限σe（elasticlimit）

材料拉伸時保持彈性變形，不發生永久變形的最大應力。

比例極限：σp=Pp/Fo

應力―應變保持線性關係的極限應力值彈性極限：σe=Pe/Fo

工程上，σp、σe視為同一值，

剛度—

表示材料彈性變形抗力的大小。

彈性模量E—是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標。E愈大，使其產生一定量彈性變形的應力也應愈大。E=σ/ε楊氏彈性模量

,應力應變的比值。單位MPa1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元37②屈服極限σs（屈服強度或屈服點）

金屬材料開始發生明顯塑性變形的抗力。σs=Ps/Fo

條件屈服強度σ0.02

—產生0.02%殘餘塑性變形的抗力的極限應力值。用於無屈服點的中高碳鋼。脆性材料：σb=σs

灰口鑄鐵③抗拉強度σb

（強度極限）是試樣被拉斷前的最大承載能力，

σb=Pb/Fo（MPa）（MPa）材料抵抗外力而不致斷裂的極限應力值

屈強比——

σs與σb的比值。

屈強比愈小，工程構件的可靠性愈高，

屈強比太小，則材料強度的有效利用率太低。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元311延伸率1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元393.硬度

①布氏硬度是金屬材料表面在接觸應力作用下抵抗塑性變形的一種能力。

材料抵抗另一硬物體壓入其內的能力。硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數量概念，

硬度試驗簡單易行，又無損於零件，而且可以近似的推算出材料的其他機械性能，因此在生產和科研中應用廣泛。硬度試驗方法很多，機械工業普遍採用壓入法來測定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

布氏硬度值HB是以試樣壓痕面積上的平均壓力P/F表示。

即單位面積所承受的壓力。

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元310布氏硬度測定的原理—是把一定直徑的淬火鋼球，以規定的載荷P壓入被測材料表面，保持一定時間後卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積F計算出平均應力值，以此為布氏硬度值的計量指標，並用符號HB表示。

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元312布氏硬度測定主要適用於各種未經淬火的鋼、退火、正火狀態的鋼；結構鋼調質件；鑄鐵、有色金屬、質地輕軟的軸承合金等原材料。標注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的條件下得到的。簡單標注：200～230HB或300～330HBS布氏硬度試驗只可用來測定小於HB450的金屬材料，

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元314②洛氏硬度（HR）

基本原理—洛氏硬度屬壓入法洛氏硬度測定時需要先後施加二次載荷（予載荷P1和主載荷P2）預加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好以保證測量結果準確。洛氏硬度就是以主載荷引起的殘餘壓入深度（

來表示

）。

為了與習慣上數值越大硬度越高的概念相一致採用一常數（k）減去（h3-h1）的差值表示硬度值。為了簡便起見又規定每0.002mm壓入深度作為一個硬度單位（即刻度盤上一小格。）洛氏硬度值公式如下：

採用金鋼石圓錐時k=0.2（用於HRA，HRC）

用鋼球時k=0.26（用於HRB）。

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元315布氏硬度實驗1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元317硬度符號壓頭總載荷（kgf）錶盤上刻度顏色常用硬度值範圍使用範圍HRA金鋼石圓錐60黑

色70~85碳化物、硬質合金表面淬火等HRB100紅

色25~100有色金屬、退火及正火鋼等HRC金鋼石圓錐150黑

色20~67調質鋼、淬火鋼等洛氏硬度測定僅產生很小壓痕，並不損壞零件，因而適合於成品檢驗

設備簡單，操作迅速方便。但測一點無代表性，不准確，需多點測量，然後取平均值。洛氏硬度雖可用來測定各種金屬材料的硬度。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元318③維氏硬度（HV）

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個連續一致的硬度標度，因而制定了維氏硬度試驗法。維氏硬度試驗法是壓入試驗法中較精確的一種，它與布氏硬度試驗法相同，是用一種頂角為136°的金鋼石角錐壓頭，在載荷p（kgf）作用下，試樣表面壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕對角線長度d（mm）供以計算壓痕面積F（m㎡）以P/F的數值表示試樣的硬度值。

維氏硬度值表示方法為HV硬度數值，有時為反映試驗條件在硬度數值前用下標加上負荷，例如HV20232，20為加載負荷。維氏硬度試驗主要用來測定金屬鍍層、薄片金屬以及化學熱處理（如氮化、滲碳等）後的表面硬度。

維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小於10kg的壓力可以測定顯微組織硬度。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元3204.衝擊韌性（Ak或ak

）

韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力----韌度衝擊韌性（Ak）

：衝擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。單位為焦耳/釐米²（J/cm²）ak=衝擊破壞所消耗的功Ak/標準試樣斷口截面積Fak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。Ak=mg(h1-h2)1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元322衝擊韌性實驗Ak=h1-h25.疲勞強度σ-1

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元32380%的斷裂由疲勞造成

疲勞：承受載荷的大小和方同隨時間作週期性變化，交變應力作用下，往往在遠小於強度極限，甚至小於屈服極限的應力下發生斷裂。疲勞極限：材料經無數次應力迴圈而不發生疲勞斷裂的最高應力值。條件疲勞極限：經受10應力迴圈而不致斷裂的最大應力值。7陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強度較高，纖維增強複合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：迴圈應力特徵、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘餘應力等。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元41單元4二、金屬材料的物理、化學和工藝性能（一）、金屬材料的物理性能1.密度

2.熔點

3.導電性

4.導熱性

5.熱膨脹性

6.磁性

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元42（二）

、金屬材料的化學性能化學性能指金屬材料與周圍介質掃觸時抵抗發生化學或電化學反應的性能。耐腐蝕性——指金屬材料抵抗各種介質侵蝕的能力。2.

抗氧化性——指金屬材料在高溫下，抵抗產生氧化皮的能力。耐腐蝕性材料如：不銹鋼、塑膠、陶瓷、鈦及其合金等等如：耐熱鋼、鉻鎳合金、鐵鉻合金等等1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元43（三）、金屬材料的工藝性能指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。工藝性能1.鑄造性能——指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，包括：流動性能、收縮性、偏析等。含碳量越高，鑄造性越好。2.焊接性能——指材料焊接時其工藝方法的難易程度及介面處是否能滿足使用目的的特性。3.鍛造性能——金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，鍛造性越差。1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元444.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的難易程度。包含：刀具耐用度較高；切削力較小，切削溫度較低。

容易獲得良好的表面加工品質。容易控制切屑的形狀或容易斷屑。

5.衝壓性能：金屬材料承受衝壓變形加工而不破裂的能力。

含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。含碳量越高，衝壓性越差。6.熱處理工藝性：指材料被熱處理時達到性能等要求的難易程度。

如：淬硬性、淬透性。

1.材料的結構與性能1.2金屬材料的性能

單元358.工藝性能包括哪些方面？各自的含義？第3和4單元—

練習題一、名詞解釋工藝性能、剛度、疲勞、衝擊吸收功、衝擊韌度二、簡答題1.何謂金屬材料的力學性能？有哪些主要指標？各自的定義？2.外力（載荷）有哪些主要形式？按載荷特性又可分成哪三類？各自概念？3.簡述拉伸實驗過程發生的現象？並畫出拉伸應力-應變曲線？4.拉伸實驗可做出哪些力學性能指標？各自的定義、符號和意義？5.硬度的種類？各自的表示方法和應用範圍？6.何謂條件疲勞極限？其影響因素？7.金屬材料的物理和化學性能包括哪些方面？2.金屬材料組織和性能的控制

單元51第二章金屬材料組織和性能的控制2.1純金屬的結晶凝固：液態L→固態S

S可以是非晶體。結晶：一種原子排列狀態過渡為另一種原子規則排列狀態（晶態）的轉變過程。

一次結晶：L→S晶態二次結晶：S→S晶態一、純金屬結晶的條件1純金屬冷卻曲線液態金屬在結晶時的溫度——時間曲線過冷度——理論結晶溫度和實際結晶溫度之差。

2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元52ΔT=

T0－Tn

冷速越快，過冷度越大過冷—指液態金屬實際冷卻到結晶溫度以下而暫不結晶的現象。2純金屬結晶的條件ΔF

ΔTTFF固F液ΔF=

F固－F液≤0

結晶驅動力

自然界的自發過程進行的熱力學條件都是ΔF≤0只有當液體的過冷度達到一定的大小，使結晶的動力ΔF大於建立介面所需要的表面能時，結晶過程才能開始進行。自由能溫度2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元533、純金屬的結晶過程2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元54①.形核——自發形核非自發形核②.長大——平面長大

樹枝狀長大結晶過程——

2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元552.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元56二、同素異構轉變δ-Fe(bcc)γ-Fe(fcc)a-Fe(bcc)1394℃912℃1394℃1538℃912℃δ-Feγ-Fe(fcc）a-FeT時間770℃居裏點以純鐵為例γ-Fe(fcc)a-Fe(bcc)鐵的體積會膨脹1％2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元57純鐵同素異構轉變2.金屬材料組織和性能的控制

2.1純金屬的結晶

單元58三、晶粒尺寸的控制（1）晶粒度單位面積上的晶粒數目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示（2）過冷度對形核一長大的影響過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷ΔT太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素①提高過冷度②變質處理在液態金屬中加入孕育劑或變質劑作為非自發晶核的核心，以細化晶粒和改善組織。③振動，攪拌等2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元61一、合金相圖類型

相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關係的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態圖。平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各項的成分和相對品質不在變化所達到的一種狀態。此時合金系的狀態穩定，不隨時間而改變。（一）二元合金的結晶2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元62

根據結晶過程中出現的不同類型的結晶反應，可把二元合金的結晶過程分為下列幾種類型。1.發生勻晶反應的合金的結晶2.發生共晶反應的合金的結晶如Pb-Sn合金相圖3.發生包晶反應的合金的結晶如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖4．發生共析反應的合金的結晶2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元63發生勻晶反應的合金的結晶

Cu-Ni相圖為典型的勻晶相圖，合金發生勻晶反應：L→α,從液相中逐漸結α晶出固溶體。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元642.發生共晶反應的合金的結晶如Pb-Sn合金相圖由一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應叫共晶反應。生成的兩相混合物叫共晶體。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元653.發生包晶反應的合金的結晶如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖包晶反應：Αc+Ldβ

一種固相和液相結晶出另外一種固相，發生包晶反應時三相共存，他們的成分確定，反應在恒溫下平衡地進行。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元664．發生共析反應的合金的結晶由一種固相轉變成完全不同的兩種相互關聯的固相，此兩相混合物稱為共析體。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元67（二）合金的性能與相圖的關係1.合金的使用性能與相圖的關係

固溶體的性能與溶質元素的溶入量有關，溶質的溶入量越多，晶格越大，合金的強度、硬度越高，電阻越大。合金的某些性能可按組成相性能依品質分數的關係疊加的辦法求出。例如硬度：HB=HBα·ω(α)+HBβ·ω(β)

對組織較敏感的某些性能如強度等，與組成相或組織成物的形態有很大關系。組成相或組織組成物越細密，強度越高。但形成化合物時，則在性能---成分曲線上於化合物成分處出現極大值或極小值。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元682.合金的工藝性能與相圖的關係合金的鑄造性能與相圖的關係：純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結晶的溫度範圍越窄，對澆注和鑄造品質越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時先結晶出的樹枝晶阻礙為結晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元69合金的鍛造性能與相圖的關係：合金為單相組織時變形抗力小，變形均勻，不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時更是如此，因為他們都很脆。2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元81（三）、分析Fe-Fe3C相圖2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元822.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元832.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元84基於Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類1．工業純鐵，C%<=0.0218%2．鋼0.0218%<C%<=2.11%亞共析鋼

0.0218%<C%<0.77%共析鋼0.77%過共析鋼

0.77%<C%<=2.11%3．白口鑄鐵2.11%<C%<6.69%亞共晶白口鑄鐵

2.11%<C%<4.3%共晶白口鑄鐵

4.3%過共晶白口鑄鐵4.3%<C%<6.69%2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元852.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元86（四）、Fe-C合金的成分-組織-性能關係1.含碳量——相相對量C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量——組織F-->F+P-->PdP+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’-->Le’->Le’+Fe3CII-->Fe3C2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元87FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Le’Le’Le’+Fe3CIIFe3C2.含碳量——組織HB：取決於相及相對量3.含碳量——性能C%↑→HB↑強度：C%↑→σ↑0.9%↑→σ↓塑性、韌性：C%↑→塑性↓、韌性↓2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元88鐵碳合金相圖的建立2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元89鐵碳合金加熱冷卻轉變2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元810（六）、Fe-Fe3C相圖的應用1、在鋼鐵選材方面的應用2、在鑄造工藝方面的應用3、在熱鍛、熱軋工藝方面的應用4、在熱處理工藝方面的應用2.金屬材料組織和性能的控制

2.2合金的結晶

單元811鐵碳合金相圖練習題一、名詞解釋

相圖鐵素體奧氏體珠光體滲碳體二、間答題1、合金結晶有哪些類型？各自的結晶特徵？2、按鐵碳相圖，鐵碳合金如何分類？其中三種鋼室溫組織是什麼？3、含碳量為0.4％、0.77％、1.2％、三種鋼在700℃770℃、900℃時分別各為何組織？4、計算一下50鋼和T10鋼在室溫下HBS、σ、

δ數值？b5、隨鋼中含碳量增加，其機械性能如何變化？其原因？2.金屬材料組織和性能的控制

2.3金屬的塑性加工

單元91一、金屬材料的塑性變形1、單晶體的塑性變形

單晶體塑性變形的基本方式——滑移和孿生

（1）滑移

在切應力作用下，晶體的一部分相對於另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發生相對的滑動滑移的特點：※滑移只在切應力作用下發生，不同金屬產生滑移的最小切應力大小不同。※滑移是晶體內部位錯在切應力作用下運動的結果。並非是晶體兩部分沿

滑移面作整體的滑動。2.3金屬的塑性加工2.金屬材料組織和性能的控制

2.3金屬的塑性加工

單元922.金屬材料組織和性能的控制

2.3金屬的塑性加工

單元93※滑移造成的晶體總變性量是原子間距的整數值，不引起晶格位向的變化。

※滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進行。

滑移系（滑移面和該面上的一個滑移方向），滑移係數目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系為12個，HCP為3個，FCC的滑移方向多於BCC，金屬塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。※滑移時晶體伴隨有轉動。金屬材料塑性變形的實質：金屬塑性變形實質上是以滑移和孿生兩種形式通過位錯運動來進行的。2.金屬材料組織和性能的控制

2.3金屬的塑性加工

單元94一、金屬材料的塑性變形（2）孿生在切應力作用下，晶體的一部分相對於另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發生切變。金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側形成鏡面對稱關係。→發生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或孿晶。孿