第一章工程材料的结构与性能
工程材料第二版习题解答
第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。
塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。
疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。
σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。
bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。
sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。
HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。
（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。
5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。
（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。
利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。
（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。
2 共价键和分子键，共价键，分子键。
3 强。
4 强。
（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。
工程材料的分类与性能
Fe 7.86
250～ 1539 330 16 25～ 0.84 55 70～ 85 65
Ti 4.51
250～ 1660 300 3 50～ 0.17 70 76～ 88 100
Pb 11.34
18 327 7 45 — 90 4
钢材硬度换算
HRC≈2HRA-104 （HRC=20~60） HB≈10HRC （HRC=20~60）
HB≈2HRB
钢材强度、硬度换算 σb≈3.4HB （HB=125~175） σb≈3.6HB （HB＞175）
四、冲击韧度
是指材料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。
指标为冲击韧
性值a k(通过冲
金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕
小，适用范围广。
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数 字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、
aC
第三节 工程材料的其他性能
物理性能 —— 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。
一些金属的物理性能及机械性能
元素符号 Al Al 2.70 80～ 660 110 60 32～ 2.09 40 70～ 90 20 Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn
元素符号 密度，kg/m3×103
说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数
《工程材料及机械制造基础》教学大纲
《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。
本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。
掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。
Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和 控制冷热加工质量。
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材 料逐步磨耗。
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
粘着磨损示意图
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粘着磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
磨粒磨损示意图
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§1.2 材料的使用性能
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（六）韧性——材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能 力，它是材料强度和塑性的综合表现。
韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。
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§1.3 材料的工艺性能
金属材料零件的一般加工过程
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§1.3 材料的工艺性能
1. 铸造性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。 2. 锻造性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。 3. 焊接性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。 4. 切削加工性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿 命等方面来衡量。 5. 热处理性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变 形与开裂倾向。
材料的结构与性能特点
第一章材料的结构与性能固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。
所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。
材料的相互作用组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。
主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
离子键形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。
特性：离子键没有方向性，无饱和性。
NaCI晶体结构如图NH1晶体结构性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。
典型的离子晶体是无色透明的。
共价键形成：元素周期表中的W A、皿、W A族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。
这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。
氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。
性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度咼、脆性大，熔点、沸点咼，挥发度低。
金属键形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。
如图所示。
性能特点：1）良好的导电性及导热性；2）正的电阻温度系数；3）良好的强度及塑性；4）特有的金属光泽。
分子键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。
特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。
但其绝缘性良好。
材料的结合键类型不同，则其性能不同。
常见结合键的特性见表1-1晶体材料的原子排列所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。
理想的晶体结构1•晶体的基本概念(1) 晶格与晶胞晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。
从晶格中取出一个 最能代表原子排列特征的最基本的几何单元， 称为晶胞。
晶胞各棱边 的尺寸称为晶格常数。
简单立方晶格、晶胞示意图(2) 晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系(3) 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距 离的一半。
工程材料的成分、组织、性能、选材、工艺与应用
材料学绪论一、本课程的性质一门研究材料的化学成分，加工工艺，组织、性能及应用几者之间的内在联系，分析如何运用材料科学的基础知识解决各实际问题的综合性，实践性极强的专业课。
二、本课程的目的使学生掌握如下能力：1、对各类工件所用材料进行合理选材和制定正确的热处理工艺（或其它加工工艺），以满足其使用要求。
2、解决工件加工和使用中出现的各类早期失效问题。
3、从事新材料、新工艺的开发和研制的初步能力。
三、工程材料定义工程材料（结构材料）：用来制备在工作环境下承受载荷的工件的材料。
四、参考书工程材料朱张校清华大学出版社金属材料学王笑天机械工业出版社复合材料（二十一世纪新材料丛书）吴人洁天津大学出版社第一章钢的合金化基础一、合金元素（Me）的定义碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S、P、Si、Mn、O、H、N……）合金钢：Fe+C+合金元素（Me）+杂质元素合金元素：以改善钢的工艺性能和使用性能为目的，人为添加到钢中的元素。
锰（Mn）铬（Cr）钼（Mo）钨（W）钒（V）铌（Nb）钛（Ti）镍（Ni）铜（Cu）钴（Co）硅（Si）硼（B）氮（N）铝（AL）稀土（RE）杂质元素：混入钢中的元素硫（S）磷（P）硅（Si）锰（Mn）氧（O）氢（H）氮（N）二、合金元素的分类及性质1、分类a、按是否形成碳化物（c’）分为：（1）碳化物（c’）形成元素：弱碳化物形成元素，Mn——Mn3C（固溶态）；强碳化物形成元素（Me强）Cr、Mo、W、V、Nb、Ti，其中：Cr、Mo、W（部分固溶态，部分化合态），V、Nb、Ti（化合态）。
（2）非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、B、Cu、Co、RE（固溶态）b、按对Fe-Fe3C相图各区的影响不同分为：（1）扩大F区元素（固溶态）：Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Si（提高A1、A3，使S点左移）。
（2）扩大A区元素：Ni、Cu、Mn、C、N（降低A自由能（G A），增加A 稳定性）。
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形 式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、 化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线 结构分析技术进行测定。
精品课件
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于 立方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
精品课件
若两个晶向的全部指数数值相同而符
号相反, 则它们相互平行或为同一原子列,
但方向相反。
如[110]与
。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]
与
可用同一个指数[110]表示。
精品课件
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族：
精品课件
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法
以晶向DA为例：
精品课件
晶向OA ： [100] 晶向OB ： [110] 晶向OB’ ：[111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
精品课件
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
精品课件
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数
四指数方法表示晶面和晶向。
水平坐标轴选取互相成120°
工程材料结构与性能
工 学 《工
》
③ 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓 度。溶解度有一定限度的固溶体 称有限固溶体。 称有限固溶体。组成元素无限互 溶的固溶体称无限固溶体。 溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、 组成元素原子半径、电化学特 性相近， 性相近，晶格类型相同的置换固 溶体，才可能形成无限固溶体。 溶体，才可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。
工 学 《工 》
化合物 Cu-Zn有限固溶体 有限固溶体
工 学 《工 》
Cu-Ni无限固溶体 无限固溶体 固溶体
④ 固溶体的性能 随溶质含量增加, 固溶体的 随溶质含量增加 强度、硬度增加 塑性、 强度、硬度增加, 塑性、韧性 下降—固溶强化。 下降 固溶强化。 固溶强化 产生固溶强化的原因是溶 质原子使晶格发生畸变及对 位错的钉扎作用。 位错的钉扎作用。 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性 低。与化合物相比，其硬度要低得多，塑性韧性要高得多 与化合物相比，其硬度要低得多，
工 学 《工
》
（3）密排六方晶格 ） 密排六方晶胞它是一个正六面柱体，在晶胞的 个角 密排六方晶胞它是一个正六面柱体，在晶胞的12个角 上各有一个原子，上底面和下底面的中心各有一个原子， 上各有一个原子，上底面和下底面的中心各有一个原子， 上下底面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属有 、 上下底面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属有Mg、 Zn等。 等
工 学 《工
》
3. 常见纯金属的晶格类型
(1) 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞的形状是一个立方体， 体心立方晶格的晶胞的形状是一个立方体，原子位于 立方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有 立方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有α-Fe、 Cr、V、W、Mo等。 等
工程材料复习思考题(全)
工程材料复习思考题（全）《机械工程材料》复习思考题陈永泰第一章材料的性能1材料的力学性能主要存有哪些？强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。
2详述低碳钢的形变－快速反应曲线（分成几个阶段，各特征点则表示什么含义）。
弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈变小阶段。
（画图）第二章材料的结构1体心立方晶格的墨排面和YCl方向各存有那些？面心立方晶格呢？{110}，<111>；{111}，<110>2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？①多晶体结构；②具备晶体缺陷。
3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，势能制约越多，必须协同的具备相同李昭道的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而引致金属强度和硬度越高。
金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。
4名词解释：二者固溶体金属化合物固溶加强云气加强二者：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分存有界面分离的光滑组成部分。
固溶体：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构相同的固相称作固溶体。
金属化合物：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称作金属化合物。
固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固溶强化。
云气加强：即为结晶加强。
若合金中的第二相以细小云气的微粒均匀分布在基体上，则可以明显提升合金的强度，称作云气加强。
5固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）1固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。
金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。
第一章工程材料的分类与性能指标
高分子材料制品
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的 化合物。
陶瓷材料属于无机非金属材料
由于大部分无机非金属材料含有 硅和其它元素的化合物，所以又 叫做硅酸盐材料。 它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻 璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和 陶瓷等三类。
对工程师来说，陶瓷包括种类繁 多的物质，例如玻璃、砖、石头、 混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘 材料、非金属磁性材料、高温耐 火材料和许多其它材料。
这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气 中时会逐渐地硬化；为什么铝不能用在超音速飞 机中；为什么金属在周期性载荷的作用下会产生 疲劳；为什么普通钢的钻头不能象高速钢钻头那 样飞快地切削；为什么磁体在射频场中会失去它 的磁性；又为什么半导体在核辐射下会损坏。这 类例子是数不清的。
在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而 且要考虑那些将使材料内部结构发生变化，从而 也导致材料性能发生变化的使用条件。
因此，金属材料特别是钢铁材料仍然是机械制造业 使用最广泛的材料。
随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速的 发展。
非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和特 点。
如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生 产率高、成本低等。
所以非金属材料在工业中的应用日益广泛。 比如高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、
因此，要减少零件的弹性变形，提高其 刚度，只能通过合理设计零件的截面形状、 尺寸，并提高其结构刚度来解决。
刚度：
绝大多数机器零件在工作时基本上都是 处于弹性变形阶段，即均会发生一定量的弹 性变形。但若弹性变形量过大，则工件也不 能正常工作，由此引出了材料对弹性变形的 抵抗能力——刚度（或刚性）指标
补充篇 工程材料的分类与性能
第一章材料的结构和性能 § 1 金属材料的结构和组织
相：合金中具有相同的化学成分、相同的结构、能够与其他部分区
分的部分。 1、固溶体
间隙固溶体 置换固溶体
有限置换固溶体 无限置换固溶体
固溶强化：通过溶入溶质原 子使溶剂原子的晶格发生畸 变，从而使金属材料的强度、 硬度升高的现象。
2、金属化合物
两个组元相互作用形成的新的相。
金属化合物的晶格与其组元的晶格完全不同，因此其性能也 不同与组元。
第一章 金属材料的主要性能 第二章 金属及合金的晶体结构 第三章 铁碳合金 第四章 金属的塑性变形和再结晶 第五章 钢的热处理 第六章 合金钢
第一章 材料的性能
§ 1 材料的力学性能
拉伸试验机
一、刚度 材料抵抗弹性变形的能力。
EPF
Pl 0
l l Fl
0
E;F l
4. 电磁搅拌
五、铸锭的结构
1、铸锭结构 细等轴晶区；柱状晶区；粗等轴晶区；
2、铸锭的缺陷
缩孔；缩松；气孔；
习题与思考题
1、什么是过冷度？为什么金属结晶时一定要有过冷度？ 2、过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什 么影响？ 3、液体金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么？ 4、晶粒大小对金属机械性能的影响是什么？简述晶粒细化的途径。 比较下列情况晶粒的粗细：
§2 材料的物理和化学性能
一、物理性能
比重、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。
二、化学性能
耐腐蚀性、抗氧化性等。
比强度 : 材料的强度值与密度值之比。
名称 密度
强度
比强度
(g / cm3) ( Mpa )
纯铝 2.7 纯铁 7.87 纯钛 4.5
80～100 180～280 405～500
工程材料第四版答案
工程材料第四版答案工程材料习题与辅导(第4版) 第一二章答案主编朱张校姚可夫主编第1章材料的结构与性能特点1.1 教学指导1. 教学要求本章重点阐明金属材料的晶体结构，简要阐述晶体缺陷和合金的结构，一般介绍金属材料的组织及性能。
简要阐述高分子材料的结构与性能，一般介绍陶瓷材料的结构与性能。
2. 教学目标学生应重点掌握金属材料的晶体结构，熟悉晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。
熟悉高分子材料的结构与性能。
一般了解陶瓷材料的结构与性能。
3. 教学建议(1) 晶体结构部分应重点阐明三种常见金属的晶体结构及特点。
(2) 学生在学习时对“晶面指数及晶向指数的确定”部分的内容会感到困难。
要求学生多练多画，掌握常见的晶面和晶向的表示方法。
(3) 简要阐述高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。
(4) 建议本章学时：8～9 学时。
1.2 习题参考答案1. 解释名词致密度、晶体的各向异性、刃型位错、柏氏矢量、固溶体、固溶强化、金属化合物、组织、组织组成物、疲劳强度、断裂韧性、单体、链节、热塑性、热固性、柔性、玻璃态、高弹态、粘流态答: 致密度: 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数).晶体的各向异性: 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能是不同的。
这种性质叫做晶体的各向异性。
刃型位错: 在金属晶体中，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。
这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。
这种线缺陷称刃型位错。
柏氏矢量: 首先指定位错线的方向。
右手拇指指向位错线方向，四指弯曲，回绕位错线作一回路，每个方向上经过的原子个数相同，回路不能闭合。
连接起始点至终点得一矢量，该矢量称为柏氏矢量，用b表示。
它可以反映该位错的性质。
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称为固溶体。
工程材料及机械制造基础习题答案
⼯程材料及机械制造基础习题答案《⼯程材料及机械制造基础》习题参考答案第⼀章材料的种类与性能（P7）１、⾦属材料的使⽤性能包括哪些？⼒学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是⾦属的⼒学性能？它包括那些主要⼒学指标？⾦属材料的⼒学性能：⾦属材料在外⼒作⽤下所表现出来的与弹性和⾮弹性反应相关或涉及⼒与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、⼀根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最⼤载荷为多少？断⾯收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛⽒硬度的测试原理。
以压头压⼊⾦属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应⼒松弛？蠕变：⾦属在长时间恒温、恒应⼒作⽤下，发⽣缓慢塑性变形的现象。
应⼒松弛：承受弹性变形的零件，在⼯作过程中总变形量不变，但随时间的延长，⼯作应⼒逐渐衰减的现象。
6、⾦属腐蚀的⽅式主要有哪⼏种？⾦属防腐的⽅法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐⽅法：1）改变⾦属的化学成分；2）通过覆盖法将⾦属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第⼆章材料的组织结构（P26）1、简述⾦属三种典型结构的特点。
体⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的中⼼和每个顶⾓各有⼀个原⼦。
每个体⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：2个。
塑性较好。
⾯⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的8个顶⾓和6个⾯的中⼼各有⼀个原⼦。
每个⾯⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：4个。
塑性优于体⼼⽴⽅晶格的⾦属。
密排六⽅晶格：晶格属于六⽅棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项⾓上各有⼀个原⼦，两个端⾯的中⼼各有⼀个原⼦，晶胞内部有三个原⼦。
每个密排六⽅晶胞原⼦数为：6个，较脆2、⾦属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和⾯缺陷。
使⾦属抵抗塑性变形的能⼒提⾼，从⽽使⾦属强度、硬度提⾼，但防腐蚀能⼒下降。
3、合⾦元素在⾦属中存在的形式有哪⼏种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和⾦属化合物两种。
道路建筑材料第六版第一章答案
道路建筑材料第六版第一章答案1.1填空题工程材料习题1、材料的结构与性能特点(1)同非金属相比,金属的主要特性是(①热和电的良导体②正的电阻温度系数③不透明、有金属光泽④塑性高、强韧性好)。
(2)晶体与非晶体结构上最根本的区别是(晶体内原子排列是有规则、周期性的)。
(3)在立方晶系中,{120}晶面族包括((120)(102)(012))等晶面。
(4)fah-fee的一个晶胞内的原子数为(4)。
1.2.选择正确答案(1)晶体中的位错属于:a.体缺陷b.面缺陷c.线缺陷d.点缺陷(2)在面心立方晶格中,原子密度最大的晶向是a.<100>b.<110>c.<111>d.<120>(3)在体心立方晶格中,原子密度最大的晶面;a.<100>b.<110>c.<111>d.<120>(4)固溶体的晶体结构:a.与溶剂相同b.与溶质相同c.与其他晶型相同(5)间隙相的性能特点是:a.熔点高、硬度低b.硬度高、熔点低.c硬度高、熔点高1.4.综合分析题(1)在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和【211】、【-1 20】晶向。
(2)fah-fee、AI、Cu、Ni、V、Mg、Zn各属何种晶体结构?答:①体心立方:Fah-fee、V②面心立方:Al、Cu、Ni③密排六方:Mg、Zn(6)实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?答:实际金属晶体中存在:点、线、面缺陷,引起晶格畸变。
a.点缺陷:使电阻率和强度增加。
b.面缺陷:使塑性、强度增加。
c.线缺陷(位错):在冷变形时,使强度增加、塑性降低。
(8)什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?答:固溶强化:形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。
固溶强化原因:溶质原子引起晶格畸变,使变形抗力增加。
(9)间隙固溶体和间隙相有什么不同?答:间隙固溶体:晶格类型与溶剂相同。
(完整版)工程材料及材料成型技术基础
§1-1 材料原子(或分子)的相互作用
1、离子键 当正电性金属原子与负电性非金属
原子形成化合物时，通过外层电子的重 新分布和正、负离子间的静电作用而相 互结合，故称这种结合键为离子键。
离子晶体硬度高，强度大，脆性大。 如氯化钠，陶瓷。
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2、共价键 当两个相同的原子或性质相差不大的
原子相互接近时，它们的原子间不会有电 子转移。此时原子间借共用电子对所产生 的力而结合，这种结合方式称为共价键。
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3．陶瓷材料 ① 普通陶瓷—主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料. ② 特种陶瓷—高熔点的氧化物、碳化物、氮化物
等烧结材料。 ③ 金属陶瓷—用生产陶瓷的工艺来制取的金属与
碳化物或其它化合物的粉末制品。 4．复合材料 是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 ①按基体相种类分：聚合物基、金属基、 陶瓷基、 石墨基等。 ②按用途分：结构、功能、智能复合材料。
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本部分重点
1)工程材料的概念
– 制造工程结构和机器零件使用的材料
2)工程材料的分类
• 金属材料
钢铁材料 有色金属及其合金
• 有机高分子材料
塑料 橡胶等
• 陶瓷材料 • 复合材料
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第一章 工程材料的结构与性能
§1-1 材料原子(或分子)的相互作用
当大量原子(或分子)处于聚集状态时， 它们之间以键合方式相互作用。由于组成 不同物质的原子结构各不相同，原子间的 结合键性质和状态存在很大区别。
8
绪论
一、材料的发展史
材料(metals) 是人类用来制作各种产品的物质，是 先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。 反映人类社会文明的水平。
1 . 石器时代 ：古猿到原始人的漫长进化过程。原料： 燧石和石英石。 2. 新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器。 3. 青铜器时代：夏(公元前2140年始)以前就开始了 4. 铁器时代：春秋战国时期(公元前770～221年)开始 大量使用铁器
工程材料-高分子材料的结构与性能
聚酰亚胺层压 板
聚合物 ⑷ 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚
合物和元素有机聚合物
2. 高分子化合物的命名
大多数采用习惯命名法，在单体 前面加“聚”字；或在原料名称 后加“树脂”二字，如酚醛树脂 等。
二、高分子材料的结构
（一）、高分子链的结构 (分子内结构)
1. 高分子链结构单元的化学组成 在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA
高聚物呈玻璃态的 最高温度称玻璃化 温度，用Tg表示。 用于这种状态的材 料有塑料和纤维。
线型非晶态高聚物的温度-变形曲线
2 高弹态：温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时 产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。
3 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力 作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分
中部分非金属、亚金属元素才能形成高分 子链。
2. 高分子链的形状 按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物
分为线型结构、支链型结构和体 热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体 型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性， 是热固性材料。
（二）高分子的聚集态结构 (分子间结构) 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子
子材料的加工态， 大分子链开始发 生粘性流动的温 度称粘流温度， 用Tf表示。
线型非晶态高聚物的温度-变形曲线
（二）其它类型高聚物的力学状态
分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子 量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 Tm 以下与非晶态的玻璃相似，高于Tm 则进入粘流 态。分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。
链节。
聚乙烯分子链
（二）高分子化合物的聚合
1 加聚反应
由一种或多种单体相互加成，或由环状 化合 物开环相互结合成聚合物的反应。
工程材料的结构与性能分析
工程材料的结构与性能分析在工程领域中，材料的结构和性能是至关重要的因素。
工程材料的结构指的是其原子、晶体或分子的组织方式，而性能则是指材料在实际工程应用中所表现出的特性和功能。
深入了解工程材料的结构与性能分析，对于合理选择材料、提高工程质量、增加材料寿命具有重要意义。
一、工程材料的结构分析1. 原子结构分析工程材料的基本组成单位是原子。
原子的种类、排列方式以及相互之间的结合方式对材料的性能产生重要影响。
常用的原子结构分析方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。
X射线衍射可以通过材料对X射线的散射模式来确定晶体结构和晶格参数。
SEM可以通过扫描样品表面反射出的电子束来观察材料的表面形貌，并了解材料的晶粒大小和分布情况。
TEM则能够提供更高分辨率的图像，揭示材料的原子结构和晶体缺陷。
2. 晶体结构分析晶体是由原子或离子按照一定规则排列组成的材料。
晶体结构对材料的物理性质具有重要影响，如导电性、导热性等。
X射线衍射、能量散射谱(EDS)、电子能谱(ES)等技术可用于分析和确定晶体结构。
X射线衍射是常用的晶体结构分析方法，通过测量样品对入射X射线的散射强度和散射角度，确定晶体的结构。
EDS 技术能够对材料进行定性和定量分析，了解晶体中的元素组成情况。
ES技术可以定性分析样品表面的元素和化合物。
3. 分子结构分析部分工程材料可以看作是由分子组成的化合物。
了解分子结构对于研究材料的性质具有重要意义。
光谱学、质谱学和核磁共振(NMR)等技术常用于分析和确定分子结构。
红外光谱(FT-IR)可以通过分析材料吸收或散射的红外辐射来确定其分子结构。
质谱学则利用质谱仪分析样品中的离子质荷比，确定分子的通式和分子量。
NMR技术则能够通过测量样品中原子核的谱线来确定分子结构。
二、工程材料的性能分析1. 机械性能分析工程材料的机械性能是指其在外力作用下的变形、破坏和抗疲劳能力等特性。
常用的机械性能分析方法包括拉伸试验、冲击试验、硬度测试等。
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第一章 工程材料的结构与性能
3.硬度
布氏硬度原理
洛氏硬度原理
维氏硬度原理
第一章 工程材料的结构与性能
布氏硬度
第一章 工程材料的结构与性能
硬度
布氏硬度用HB表示:当试验压力的单位为kgf时
F F 2F HB F凹 Dh D( D D 2 d 2 )
第一章 工程材料的结构与性能
40
(1)体心立方晶格结构
第一章 工程材料的结构与性能
(2)面心立方晶格结构
41
第一章 工程材料的结构与性能
42
(3)密排六方晶格结构。
动画15 密排六方晶胞
第一章 工程材料的结构与性能
3).晶面和晶向的表示方法
晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数 (hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。 晶面 晶向指数[uvw] 的确定方法是： Z 以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢 为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个 坐标的单位长度； 过原点作一直线OP，使其平行于待 Y 标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些 X 阵点； 在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点 的坐标值； 将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括 号，[uvw]即为AB的晶向指数。
第一章 工程材料的结构与性能
1.强度
1)静载时的强度 (1) 弹性和刚度 (2) 屈服点σs (3) 抗拉强度σb 2)变载时的强度 3)高温强度
第一章 工程材料的结构与性能
2.塑性
材料在外力的作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称 为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。
L1 L0 100% L0
第一章 工程材料的结构与性能
1.4.3金属间化合物
1)正常价化合物 2)电子化合物 3)间隙化合物 1.4.4合金性能 1)固溶体与固溶强化 2)化合物与第二相强化
第一章 工程材料的结构与性能
1.5高聚物的结构
高聚物又称高分子化合物,通常由一种或几种 简单的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很 大，一般在104～107的范围内。 高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大 分子链的形态、和大分子的聚集态结构。 1.5.1大分子链的结构
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由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元 素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元 素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分 以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是 一种相，也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为 组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了 不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可 以分为固溶体和化合物两类。
第一章 工程材料的结构与性能
1.4.2固溶体
溶剂原子
溶质原子
置换固溶体
间隙固溶体
置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无 规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则 称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何 比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换 固溶体。 间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å 的非金属元素，如:H、 O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直 径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。 溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。
1.5.2高聚物的聚集态结构
第一章 工程材料的结构与性能
（二）聚合反应类型 高聚物是由一种或几种简单化合物聚合而成，其聚合方式有 加聚、缩聚两种。
1．加聚反应
由一种或几种单体聚合而成高聚物的反应，称为加聚以应。 这种高聚物链节的化学结构与单体的化学结构相同。根据单体种类 的不同，可分为均聚和共聚两种： （1）均聚是指由一种单体聚合而成的高聚物，称为均聚物。如 聚乙烯是乙烯的均聚物。 （2）共聚是指由几种不同类型的单体的聚合而生产的产物，称
硬度
符号 压头类型 压力 Kgf 150 硬度值 有效范围 20~60 HRC 25~100 HRB 70HRA 应用举例
HRC
金刚石圆锥
120º
淬火钢件
HRB
Ф1/16inch 淬火钢球 120º
1.2.1理想晶体结构
晶体、非晶体
晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向
第一章 工程材料的结构与性能
39
常见的晶格类型
根据晶胞的三条棱边是否
相等、三个夹角是否相等以及 是否为直角，晶体学将所有晶
体分为7个晶系，14种空间点阵。
称作布喇菲空间点阵 常见的三种金属晶格类型有： 体心立方晶格。 面心立方晶格。 密排六方晶格。
第一章 工程材料的结构与性能
工程材料及成形 技术基础
第一章 工程材料的结构与性能
绪论
材料与成形技术的经济地位
材料的发展史 材料的分类
本课程在人才培养中的地位和作用
本课程的内容和要求
第一章 工程材料的结构与性能
材料的分类
按化学成分分类 金属（黑色金属、有色金属） 非金属 无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材 料） 现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷） 有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂） 按用途分类 结构材料（利用其力学性能） 功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物 化学等特性完成特定功能） 按状态分类 单晶体、多晶体、非晶体
共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。
第一章 工程材料的结构与性能
传统陶瓷 由粘土、 石英、长石等成分 组成，以天然为主。 现代陶瓷 由 Al3O2、SiC、Si3N4等 成分组成，以合成 为主。
第一章 工程材料的结构与性能
1.7工程材料的性能
1.7.1工程材料的力学性能 1. 强度 2. 塑性 3. 硬度 4. 冲击韧性 5. 断裂韧性 6. 耐磨性 7.粘弹性 1.7.2工程材料的物理性能 1.7.3工程材料的化学性能 1.7.4工程材料的工艺性能
第一章 工程材料的结构与性能
2. 结构单元键连接方式和链的构型 ⑴聚合物中聚氯乙烯单体的连接方式 1)头-尾连接：
2)头-头或尾-尾连接：
3)无规则连接：
第一章 工程材料的结构与性能 （2）链的构型 链的结构是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式,即 链构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同,可有以下三种立 体构型:
第一章 工程材料的结构与性能
第一章 工程材料的结构与性能
绪论
本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求
第一章 工程材料的结构与性能
第一章工程材料的结构与性能
1.1材料原子的相互作用 1.2晶体材料的原子排列
1.3非晶态材料中的原子排列
1.4合金的晶体结构
1.5高聚物的结构
1.6陶瓷的结构 1.7工程材料的性能 本章小结
第一章 工程材料的结构与性能
晶面指数的确定方法
在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶 向指数时相同，但不能将坐标原点选在待 确定指数的晶面上； 以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面 在各坐标轴上的截距； -Y 取三个截距的倒数，并以最小 公倍数乘这三个倒数，得到三个 最小的整数h、k、l; 将求得的h、 k、 l用圆括号括 X 起来，（hkl)即为该晶面的晶面 指数。 Z
第一章 工程材料的结构与性能
1.3非晶态材料中的原子排列
1.3.1பைடு நூலகம்程有序 1.3.2亚稳态性
第一章 工程材料的结构与性能
1.4合金的晶体结构
1.4.1合金的相结构、组织极其关系 1.4.2固溶体 1.4.3金属间化合物 1.4.4合金性能
第一章 工程材料的结构与性能
1.4.1合金、相、组织及其相互关系
第一章 工程材料的结构与性能
单键内旋转示意图
第一章 工程材料的结构与性能
4. 高聚物的聚集态结构
高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几 何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性
可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。
第一章 工程材料的结构与性能
为共聚物。
第一章 工程材料的结构与性能
1.5.1大分子链的结构
大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接 方式、空间构型等。 1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si等元素构成。 其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚 物。 2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头 连接、尾_尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同 立构和无规立构 3)大分子链的形态： （大分子链的几何形态、大分子 链的构象及柔顺性）
(326)
X
Y
-Z
第一章 工程材料的结构与性能
单晶体的各向异性
单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和 密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性 能也不同，这种现象称为各向异性。
第一章 工程材料的结构与性能
1.2.2实际晶体结构
1.多晶体与亚结构 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个 小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。 小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结 构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。
第一章 工程材料的结构与性能
大分子链的几何形态
线型
带有支链
体型
第一章 工程材料的结构与性能
大分子链的运动方式 线型无定型高聚物中，大分子链的运动方式具有多重 性，主要有如下几种： (1)整链的运动：大分子链作为一个整体作质量中心的 移动，即发生原子链间的相对移动(滑脱)。反映在性能上 是高聚物呈现延性，会出现由粘性流动引起的永久变形。 (2)链段的运动：链段是由几个至几十个链节组成的一 小段分子链，由于主链的内旋转，使大分子链具有柔顺性 ，在整链质量中心不移动的情况下，一部分链段相对于另 一部分链段而运动，出现可逆伸缩。反映在性能上是高聚 物呈现独有的高弹性。 (3)链节的运动：链节、原子团、原子在平衡位臵作小 范围运动。反映在性能上是高聚物呈现普弹性(应力与应 变成正比)。