《机械工程材料(第4版)》高职全套教学课件

机械工程材料《机械工程材料》第0章绪论第1章工程材料的性能第2章材料的内部结构第3章金属及合金的结晶第4章金属材料的热处理第5章金属塑性变形与再结晶第6章钢铁材料第7章非铁合金材料第8章非金属材料第9章功能材料第10章工程材料的选用全套可编辑PPT课件绪论一、材料与材料科学概述材料是指人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他有用产品的物质。这些物质有很多,广义地讲,木材、水泥、燃料、食品、药品、甚至于水和空气等等都是材料。但一般工业和工程领域中所说的材料是指工程材料,即用于制造工程构件、机械零件、工具等的材料。材料科学是指以材料为研究对象,探讨材料的成分、组织结构、性能及应用之间的相互关系和规律的科学。它以化学、固体物理、力学等为基础,是一门多种学科交织在一起的边缘科学,是研究材料共同规律的学科。它使在此前已经形成的金属材料、高分子材料、陶瓷材料等各自的学科体系交叉融合,相互借鉴,加速了材料和材料科学的发展,克服了相互分割、自成体系的障碍,也促进了复合材料的发展。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料的种类很多,根据国际上的动态和我国新技术革命的需要,可以从不同角度对材料进行分类。材料除了具有重要性和普遍性以外,还具有多样性。由于材料的多种多样性,分类方法没有统一标准。从物理化学属性来分,可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。从用途来分,又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料。二、材料与材料科学的发展及其在国民经济中的地位材料是人类赖以生存、生活、生产和社会发展、科技进步的物质基础,是人类文明发展的标志,材料如此重要,甚至于成为可以划分人类历史发展进程的标准,如石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等就是以人类所使用的主要材料进行划分的。材料也是发展高科技的先导和基石。一种新材料的出现,往往可以导致一系列新技术的突破,而各种新技术及新兴产业的发展,无不依赖于新材料的研发。如海洋用深潜器及各种海底设施所需要的耐压、耐蚀结构材料,卫星、宇航设备所需要的轻质高强度材料,医学上制造人工脏器、人造骨骼、人造血管等所需要的各种与人体相容的特殊材料以及智能材料、环境材料、复合材料等。如今,高性能的新型金属结构材料持续发展,复合材料异军突起,低维材料正扩大应用,非晶材料日益受到重视,功能材料迅速发展,材料的设计与选用计算机化等,使得材料与信息、能源并列成为现代科学技术的三大支柱。三、本课程的内容体系与特点本课程的重点内容可归纳为:一条线,两张图,三种材料,四把火。一条线指的是材料的化学成分、组织结构、性能与使用之间的相互关系及其变化规律,是贯穿本课程的“纲”,本课程的所有内容都是以此“纲”为主线索而展开的。两张图是对于当今应用最广泛的钢铁材料而言的,指的是Fe-Fe3C相图和过冷奥氏体等温转变曲线图。三种材料指的是金属材料、非金属材料和复合材料。这些材料有着各自不同的性能特点与应用范围,要掌握常用工程材料的牌号、成分、强化改性方法、性能特点及适用范围,做到合理选材。四把火即退火、正火、淬火与回火。这是最常见的四种热处理方法,它集中体现了材料成分、组织结构、性能与热处理工艺之间的关系,深刻反映了外因通过内因而起变化的哲理。要学会根据所用材料及其性能要求正确制定热处理的工艺参数,合理安排其工序位置。本课程是专业基础课,其特点是由于本课程要求学生具备相当多的预备知识,加上课程的理论性内容较多,国家标准的规定较多,并且国家标准规定不定期修订改变,所以课程学习难度较大。工程材料涉及的有关领域很广,除了化学、物理学的知识之外,还包括力学性能、金属材料、机械加工、热处理等方面的知识,涉及到其他工程领域,因此,学习本课程需要许多的知识作为基础,学习难度大,知识范围广。同时,课程的开课时间处于文化基础课与专业课的过渡时期,课程内容以定性描述为主,具体表现为“三多”:一是讲授内容中名词、概念、术语多,二是定性描述、经验性总结多,三是记忆性的内容、规律多,对学生而言,本课程是一门从内容到授课方式及学习方法上全新的课程,教师和学生要共同努力,尽量缩短适应时期。四、本课程的学习方法、学习目的及学习任务机械工程材料是建立在实验基础之上而又与工程实践紧密结合的一门重要的技术基础课程,是工科院校工程技术类专业的必修课程,有较强的理论性和应用性。作为一名机械工程技术人员,无论是设计机器设备、机械零件,还是改进、制作成套工夹具,都将面临材料的选择、应用与零件加工工艺路线的制定等问题。这就要求我们同时具备两方面的材料学知识:一了解材料成分、组织结构、工艺之间的相互关系及外界环境条件改变时对材料性能的影响;二是掌握各种工程材料的基本特性和应用范围。本课程正是为了实现这两个要求而设置的。在教学中,要注意前后知识的衔接与综合应用,重视实验、实训等实践教学环节,提倡现场教学、案例教学、直观教学和多媒体教学,建议把随堂实验变成设计性、综合性、实用性实验,并在教学过程中安排相应的课程设计及大型作业。学生在学习时,应注重对知识的分析、理解与运用。首先,要理清思路,善于归纳。例如在“钢铁材料”一章中,应按照“典型牌号→主要用途→性能要求→化学成分特点(碳及合金元素的质量分数与主要作用)→热处理工艺及相应组织”这一主线索,运用归纳、小结等方法去梳理、概括各部分内容,将分散的内容集中、将繁杂的内容高度概括,达到既条理、系统、精练又便于记忆的目的。其次,要把握重点,以点带面。因为繁多的课程内容不可能也没必要什么都记,只有把握住重点,以点带面,才能高效率地学好本课程。学习目的:重点掌握金属材料,同时使学生获得有关机械工程材料的基本理论和基础知识,为应用研发工程材料和学习有关课程奠定坚实的基础。学习任务:了解材料的成分、组织结构、工艺手段及外界条件改变对材料性能的影响;掌握各种工程材料的基本特性和应用范围及其强化改性的途径、原理与方法;初步具备选用常用材料的能力;初步具有正确确定一般机械零件的热处理方法、工艺参数及其工序位置的欢迎听下一讲《第一章工程材料的性能》机械工程材料《机械工程材料》第1章工程材料的性能【内容提要与学习目标】

材料成为人类生产、生活、社会发展和科技进步的重要物质基础，最主要的是利用了材料所具备的各种性能，我们要正确使用和开发新材料，首先需要了解材料的各种性能。材料的性能是表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。本章的概念、名词、术语较多，建议在通过实验认知和理论理解的基础上进行有效的学习。通过本章的知识学习和相关实验练习，要求学生达到：①掌握材料力学性能指标有关的基本概念和名词术语；理解这些概念的重要性；②了解材料的物理、化学性能的有关基本概念和名词术语；③了解材料的工艺性能分类，了解工艺性能在机械制造中的应用；④掌握主要力学性能指标的实际意义和应用，树立理论联系实际的科学理念。1.1材料的使用性能金属材料获得广泛应用是由于它们在加工和使用过程中具备各种优越的性能。金属材料的性能指标和变化规律是选择合适材料的主要依据。

使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的特性，包括物理、化学和力学性能。

大多数机械零件是在常温、常压、非强烈腐蚀性介质等环境条件下工作的，同时在使用过程中会承受到不同性质外力的作用，所以掌握金属材料的性能非常重要。1.1材料的使用性能一、材料的物理、化学性能1.物理性能密度：金属的密度是指单位体积金属所具有的质量，用符号ρ(g/cm3或kg/m3)表示。机械制造中某些高速运转的零件以及航天航空工业中的飞机、导弹、航天器等，在满足力学性能的前提下应尽量用密度小的金属以减轻质量。熔点：金属的熔点是指在缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度，用符号T(℃或K)表示。熔点高的金属可以用来制造加热炉构件、电热元件及火箭、导弹中的耐高温零件等。非金属材料中陶瓷的熔点较高；塑料等非晶态材料没有熔点，只有软化点。导热性：导热性是指材料传导热量的能力，用热导系数来衡量。热导系数是指物体上下表面温度相差1℃时，单位时间内通过导体横截面的热量。用符号λ（W/(m·K)）表示。导电性：导电性是指材料传导电流的能力，通常用电导率σ或电阻率ρ表示。根据材料电阻率ρ的大小，Ag的导电性最好，其次是Cu、Al，因此常用纯铜或纯铝作为输电导体。热膨胀性：材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数α(1/℃或1/K)来表示，即温度每升高1℃(或K)单位长度的膨胀量。α值越大，金属的尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为磁性或导磁性，金属材料可分为铁磁性材料、抗磁性材料和顺磁性材料。1.1材料的使用性能2.化学性能化学性能是指材料抵抗周围环境介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和热稳定性等。(1)耐蚀性金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性。金属材料的耐蚀性是针对腐蚀介质而言的，例如在大气、潮湿、海水、土壤、各种酸碱等介质中工作的零件，需要说明的是在某种介质中耐蚀，在另一种介质中有可能不耐蚀。(2)热稳定性材料在高温下抵抗氧化的能力称为热稳定性。在高温、高压下工作的零件要求热稳定性好，如在锅炉、加热炉、内燃机中工作的零件等。1.1材料的使用性能二、材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在力的作用下所表现出来的特性，它取决于材料本身的化学成分和材料的微观组织结构。常用的力学性能指标有强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性等。1.1材料的使用性能1.强度、刚度与塑性金属材料的强度、刚度与塑性指标，可通过静拉伸试验来测得。试验是在拉伸试验机上进行。在试样两端缓慢地施加载荷，使试样的工作部分承受轴向拉力沿着轴向伸长，一般进行到拉断为止。试验时，将试样装夹在拉伸试验机上缓慢施加拉伸载荷，试样则不断产生变形，直至被拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸载荷和伸长量描绘在以拉伸载荷F为纵坐标，伸长量ΔL为横坐标的图上，即得到力-伸长量曲线。1.1材料的使用性能(1)拉伸试样

拉伸试验需要按照GB/T228.1-2021金属材料室温拉伸试验方法国家标准进行。一般拉伸试样共有三个部分，即工作部分、过渡部分和夹持部分。按照国家标准，被测金属材料都需要制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，最常用的圆形截面拉伸试样如图所示。

（a）拉伸试样实物

（b）试样示意图

需要说明的是，试样原长度和原截面尺寸对测量结果是有影响的，为了使同一种材料不同尺寸的试样得到一样的测量结果，必须使，我国选定，对于圆形试样来说，相当于，前者称为短试样，后者称为长试样。按上述两种比例关系制作的拉伸试样，称为比例试样，不符合上述两种比例关系者，称为非比例试样。1.1材料的使用性能(2)拉伸曲线试验时，试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸载荷和伸长量描绘在以拉伸载荷F为纵坐标、伸长量ΔL为横坐标的图上，即得到力-伸长量曲线，这个就是拉伸曲线，如图1-2(a)所示。为了消除试样尺寸的影响，横坐标把试样的伸长量ΔL除以试样的原始标距长度L0所得到的应变ε，纵坐标把试样承受的拉伸载荷F除以试样的原始横截面积S0所得到的应力R，我们就得到应力-应变曲线，也称为拉伸曲线，如图1-2(b)所示。从曲线可知：试样从开始到断裂，要经过弹性变形、屈服、形变强化、颈缩与断裂四个阶段。

图1-2退火低碳钢的力-伸长量曲线和应力-应变曲线

图1-3规定残余延伸强度1.1材料的使用性能(3)强度强度是指材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是重要的力学性能指标。强度的大小通常用应力表示，符号为R，单位为MPa。工程上常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度等。①屈服强度

屈服强度表明材料对开始明显塑性变形的抗力，包括上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度是指试样发生屈服并且应力首次下降前的最大应力，用符号ReH表示；下屈服强度是指不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力，用符号ReL表示。由于材料的下屈服强度数值比较稳定，所以一般以它作为材料对塑性变形抗力的指标。

有些材料在拉伸过程中没有明显的屈服现象，此时用规定残余延伸强度Rr来表示它的屈服强度。所谓的规定残余延伸强度是指卸除应力后，残余伸长率等于规定的引伸计标距百分比时的应力，规定残余延伸强度的符号，附以下脚标注明其规定的残余伸长率。例如，Rr0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力值。1.1材料的使用性能②抗拉强度Rm

曲线最高点c点的最大的应力称为抗拉强度，用符号Rm表示。在实际生产中，绝大多数工程零件在工作中都不允许产生明显的塑性变形，因此ReL是工程中塑性材料零件设计及计算的重要依据，Rr0.2则是不产生明显屈服现象零件的设计计算依据。但由于抗拉强度Rm的测定比较方便，数据比较准确，所以可直接采用抗拉强度Rm加上较大的安全系数作为设计计算的依据。

在材料工程上，把ReL/Rm称为屈强比。其值越大，越能发挥材料的潜力，减小结构的自重；其值越小，零件工作时的可靠性越高；屈强比一般取值为0.65～0.75。(4)刚度

材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，通常用单向拉伸或压缩时的弹性模量E或剪切或扭转时的切变模量G来评价。

弹性模量的大小主要取决于金属的晶格类型和原子结构，金属的合金化、热处理、冷变形以及显微组织的影响很小。因此，基体金属一旦确定，其弹性模量值就基本确定了。在材料不变的情况下，只有改变零件的截面尺寸或结构，才能改变它的刚度。1.1材料的使用性能(5)塑性

塑性是指材料断裂前塑性变形的能力。性能指标有断后伸长率A和断面收缩率Z。①断后伸长率

断后伸长率是指试样断后标距长度伸长量占原始标距长度的百分比。断后伸长率用符号A表示。即

式中L0——试样原始标距长度，mm；Lu——试样断后标距长度，mm。

断后伸长率的数值和试样标距长度有关。同一种材料的断后伸长率，短试样比长试样数值大一倍，因此，即使同一种材料，试样不同，数值也不同，因而不能直接进行比较。②断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量占原始横截面积的百分比，用符号Z表示，即

式中S0——试样原始横截面积，mm2；Su——试样拉断后颈缩处最小横截面积，mm2。断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。一般A或Z值越大，材料塑性越好。塑性好的材料可用轧制、锻造、冲压等塑性变形方法加工成形。此外，塑性好的零件在工作时若超载，可因其塑性变形而被及时发现，避免突然断裂造成严重事故，提高了工作安全性。1.1材料的使用性能2.硬度

硬度是衡量材料软硬的指标。根据国家标准《GB/T10623-2008金属材料力学性能试验术语》的定义，硬度是指材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成永久变形的能力。

硬度值的大小不仅取决于材料的成分和组织结构，而且还取决于测定方法和试验条件。

硬度试验设备简单，操作便捷，一般不需要破坏零件或构件，而且对于大多数金属材料，硬度与其他力学性能以及材料的工艺性能之间存在着一定的相关关系。因此，在材料工程上，硬度被广泛地用于检验原材料和热处理件的质量、鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的重要参考指标。

目前，应用广泛的是静载荷压入法硬度试验。即在规定的静态试验载荷下，将压头压入材料表层，然后根据载荷的大小、压痕表面积或深度确定其硬度值的大小。因此，压入法所表示的硬度是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力。硬度试验方法很多，常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。1.1材料的使用性能(1)布氏硬度①测试原理布氏硬度试验需要根据《GB/T231.1-2018金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行。布氏硬度试验是用一定直径的硬质合金球作为压头，以相应的试验载荷压入试样的表面，保持规定的时间后卸除试验载荷，测量试样表面的压痕直径，如图1-4所示。

图1-4布氏硬度的试验原理布氏硬度计

1.1材料的使用性能布氏硬度值是试验载荷除以球面压痕表面积所得的值，其计算公式为：式中：HBW——布氏硬度值；F——试验载荷，N；D——压头直径，mm；d——压痕平均直径，mm。

压痕平均直径d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，则材料越软。在实际应用中，布氏硬度值一般不用计算，只需根据测出的压痕平均直径d查相应表格即可得到。

由于材料有软有硬，工件有厚有薄、有大有小，为了适应不同的情况，在进行布氏硬度试验时，应按（GB/T231.1-2018布氏硬度试验规范）正确选择压头直径D、试验载荷F。1.1材料的使用性能②布氏硬度表示方法布氏硬度用符号HBW表示，符号后面按顺序用数值表示试验条件。例如：③布氏硬度的特点及应用

布氏硬度试验压痕面积较大，受测量不均匀度影响较小，故测量结果较准确，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金，各种退火、正火或调质的钢材等。而且由于布氏硬度与抗拉强度之间存在一定的经验关系，所以得到了广泛的应用。但布氏硬度试验费时，压痕较大，不适宜用于测量成品件，特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用于测太硬的材料。1.1材料的使用性能(2)洛氏硬度①测试原理

洛氏硬度试验根据《GB/T230.1-2018金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》进行。洛氏硬度是指在初试验载荷(F0)及总试验载荷(F=F0+F1)的先后作用下，将120°角圆锥体金刚石压头、碳化钨合金球形压头或淬火钢球压头压入试样表面，经保持规定时间后，卸除主试验载荷F1，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值，如图所示。1-5洛氏硬度的试验原理、图中0—0为压头与试样表面未接触位置；1—1为施加初试验载荷(98.07N)后，压头经试样表面a压入到b处的位置，b处是测量压入深度的起点，可防止因试样表面不平引起的误差；2—2为初试验载荷和主试验载荷共同作用下，压头压入到c处的位置；3—3为在卸除主试验载荷，但保持初试验载荷的条件下，因试样弹性变形的恢复使压头回升到d处的位置。因此，压头在主试验载荷作用下，实际压入试样产生塑性变形的压痕深度为bd。可用bd大小来判断材料的硬度，bd越大，硬度越低；反之则硬度越高。在实际测试时，硬度值的大小可直接从硬度计表盘上或数显屏读出。1.1材料的使用性能②洛氏硬度表示方法洛氏硬度用符号HR表示，HR前面为硬度值，HR后面为使用的标尺。③洛氏硬度特点及应用

洛氏硬度标尺有很多，分别有A、B、C、D、E、F、G、H、K、15N、30N、45N、15T、30T、45T以及表面洛氏硬度试验方法，因此，在洛氏硬度试验中，可以选择不同的试验载荷和压头类型对应不同的洛氏硬度标尺，可以用来测定从软到硬、从厚到薄的较大范围的材料硬度。

最常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC应用最为广泛。洛氏硬度标尺的试验条件及适用范围可参见国家标准GB/T230.1-2018。

洛氏硬度试验操作简便、迅速，测量硬度值范围大、压痕小，可直接测成品和较薄工件。但因试验载荷较大，故不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度。而且因压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，其测定结果波动较大，故需在三个不同位置测试硬度值取其算术平均值。洛氏硬度无单位，各标尺之间没有直接的对应关系。1.1材料的使用性能(3)维氏硬度

维氏硬度试验需要根据《GB/T4340.1-2024金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行。维氏硬度能在同一硬度标尺上测定由极软到极硬金属材料的硬度值。①测试原理

图1-6维氏硬度的试验原理

维氏硬度试验是将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验载荷压入试样表面，保持规定时间后卸除试验载荷，测量压痕两对角线的平均长度计算硬度，如图1-6所示。维氏硬度值可根据压痕对角线长度，从专用表格中查出。

维氏硬度一般在10～35℃室温下进行，对于温度要求严格的试验，室温为23±5℃。1.1材料的使用性能②维氏硬度表示方法

维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬度值，HV后面的数字按试验载荷、试验载荷保持时间(10～15s不标注)的顺序表示试验条件。例如：640HV30/20表示用294.2N的试验载荷，保持20s所测定的维氏硬度值为640。③维氏硬度特点及应用

维氏硬度试验时，对试样表面质量要求较高，测试方法较为烦琐，但因所施加的试验载荷小，压入深度较浅，故可测定较薄或表面硬度值较大的材料的硬度，也可测定从很软到很硬的各种金属材料的硬度(0～1000HV)，且连续性好，准确性高。

除上述硬度试验法外，还可用里氏硬度法来测定材料的硬度；用显微硬度法测定一些薄的镀层、渗层或显微组织中的不同相的硬度；用肖氏硬度法测定如机床床身等大型部件的硬度；用莫氏硬度法测定陶瓷和矿物的硬度；用邵氏硬度是测量塑料、橡胶与玻璃等非金属材料的硬度。1.1材料的使用性能3.冲击韧性

韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性除了取决于材料的本身因素以外，还和外界条件，特别是加载速率、应力状态及温度、介质的影响有很大关系。

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。根据《GBT229-2020金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在常温下进行测定的。

将一定形状和尺寸的标准试样放在冲击试验机的支座上，试样的缺口背向摆锤冲击方向，然后将事先调整到规定高度h1、质量为m的摆锤释放，利用摆锤刀刃的冲击载荷将试样冲断，断裂所吸收的冲击功其值可从冲击试验机刻度盘上直接读出。用摆锤一次冲断试样所消耗的能量来表示冲击韧性，符号是K，单位是焦耳J。如图1-7所示。

图1-7夏比冲击试验的原理1—支座；2—试样；3—指针；4—摆锤1.1材料的使用性能冲击试验根据摆锤刀刃的尺寸分别有2mm和8mm两种刃口摆锤，根据标准试样的缺口形状，有U型缺口和V型缺口两种，U型缺口深度为2mm或5mm，底部曲率半径为1mm，因此，U型缺口试样的冲击韧性就用KU2、KU8表示；V型缺口为45°夹角，深度2mm，底部曲率半径为0.25mm，因此，V型缺口试样的冲击韧性就用KV2、KV8表示，不同的刃口摆锤和不同的缺口类型，其冲击韧性不能直接进行比较。

对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功K越大，材料的冲击韧性越好。但由于测出的冲击吸收功K的比较复杂，所以有时测得的K值不能真实反映材料的韧脆性质。

冲击吸收功K值随温度降低而减小。当材料降低到某个温度时，K值急剧降低，这个温度区域称为韧脆转变温度。这个温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。K值还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关，它一般只能作为选材的参考。1.1材料的使用性能4.疲劳强度(1)疲劳断裂零件在工作应力低于其屈服点的循环应力长期作用下发生断裂的现象，称为疲劳断裂。疲劳断裂事先均无明显的塑性变形，是突发的，具有很大的危险性。(2)疲劳强度在测定材料的疲劳强度时要用较多的试样，在不同循环应力作用下进行试验，绘制材料所受交变应力R与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线即疲劳曲线，如图所示。图1-9疲劳曲线示意图

由图可以看出，R越低，断裂前的循环次数越多；当R降低到某一值后，曲线近乎水平直线，这意味着当应力低于该值时，材料可经受无数次应力循环而不断裂。

我们把试样承受无数次应力循环而不断裂或达到规定的循环次数才断裂的最大应力作为材料的疲劳强度。这个规定的循环次数称为循环基数。通常规定钢铁材料的循环基数为107；非铁金属的循环基数为108；腐蚀介质作用下的循环基数为106。

影响疲劳强度的因素很多。除设计时在结构上应注意减小零件应力集中外，改善零件表面粗糙度和进行高频淬火、表面形变强化、化学热处理以及各种表面复合强化等热处理，是提高材料疲劳强度的有效方法。1.1材料的使用性能5.金属材料的断裂韧度(1)低应力脆断的概念

有些高强度材料的零件往往在远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂，这就是低应力脆断。高压容器的爆炸和桥梁、船舶、大型轧辊、发电机转子的突然折断等事故，往往都属于低应力脆断。研究和试验表明，低应力脆断总是与材料内部的裂纹及裂纹的扩展有关。(2)裂纹扩展的基本形式

当外力作用于含有裂纹的材料时，根据应力与裂纹扩展面的取向不同可分为张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型)三种基本形式，

以张开型(Ⅰ型)最为危险，最容易引起脆性断裂。

(3)断裂韧度及其应用

当材料中存在裂纹时，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加应力R(称为名义应力)、裂纹半长a及外力施力点距裂纹尖端的距离有关。施加的应力在裂纹尖端附近形成一个应力场，为表述该应力场的强度，引入了应力场强度因子的概念，即式中KI——应力场强度因子，其下标表示张开型裂纹，MPa·m1/2；R——名义应力，Mpa；a——裂纹半长(裂纹长度的一半)，m；Y——裂纹形状系数，无量纲，一般情况下Y=1～2。

由上式可见，KⅠ随R和a的增大而增大，故应力场的应力值也随之增大，造成裂纹自动扩展。当KⅠ达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附加的内应力达到材料的断裂强度，裂纹将发生突然的失稳扩展，导致构件脆断。这时所对应的应力场强度因子KⅠ就称为材料的断裂韧度，用KⅠC表示。KⅠC的单位与KⅠ相同，它表示材料抵抗裂纹失稳扩展发生脆性断裂的能力。断裂韧度是一个可为零件的安全设计提供重要的力学性能指标。断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。1.2常用力学性能指标的应用

由各种机械工程材料制造的不同零件，在各种不同类型、大小的负荷下使用，有的还经常承受温度变化和环境介质的作用。在这些特定因素的作用下，经过一定时间，零件就会失去功用，这就是零件失效。一般零件会发生过量变形、断裂、表面损伤等失效现象。材料对某种失效的抵抗能力可以用材料的某些力学性能指标来衡量。1.2.1材料抵抗过量变形的性能指标

零件受到力的作用就会发生变形，首先发生的是弹性变形，当零件某一局部的应力值超过材料的屈服强度指标时，就会发生塑性变形。

零件的弹性变形不可避免，但是，一些零件的弹性变形不能超过一定的允许值，否则就不能正常工作。零件的塑性变形是不被允许的，或者只允许局部有微小的塑性变形。否则，同样也不能正常工作。如果发生了这样不能正常工作的变形现象，就是发生了过量变形失效。弹性变形和塑性变形性质不同，材料抵抗这两种变形的性能指标也不相同。1.弹性变形抗力指标

材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模量E和切变模量G。材料的E和G越大，在相同载荷下所产生的弹性变形越小，即越不易发生过量弹性变形失效。通过合理设计零件的截面形状、尺寸并提高结构刚度来解决。2.塑性变形抗力指标

材料抵抗塑性变形抗力指标主要是屈服强度。材料的屈服强度越大，则抵抗塑性变形失效的能力就越大。

材料的硬度是一个综合性能指标，

在一定范围内，硬度与屈服强度成正比，因此，硬度也可以用来评价材料抵抗塑性变形失效的能力大小。1.2常用力学性能指标的应用1.2.2材料抵抗断裂的性能指标零件或零件的局部材料承受的应力值超过材料对应的断裂抗力就会发生断裂失效。零件承受的载荷或应力的性质不同，材料抵抗断裂失效的性能指标也不相同。1.快速断裂失效的性能指标当零件承受的应力值单调地增加并超过一定的临界值，材料就会迅速发生断裂，这种断裂称为快速断裂。(1)断裂类型根据断裂前产生的塑性变形量的大小分类，如果断口处发生明显的宏观塑性变形称为韧性断裂，否则，称为脆性断裂。根据断口的宏观表面对应力的取向分类，如果垂直于最大正应力或切应力方向，称为正断，如果平行于最大切应力方向，称为切断。根据断裂裂纹扩展途径的微观形貌分类，可分为穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂的裂纹穿越过晶粒内部，可能是韧性断裂，也可能是脆性断裂。沿晶断裂是裂纹沿着晶粒的晶界扩展分离产生的断裂，室温下往往是脆性断裂，高温下如果发生蠕变产生断裂，则往往是韧性断裂。1.2常用力学性能指标的应用(2)影响脆性断裂的因素材料是否会发生脆性断裂，主要决定于材料本身的性质，此外，还受零件如应力状态、工作温度、加载速度、环境介质等工作条件因素的影响。①材料性质：材料基体原子间的键合强度高，则抵抗脆性断裂的能力也就越高。冶金缺陷、各种冷热加工缺陷会降低脆性断裂的抗力。②应力状态：根据应力状态理论和强度理论可知，材料承受三向不等拉伸时，发生脆性断裂的倾向最大；单向拉伸次之；扭转时脆性断裂的倾向最小；而单向压缩下，材料易于发生塑性变形。零件结构形状的突变部位、表面缺口、材料的各种缺陷都会使得这些部位发生应力集中，并造成三向不等拉伸的应力状态，增加脆性断裂倾向。③工作温度：金属材料工作温度降低刀韧-脆转变温度Tc时，材料易发生脆性断裂，Tc的高低取决于材料成分、杂质含量、晶格类型、晶粒大小和组织状态。体心立方晶格金属易于发生低温脆性，面心立方晶格金属一般不易发生；细晶粒不易发生。④加载速度：随着加载速度的增加，材料的屈服强度有可能超过断裂强度，断裂前不会产生塑性变形，材料处于脆性状态。⑤环境介质：金属材料在对材料本身具有一定腐蚀性作用的介质中工作，应力叠加腐蚀介质的共同作用，在没有发生塑性变形情况下会发生应力腐蚀断裂，需要说明的是，一定的金属材料只在特定的环境介质中发生断裂，而其他金属材料可能就不会如此。1.2常用力学性能指标的应用2.疲劳断裂失效的性能指标

抵抗疲劳断裂失效的性能指标有对称循环应力作用下的抗力指标σ-1；其他循环应力下的疲劳极限均高于σ-1，因此，按σ-1性能指标进行是偏于安全的。

低周疲劳的特点是最大循环应力接近或高于材料的屈服强度的，所以，在满足强度要求的前提下，尽量选择高塑性材料；对于冲击疲劳，冲击韧度具有一定参考价值，如果冲击能量高，类似于低周疲劳，疲劳抗力主要取决于塑性，如果冲击能量低，疲劳抗力主要取决于强度；热疲劳破坏是由热应力导致循环塑性应变引起的，为了减少热应力，应选用弹性模量低、线膨胀系数小、导热性好的材料，为了减少循环塑性应变，在保证一定强度的条件下选择塑性好的材料，提高材料的抗氧化能力，均提高材料的热疲劳抗力；材料发生腐蚀疲劳在任何腐蚀介质下均会出现，不像应力腐蚀只在特定介质出现，一般均用指定周次下断裂的应力作为条件腐蚀疲劳极限。1.2常用力学性能指标的应用1.2.3抵抗表面损伤的性能指标

金属材料制造的零件在服役过程中，一些零件其工作表面会受到压力和摩擦力的反复作用，有些还受到润滑介质的浸蚀，因此会发生磨损、接触疲劳和腐蚀等表面损伤。这些表面损伤会造成零件尺寸精度降低、表面粗糙度增加，影响其正常服役，有的还会成为断裂的裂纹源，促使零件发生断裂失效。1.磨粒磨损：当摩擦副一方硬度高于另外一方或接触面存在尘埃、金属屑、氧化物等硬质粒子时，就会发生磨粒磨损。根据接触面的负荷性质和应力大小不同，可分为低应力磨损和高应力磨损，前者是压力不超过磨粒的破坏强度，后者是摩擦表面承受高能量冲击载荷时，高应力足以把磨粒打碎，并使材料表面层产生小量的塑性变形。抵抗低应力磨损的性能指标是材料的硬度指标和耐磨性，抵抗高应力磨损的性能指标是材料的加工硬化能力，加工硬化后的硬度要高。2.粘着磨损：又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。材料表面硬度越高粘着磨损越小，滑动速度较低磨损率也就低。各种表面膜都具有一定的抗粘着磨损作用，润滑油中加入的油性添加剂、耐磨添加剂以及其他方法生成的硫化物、磷化物、氧化物等表面膜，都能显著提高耐粘着磨损能力。3.腐蚀磨损：腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。常见的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。抵抗氧化磨损的性能指标主要是材料的屈服强度指标，屈服强度越大，抵抗氧化磨损的能力越大，此外，一些表面处理如发蓝、磷化、蒸汽处理、渗流等表面处理可有效的提高材料抗氧化磨损的能力。抵抗特殊介质腐蚀磨损主要取决于本身材料的化学稳定性和抗腐蚀能力、以及某种特定的腐蚀介质的性质。4.接触疲劳：接触疲劳是零件材料表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀。抵抗接触疲劳的性能指标是接触疲劳强度，从材料方面来说，提高硬度、细化组织可有效提高接触疲劳强度，从而有效抵抗零件的接触疲劳损伤，提高零件使用寿命。零件的具体工作条件非常复杂，同一种零件会有多种失效形式，必须根据具体情况，在各种因素中找出、找对主导因素，才能够采取相应措施，有效的解决问题。1.3材料的工艺性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。工艺性能按加工方法不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能及热处理工艺性能等。1．铸造性能材料适于铸造加工的性能力称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性和偏析等。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故用于铸造的金属的收缩性率越小越好。化学成分和组织的偏析现象可使铸件各部分的力学性能有很大的差异。降低了铸件质量。凡是流动性好、收缩性小以及偏析倾向小的金属材料，其铸造性能良好，容易造成优良的铸件。常用钢铁材料中铸铁具有优良的铸造性能，而钢的铸造性能低于铸铁。2.锻造性能材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与材料的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。例如黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能。含碳量低的碳钢比含碳量高的钢锻造性能好。铸铁的锻造性能很差，所以不能进行锻造加工。1.3材料的工艺性能3.焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对于碳钢和低合金钢，焊接性能主要同金属材料的化学成分有关，其中碳的影响最大。例如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性差。4.切削加工性能材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能一般从切削后的表面粗糙度以及刀具寿命等几方面来衡量。具有适当的硬度和足够的脆性时较易切削。铸铁比钢切削性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善切削加工性能的重要途径。5.热处理工艺性热处理工艺性是材料接受热处理的能力。包括淬硬性、淬透性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。第1章工程材料的性能作业题：一、填空题1、常用的硬度试验方法有

硬度、

硬度、

硬度等。2、一般零件会发生

、

、

等失效现象。3、一般A或Z值越大，材料塑性越好，A叫做

，Z叫做

。4、640HV30/20表示用

N的试验载荷，保持

s所测定的维氏硬度值为

。5、HBW表示

硬度，HRC表示

硬度，HV表示

硬度。6、KU2表示

型缺口冲击韧性指标；KV8表示

型缺口冲击韧指标。二，简答题1、材料的性能包括哪些？2、金属的力学性能包括哪些？各用什么指标来衡量？3、材料的工艺性能有哪些？各有那些意义？欢迎听下一讲《第二章材料的内部结构》机械工程材料《机械工程材料》第2章

材料的内部结构

【内容提要与学习目标】材料可分为金属材料与非金属材料，材料的性能决定于其内部结构，本章主要介绍了金属材料的内部结构即晶体结构的有关知识，这些知识能够从本质上揭示出材料的性能及影响性能的因素。掌握有关它们的知识，能够为更好的使用材料打下良好的知识基础。本章的概念、名词、术语较多，建议在理解的基础上进行有效的学习和记忆。通过本章的知识学习和实际练习，要求学生达到：①掌握有关晶体的基本概念和名词术语；重点是三种典型晶体结构的特点、特征；②掌握实际晶体结构缺陷对材料性能的影响规律；理解缺陷影响的对立统一关系；③掌握合金相结构的基本概念及对材料性能的影响；④了解非金属材料的结构。2.1纯金属的晶体结构材料的种类很多，性能各有不同，它们性能首先决定于金属材料的内部结构，而以晶体状态存在的金属是应用中最重要的金属材料。2.1.1理想晶体的晶体结构一、晶体的基本概念1.晶体与非晶体物质是由原子、原子团、分子和分子团这些物质微粒或其集合而构成的。根据其物质微粒在三维空间排列方式的不同可分为晶体和非晶体两类。晶体是指组成物质的微粒在三维空间做有规则、周期性排列形成的物体。非晶体是指组成物质的微粒在三维空间做无规则、随机性排列形成的物体。自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数物质为非晶体。金属和合金在固态下都是晶体。晶体与非晶体的本质区别只是物质微粒排列方式不同，不涉及到物质的化学成分和物质状态，因此，同样成分的物质可以有晶体和非晶体两种状态，但它们的性能却不相同。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转换。2.1纯金属的晶体结构硅单晶体：2.1纯金属的晶体结构多晶体：2.1纯金属的晶体结构2.晶体结构（1）晶格、晶胞和晶格常数为了便于反映物质在固态下的晶体结构，可以把晶体中的原子近似的看作一个直径一定的刚性小球，按一定的几何形状有规律排列的而成的。如图2-1(a)所示。为了更清楚地表示晶体中原子的排列规律，可以将原子简化为一个质点，并且用假想的线条将各个原子的中心连接起来，这样就形成了一个能够抽象的、用于反映原子排列规律的空间格架称为晶格，如图2-1(b)所示。根据晶体中原子的排列具有周期性特点。可以从中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元即晶胞，来分析晶体中原子的排列规律。如图2-1(c)所示。晶体可以看做是由许多大小、形状和位向不同的晶胞在三维空间重复堆积而成。晶胞的大小和形状通常用晶胞的棱边长度及棱边夹角来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数。图2-1晶体中原子堆积模型、晶格抽象模型及晶胞模型示意图2.1纯金属的晶体结构铁原子排列示意图及实际电镜照片：2.1纯金属的晶体结构（2）晶面和晶向及晶体的各向异性

晶格中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列称为晶向。晶面及晶向可以分别用密勒指数的一些参数来表示。表示晶面的参数称为晶面指数，表示晶向的参数称为晶向指数。晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体的各向异性。2.1纯金属的晶体结构二、金属中常见的晶体结构金属原子结合力强，原子排列趋于紧密。但不同金属的结构不同，常见的有以下三种：（1）体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的中心有一个原子，八个顶点各排列着一个原子，其晶格常数a=b=c，如图2-2。属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钨（W）、钒(V)、铁（α-Fe）等。

图2-2体心立方晶胞示意图2.1纯金属的晶体结构（2）面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，八个顶点和六个面的中心各排列着一个原子，其晶格常数a=b=c，如图2-3所示。属于这种晶格类型的金属有铁(γ–Fe)、铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）等。图2-3面心立方晶胞示意图2.1纯金属的晶体结构（3）密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶点和上、下面中心各排列着一个原子，六方柱体的中间还有三个原子，如图2-4所示。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、锌(Zn)、铍(Be)等。2-4密排六方晶胞示意图

晶格类型不同，原子排列的致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）也不同。体心立方晶格的致密度为68%，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度为74%。晶格类型发生变化，金属的体积和性能也会发生相应的改变。2.1纯金属的晶体结构2.1.2实际金属的晶体的结构一、金属的多晶体结构多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体的晶格位向基本一致，但是各个小晶体之间的位向不同，如图2-5所示。由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构。多晶体中的每个外形不规则的，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。实际金属由于是由许多位向不同的晶粒组成的多晶体，所以测不出象单晶体那样的各向异性，其性能是位向不同的晶粒的平均性能，所以宏观表现为各向同性。图2-5多晶体结构示意图

金属材料的组织决定了金属材料的性能。试验和理论证明，金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑性和韧性也越好。2.1纯金属的晶体结构二、实际金属的晶体缺陷实际的金属和合金不仅大多数是多晶体，而且这些晶体中还存在很多的缺陷，这些缺陷称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的性能产生很大影响。按照晶体缺陷的几何特征，可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。1.点缺陷点缺陷是指在原子尺寸范围内在长、宽、高三个尺寸方向上尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。空位是指在晶格节点原子所处的位置上没有原子，产生的空缺位置，如图2-6a)；间隙原子是指在晶格的间隙位置排列了原子，如图2-6b)；置换原子是指外来原子占据了晶格节点位置，如图2-6c)；点缺陷导致原子间的作用力的平衡遭到破坏，促使缺陷周围的原子会发生靠拢或者撑开，即产生了晶格畸变。晶格畸变将会引起金属强度、硬度、电阻等性能的变化。

(a)(b)(c)

图2-6点缺陷2.1纯金属的晶体结构2.线缺陷线缺陷是指晶体中在两个方向上的尺寸很小，在第三个方向上尺寸很大，呈线状分布的缺陷，常见的就是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或者若干列原子发生了有规则错排现象。位错有很多类型，基本位错有刃型位错和螺型位错两种。刃型位错是沿着某方位的晶面插入一个半排原子面，多余原子面的底边称为刃型位错线。螺型位错是晶体上下两部分原子面间相对移动了一个原子间距，出现了一个上下原子面不吻合的过渡区。两种基本位错如图2-7所示。

图2-7刃型位错与螺型位错图晶体中位错的存在，导致更严重的晶格畸变，所以对金属的力学性能会产生很大的影响。位错的存在影响金属材料的强度如图2-8所示。理想晶体的强度很高，当位错密度为105～108cm-2时，强度降低；当金属材料的当位错密度为1011～1012cm-2时，位错密度的增加，使金属的强度明显提高。2.1纯金属的晶体结构3.面缺陷面缺陷是指在晶体中在两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小，呈曲面状分布的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。晶界可以看作是两个不同位向的相邻晶粒间具有一定宽度的过渡地带，其原子排列不规则，导致严重的晶格畸变，如图2-9（a）所示。晶界的存在提高了金属的强度，晶粒越细，晶界越多，金属材料的强度、硬度越高；晶界处的熔点较低；相变时晶界处往往优先形成新相，晶界容易被腐蚀。在晶粒的内部，也存在着许多小晶块，他们之间的位向差很小，它们相互镶嵌成一颗完整的晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。如图2-9（b）、c)所示。亚晶界对金属性能的影响与晶界类似，如果亚晶界越多，亚晶粒就越细，金属的强度越大。

（a）

（b）(c)图2-9晶界与亚晶界示意图实际金属和合金往往存在着各种缺陷，在缺陷处及其附近，晶格处于畸变状态，影响金属材料的各种性能，可使其强度、硬度提高，电导率、导磁率下降，化学活性增加。2.2合金的相结构2.2合金的相结构合金的相结构是指合金中相的晶体结构，也就是合金中原子的具体排列规律。根据合金中各个元素的相互作用，合金的相结构大致可分为固溶体和金属化合物两大基本类型。2.2.1固溶体一、基本概念1.合金：合金是指由金属元素与其它元素结合，形成具有金属特性的物质。2.组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元一般就是指组成合金的化学元素或其化合物。由两个组元组成的合金叫二元合金；由三个组元组成的合金叫三元合金；由三个以上组元组成的合金叫多元合金。3.合金系：组元按一定比例配制成的一系列成分不同的合金组成一个合金系统，简称合金系。两个组元组成的为二元系；三个组元组成的为三元系；更多组元组成的为多元系。4.相：是指物质中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、同一性质并以界面互相分开的、均匀的组成部分。相是物质中微观结构中的一个组成部分，只要化学成分、结构、性质有一方面不同，则分别都是不同的相。例如水和冰，虽然化学成分相同，但是由于结构和性质不同，分别是不同的相，水是液相，冰是固相，石墨与金刚石也是如此，只不过两个全是固相而已；一种物质可以有许多相，同样许多物质也可以组成一个相，如盐水、糖水、空气等。5.组织：合金中不同形状、大小、数量和分布不同的相，组合而成的综合体称为组织。组织是相的综合。在金属或合金中，由于形成条件的不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而形成不同的组织。如果形成组织的是由一个相构成，称为单相组织，如果是由两个或两个以上的相构成，则称为多相组织。2.2合金的相结构二、固溶体1.固溶体合金中的组元间在固态下溶解而形成的均匀相称为固溶体。与溶液一样，固溶体同样有溶质和溶剂，固溶体是晶体，并且保持着溶剂的晶格类型。2.固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。①置换固溶体溶质原子置换、替代了部分溶剂晶格类型原子所处的位置而形成的固溶体称为置换固溶体，如图2-10（a)、（b）所示。②间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格类型的原子间隙位置形成的固溶体称为间隙固溶体。如图2-10（c）所示。2.2合金的相结构图2-10固溶体类型示意图2.2合金的相结构按溶解度的不同，固溶体可以分为无限固溶体和有限固溶体。无限固溶体的溶质和溶剂能够互相以任意比例溶合。由于溶剂晶格原子的间隙有限，间隙固溶体都是有限固溶体。根据溶质原子进入溶剂晶格的位置是否有规律性，又可分为有序固溶体和无序固溶体。3.固溶体的性能固溶体形成后，虽保持着溶剂原子的晶格类型，但由于溶质原子的溶入，将会使溶剂原子的晶格常数发生变化，从而导致溶剂原子的晶格发生扭曲变形，即产生晶格畸变，如图2-10所示。晶格畸变会增加金属材料的变形抗力，导致材料强度、硬度的提高，塑性、韧性下降的现象。通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度增加的强化方法称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要方法之一。2.2合金的相结构

2.2.2金属化合物合金中当溶质的含量超过其溶解度时，合金组元之间会发生相互作用而形成一种新相，如果新相的晶体结构与溶质相同，则形成的这种新相是以原溶质为溶剂的新的固溶体，如果这种新相的晶格类型和性能完全不同于其组元，并且具有金属特性，则这个新相称为金属化合物。金属化合物一般可用化学分子式来大致表示其组成。金属化合物一般都具有复杂的晶体结构，具有高的熔点、高硬度、脆性大的特点。当合金中出现金属化合物时，将会使合金材料的强度、硬度以及耐磨性提高，但也会使材料的塑性和韧性降低。金属化合物是合金中的重要强化相，其作用与金属化合物的形状、大小、数量以及分布有关。当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，将会使合金的强度、硬度和耐磨性得到明显提高，这一现象叫做弥散强化。2.3非金属材料的结构简介2.3.1高分子材料的结构高分子材料是以高分子化合物为主要成分的材料。高分子化合物是含几千、几万甚至几十万个原子的分子量很大的化合物，虽然分子量大，但其化学组成却比较简单，都是由一种或几种简单的低分子化合物以共价键形式重复连接而成的大分子。低分子化合物称为单体，通过共价键重复连接而形成的链称为大分子链。例如，由乙烯(CH2=CH2)作单体，通过聚合反应打开它们的双键便可生成聚乙烯。其反应式为：nCH2=CH2［—CH2—CH2］n这里“—CH2—CH2—”结构单元称为链节，而链节的重复个数n称为聚合度。因此，单体是组成大分子链的合成原料，链节则是组成大分子链的基本(重复)结构单元。高分子材料按其结构单元不同可分为以下两种：1.大分子链结构大分子链结构是指大分子的结构单元的化学组成、键接方式、空间构型、大分子链的形态及构象。大分子链中原子之间、链节之间的相互作用是强大的共价键。这种结合力是大分子主价力，它的大小取决于链的化学组成，又是直接影响高分子化合物的熔点、强度等性质的重要因素。大分子之间的作用力为次价力，主要为范德瓦尔斯键和氢键，这种结合力较主价力小得多，但因大分子链特别长，所以总的次价力超过了主价力，以致高分子材料受拉时，不是大分子链间先滑动，而是大分子链先断裂。因此，分子间力对高分子化合物的强度具有很大作用。2.3非金属材料的结构简介大分子链的几何形态可以分成线型结构和体型结构两种。(1)线型结构线型大分子链的结构是整个大分子链呈细长链状，如图2-11(a)，分子直径与长度之比可达1∶1000以上。通常蜷曲呈不规则的线团状，受拉时可伸展呈直线状。另一些聚合物大分子链带有小支链，整个大分子链呈枝状，如图2-11(b)，这也属于线型结构。线型结构聚合物的特点是：具有良好的弹性和塑性，在加工成形时，大分子链能够蜷曲、收缩、伸直，易于加工，并可反复使用；在一定溶剂中可溶胀、溶解；加热时将软化并熔化。属于这类结构的高分子材料有聚乙烯、聚氯乙烯、未硫化的橡胶及合成纤维等。(2)体型结构体型大分子链的结构是大分子链之间通过支链或化学键交联起来，在空间呈网状，也称网状结构，如图2-11(c)所示。具有体型结构的大分子链的主要特点是脆性大，弹性和塑性差，但具有较好的耐热性、难溶性、尺寸稳定性和力学强度，加工时只能在网状结构形成之前进行一次成形。热固性塑料、硫化橡胶等是属于这类结构的高分子材料。图2-11大分子链的形状示意图2.3非金属材料的结构简介2.大分子聚集态结构大分子聚集态结构是指内部大分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称超分子结构。根据分子在空间排列的规整性，可将高分子化合物分为结晶型、部分结晶型和无定型三类。结晶型高分子化合物的分子排列规整有序，其聚集状态也称晶态；无定型高分子化合物的分子排列杂乱不规则，其聚集状态也称非晶态；部分结晶型高分子化合物的分子排列情况介于二者之间，其聚集状态也称部分晶态。如图2-12所示。图2-12高分子化合物的三种大分子聚集态结构示意图在实际生产中，大多数高分子化合物都是部分晶态或非晶态化合物。晶态结构在高分子化合物中所占的质量百分数或体积百分数称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；同时，与键运动有关的性能，如弹性、延伸率、冲击韧度则降低。2.3非金属材料的结构简介2.3.2陶瓷的组织结构陶瓷的性能除了取决于它的化学成分及结合键外，还和显微组织及相结构有关。陶瓷的典型组织是由晶体相、玻璃相和气相三部分组成的。1.晶体相晶体相是陶瓷的主要组成部分，其结构、数量、形态和分布决定了陶瓷的主要性能和应用。当陶瓷中有数种晶体时，数量最多、作用明显的为主晶体相。日用陶瓷的主晶体相为莫来石，残留石英和其他可能残存的长石、云母等为次晶体相。陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐结构、氧化物结构、碳化物结构和氮化物结构等。2.玻璃相玻璃相是一种非晶态低熔点的固体相，它是熔融的陶瓷成分在快速冷却时原子还未来得及自行排列成周期性结构而形成的无定型固态玻璃。陶瓷中玻璃相的作用是：将晶体互相黏连起来，填充晶体相之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧结温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大；获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。但玻璃相对陶瓷的强度、介电性能、耐热性、耐火性等是不利的，所以不能成为陶瓷的主要组成部分，一般含量为20%～40%。3.气相气相是指陶瓷组织内部残留下来的气孔。它的形成原因比较复杂，几乎与原料和生产工艺的各个过程都有密切联系，影响的因素也比较多。根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除了多孔陶瓷以外，气孔的存在对陶瓷的性能都是不利的，它降低了陶瓷的强度，常常是造成裂纹的根源，所以应尽量使其比例降低。一般普通陶瓷的气孔率为5%～10%，特种陶瓷的气孔率在5%以下，金属陶瓷则要求低于0.5%。作业习题1．名词解释：晶体、晶格、晶胞、多晶体、晶粒、晶界、点缺陷。合金、组元、相、组织、固溶强化、弥散强化、固溶体、金属化合物。2．实际金属晶体中存在哪几种缺陷？这些缺陷对金属性能有何影响？3．金属中常见的晶体结构有哪几种？4、固溶体有哪几种类型？固溶体与化合物有何区别？5、什么是固溶强化？有何实际意义？6、什么是弥散强化？7、相与组织的关系是怎样的？8、金属化合物有什么性能？9、固溶体与金属化合物对材料性能有何影响？欢迎听下一讲《第三章金属及合金的结晶》机械工程材料《机械工程材料》第3章金属及合金的结晶【内容提要与学习目标】金属及合金都需要熔炼和铸造，即都要经历由液态到固态的凝固过程，由于形成的是固态晶体，故此过程也叫结晶。结晶是相变过程，为了了解合金的结晶过程和变化规律，采用了相图来进行研究。本章介绍了三种二元合金相图和铁碳合金相图，介绍了杠杆定律。对材料类专业来说，掌握金属和合金结晶过程基本规律是非常重要的基本职业能力。通过本章的知识学习和相关实验练习，要求学生达到：①了解结晶现象，理解结晶所必须的各种条件以及这些条件对结晶的影响；②掌握晶体的形核与长大过程的基本规律，初步掌握晶粒大小的控制方法；③掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图的特征、结晶的基本规律及室温平衡组织；④掌握杠杆定律的推导和应用，特别是在铁碳相图中的应用；⑤掌握铁碳相图，掌握碳质量分数对铁碳合金性能的影响规律；⑥能分析铁碳合金结晶过程及室温组织，提高分析能力和科学素养。3.1纯金属的结晶现象一、热分析法和冷却曲线为了研究纯金属的结晶过程，把金属加热到全部熔化状态后让它缓慢的冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，最后把测定的温度、时间和金属状态绘制在温度-时间坐标上，便得到一个冷却曲线，这种研究方法叫热分析法。见图3-1所示。图3-1热分析法装置及冷却曲线冷却曲线T0Tn理论结晶温度实际结晶温度}

T过冷度

T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度Tt3.1纯金属的结晶现象二、金属的结晶现象1、过冷现象从冷却曲线可知，纯金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0减去实际结晶温度Tn的差值ΔT称为过冷度。过冷度ΔT不是一个恒定值，与金属含的杂质、冷却速度等因素有关。金属纯度越高，可达到的过冷度越大，冷却速度越快，过冷度也越大。过冷度越大，实际结晶温度就越低。2、结晶潜热物质从一种状态转化为另外一种状态时，会伴随着吸热和放热现象而温度不变，金属由液态转化为同温度固态放出的热量叫结晶潜热。金属结晶过程中，如果结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度会上升，甚至于会发生局部熔化的现象，图3-1的冷却曲线的U型部分就是如此，如果结晶潜热等于向周围环境散失的热量，温度保持不变，冷却曲线的水平线部分就是如此，如果结晶潜热小于向周围环境散失的热量，温度会持续下降，冷却曲线就会一直下降。可见，结晶潜热的释放和散失是影响结晶过程的重要因素。3.1纯金属的结晶现象三、晶体的形核与长大液态金属结晶过程是先形成称为晶核的固态小晶体，然后小晶体开始长大至完全互相接触形成完整的晶体为止，所以，结晶过程是个形核和长大过程。（一）、形核过程液态金属由于原子动能很大，运动激烈，原子间时聚时散，此起彼伏，这种现象称之为结构起伏或相起伏。某一瞬间由于相起伏聚合在一起的原子集团称为晶胚，只有当晶胚达到一定的晶体结构、一定的尺寸后才能够成为晶核，否则则在下一个瞬间消失。晶核形成后，液态的金属原子不断向晶核迁移而长大，最后液体消失形成完整的晶体。.晶体液体结晶结晶：

液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程3.1纯金属的结晶现象晶核的形成方式有两种。1、均质形核也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子按照一定的晶体结构排列形成的晶核。晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，而形成表面会增加能量的，也就是说形成固态晶体需要增加额外的表面能，而这个能量的来源就是能量起伏，能量起伏补充了形成固态晶体所需的表面能。一定温度下，液体的整体平均能量不变，但是，在液体的局部微小体积内，能量却此起彼伏，忽大忽小，这种局部能量起伏不定偏离平均能量的现象就是能量起伏现象。2、异质形核也称为非自发形核或非均匀形核，这种形核方式是由金属的原子依附于外来固体的表面，按照一定的晶体结构排列形成的晶核。异质形核由于依附于外来固体的表面，因此形核所需的表面能可以减少，因此，同等条件下，异质形核比均质形核要容易的多。所需要的过冷度也小，人们常常利用这一点来控制形成晶体的大小。实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的，但主要按异质形核的方式进行。3.1纯金属的结晶现象（二）、长大过程结晶过程的进行依赖于新晶核的不断产生，更依赖于已有晶核的不断长大，晶核一旦形成就马上开始了长大过程。如果只有一个晶核，最后将长大成为单晶体，如果有多个晶核，则长大成为多晶体。

图3-2液-固两相界面示意图

图3-3液-固两相温度分布示意图晶体长大过程实际上就是液体原子向固态晶体表面的迁移过程，根据液固两相界面的微观结构不同，从原子尺度衡量可分为光滑界面和粗糙界面。光滑界面的原子排列是一层光滑的原子面，粗糙界面的原子排列是高低不平互相交错的，见示意图3-2所示。金属液固两相界面一般是粗糙界面。根据液固两相界面局部的温度分布，可分为正的温度梯度和负的温度梯度，正的温度梯度是指液固两相界面局部的温度分布越往液体深入温度越高，负