工程材料-过控-1-金属学基础
材料工程基础-第一章
态时易溶解某些气体；熔点1083℃，沸点2310℃，常温比
重8.96g/cm3。常温干燥空气中不易氧化，但在有CO2存在 的潮湿空气中易生成CuCO3· Cu(OH)2即铜绿，有毒； Cu在185℃时开始与氧作用，低于350℃时生成Cu2O， 高于350℃时生成CuO。
浸出
湿 法 冶 金
分离
过滤分离和沉降分离
富集
结晶、蒸馏、沉淀、置换、 溶液萃取、离子交换、膜 分离
电解、化学置换、还原
提取
1.3、电冶金
电冶金是利用电能提取和精炼金属的方法，按照电 电弧熔炼 能形式可分为电热冶金和电化学冶金。 电阻熔炼
电阻-电弧熔炼
电热冶金
等离子熔炼 感应熔炼
电 冶 金
电子束熔炼 溶液电解
2.2钢的冶炼
什么是炼钢？
钢和生铁的主要区别？ 从生铁到钢需要哪些工艺步骤？
钢和生铁的主要区别
项目 钢 生铁
含碳量 ≤2%，一般为0.04-1.7% ＞2%，一般为2.5-4.3% 含Si、Mn、P、S量 较少 较多 熔点 1450-1530℃ 1100-1150℃ 力学性能 强度、塑性、韧性好 硬而脆，耐磨性好 铸造性能 较好 好 锻造性能 好 差 焊接性能 好 差 可加工性能 好 好 热处理性能 好 差
②熔炼过程化学反应
高温下化学反应分两大类：高价硫化物，碳酸盐 、硫酸盐的热分解，各种化合物相互作用。具体如 下：
1)高价硫化物，碳酸盐、硫酸盐的热离解： 4CuFeS2→2Cu2S+4FeS+S2 ↑ 2Cu3FeS3→3Cu2S+2FeS+1/2S2 ↑ FeS2→FeS+1/2S2 ↑ CaCO3→CaO+CO2 ↑ ZnSO4→ZnO+SO2 ↑ +1/2O2 ↑ S+O2→SO2↑ 产物CO2 和SO2进入烟气中 2)各种化合物的相互作用及造锍、造渣： 3Fe3O4+FeS→10FeO+SO2 ↑ Cu2O+FeS→Cu2S+FeO ZnO+FeS→ZnS+FeO 造锍：Cu2S+FeS→Cu2S· FeS 造渣：FeO+SiO2→2FeO·SiO2 2CaO+SiO →2CaO·SiO
工程材料知识点
工程材料知识点1. 工程材料分类1.1 金属材料1.1.1 铁碳合金1.1.2 非铁金属1.1.2.1 铜合金1.1.2.2 铝合金1.2 非金属材料1.2.1 塑料1.2.2 陶瓷1.2.3 复合材料1.3 特种材料1.3.1 纳米材料1.3.2 生物材料2. 材料性能2.1 力学性能2.1.1 强度2.1.2 硬度2.1.3 韧性2.1.4 疲劳性能2.2 物理性能2.2.1 密度2.2.2 热膨胀系数2.2.3 导热性能2.3 化学性能2.3.1 耐腐蚀性2.3.2 化学稳定性3. 材料选择原则3.1 满足工程设计要求 3.1.1 功能需求 3.1.2 经济性3.1.3 可加工性 3.2 考虑环境因素3.2.1 温度3.2.2 湿度3.2.3 化学介质 3.3 考虑可持续性3.3.1 材料回收 3.3.2 环保性4. 材料加工工艺4.1 铸造4.2 锻造4.3 焊接4.4 热处理4.5 机械加工4.5.1 切削加工 4.5.2 非传统加工5. 材料测试与评估5.1 力学性能测试5.1.1 拉伸试验 5.1.2 冲击试验 5.2 物理性能测试5.2.1 热导率测试 5.2.2 密度测定 5.3 化学性能测试5.3.1 耐腐蚀测试5.3.2 化学成分分析6. 材料应用案例6.1 建筑行业6.1.1 结构材料6.1.2 装饰材料6.2 汽车工业6.2.1 车身材料6.2.2 发动机材料6.3 航空航天6.3.1 轻质高强度材料6.3.2 耐高温材料7. 材料发展趋势7.1 智能材料7.2 绿色材料7.3 3D打印材料8. 结语工程材料是现代工业和建筑的基础，了解不同材料的特性、性能和应用对于工程设计和产品开发至关重要。
随着科技的进步，新材料的研发和应用将不断推动各行各业的发展，提高产品性能，降低成本，同时更加注重环保和可持续性。
因此，工程师和设计师需要不断更新材料知识，掌握最新的材料技术和应用趋势。
工程材料基础第2章 金属学基础知识
强度提高，塑性韧性得到改善
三、金属冷塑性变形对组织和性能的影响
冷塑性变形是金属在再结晶温度以下的塑性变形
纤维组织的形成 晶粒内产生亚结构 形成形变织构 产生残余应力 产生加工硬化
四、回复与再结晶
回复 纤维组织，残余应力显著下降 塑性提高
再结晶
获得了新的等轴晶粒， 消除了冷加工纤维组织、 加工硬化和残余应力
a＝b＝c
a＝b＝c
α＝β＝γ＝90℃ α＝β＝γ＝90℃
晶胞内原子数
原子半径 致密度 配位数
典型金属
0.68
0.74
反映原子排列紧密程度
8
12
பைடு நூலகம்
α-Fe、Mo、W、 V、Cr、β-Ti
γ-Fe、Al、Cu、 Ni、Au、Ag
a＝b c/a＝1.633 α＝β＝90 ℃ γ＝120℃
0.74 12 Mg、Zn、Be、 Ca、α-Ti
晶体与非晶体
晶体：固态下分子或原子呈规则排列的聚集状态 特征：整齐规则的几何外形
固定熔点
你是否可以列举生活中的晶体呢？
盐、味精、砂糖、碱 牙齿、骨骼 泥土、砂石 金属制品
松香、琥珀、玻璃 辨别：X技术进行结构分析
非晶体
纯金属的晶体结构
一、晶体结构
晶体
晶格（空间格架）
晶胞
简单立方晶胞：
a＝b＝c α＝β＝γ＝90℃
固溶体 化合物 机械混合物
固溶体
概念 一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相
特征
①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质
②保有溶剂的晶格结构
③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化
金属学基础
性材料：断裂前断口不发生明显塑性变形的材料 • 对同一材料，随试验温度降低，韧性断裂可以转
变为脆性断裂，即材料由韧性材料变为脆性材料 ，这种现象称为韧脆性转移。韧脆转移的温度称 为韧脆转变温度（金属材料的最低工作温度）。
第一章金属学基础
§1.1 金属的力学性能 §1.2 金属的物理性能 §1.3 金属的晶体结构
§1.4 金属的结晶 §1.5 合金的结构与结晶
§1.6 铁碳合金相图 §1.7 金属受力时结构和性能的变化
第一节金属的力学性能
• 通常机械零件或工程结构在工作中都要受到 外力的作用，金属在外力作用下所表现的性 能叫做力学性能。
• 金属导电能力大小的顺序与热导率基本相同
第三节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则地周期性重复排列。 ②具有一定的熔点，绝大多数固体金属属于晶体：如 铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。 ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体 具有各向异性。
§1-3 金属的晶体结构 非晶体的特点是：
抗拉强度：
线弹性阶段
O
伸长率：d
l1 l l0
0
100%
Dl
s
b
Fb A0
断面
收缩率 y A0 A1 100%
：
A0
• 2.塑性 • 塑性是金属在外力作用下，断裂前发生不
可逆永久变形的能力。 • 试验方法为拉伸试验 • 金属材料的塑性指标：δ；ψ
三、韧性
• 又称韧度，是指金属在断裂前吸收变形能量的能 力。
Ⅰ、点缺陷 ：空位和间隙原子
金属材料学--工程材料基础期末考试复习资料
金属材料学—工程材料基础第一章，钢的合金化原理一，合金元素及其分类1、合金元素：为使钢获得预期的性能而有意识地加入碳钢中的元素。
按与碳的亲和力大小，合金元素可分为：非碳化物形成元素：Ni，Co，Cu，Si，Al，N，B等碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V，W，Mo，Cr等此外，还有稀土元素：Re2、合金元素对钢中基本相的影响1）合金元素可溶入碳钢三个基本相中：铁素体、渗碳体、和奥氏体中。
分别形成合金铁素体、合金渗碳体和合金奥氏体。
合金元素在铁基体和奥氏体中起固溶强化作用。
固溶强化：利用点缺陷对金属基体进行强化的一种合金化方法。
方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。
2）当钢种碳化物形成元素含量较高时可形成一系列合金碳化物，如：MC, M2C,M23C6、M-C3和M3C 等。
合金元素之间也可以形成化合物即金属间化合物，一般来说，合金碳化物以及金属间化合物的熔点高、硬度高，加热时难以溶入奥氏体，故对钢的性能有很大的影响。
3、合金元素对钢中相平衡的影响按合金元素对Fe-C相图上的相区的影响，将合金元素分为两大类：扩大γ区的元素：奥氏体形成元素。
在γ-Fe中有较大的溶解度，并能稳定γ相的元素，使A3下降、A4上升。
Mn，Ni，Co，C，N，Cu。
扩大α区的元素：铁素体形成元素：在α-Fe中有较大溶解度并使γ-Fe不稳定的元素。
能缩小γ相区，扩大α相存在的温度范围，使A3上升、A4下降。
如Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等。
扩大奥氏体区的直接结果是使共析温度下降；而缩小奥氏体区则使共析温度升高。
因此，具有共析组织的合金钢碳含量小于0.77％，同样，出现共晶组织的最低含碳量也小于2.11％。
4、合金元素对钢中相变过程的影响1）对加热时奥氏体形成元素过程的影响a 对奥氏体形核的影响：Cr、Mo、W、V等元素强烈推迟奥氏体形核；Co、Ni等元素有利于奥氏体形核。
b 对奥氏体晶核长大的影响：V、Ti、Nb、Zr、Al 等元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大；C、P、Mn（高碳）促使奥氏体晶粒长大；Al、Si、Mn对奥氏体形成速度影响不大。
第1章工程材料的基本知识
第1章工程材料的基本知识第1章工程材料的基本知识主要内容：1.1金属材料1.2非金属材料的力学性能一、工程材料的种类：工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料；1、金属材料：黑色金属、有色金属2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能；2、工艺性能：铸成性能、切削性能、冲压性能、焊接加工性能、热处理性能；二、工程材料的主要性能：1.1金属材料金属材料的力学性能也表示机械性能，指金属材料出外载荷1.1.1金属材料的力学性能促进作用下，其抵抗变形和毁坏的能力；特别注意：材料在相同的外部条件和载荷促进作用下，可以呈现相同的特性；例如：常温状态下和低、低温状态下金属材料的力学性能就不一样；静载荷和动载荷促进作用下金属材料的力学性能也不一样；常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；1、强度和塑性(1)强度强度就是指金属材料出外(静)载荷促进作用下抵抗塑性变形和脱落的能力。
强度指标通常用单位面积所忍受的载荷(即力)则表示，符号为σ,单位为mpa。
工程中常用的强度指标存有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度就是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的形变，或已经开始发生塑性变形时的最高形变值，用σs则表示。
抗拉强度就是指金属材料在拉力的促进作用下，被折断前所能够忍受的最小形变值，用σb则表示。
对于大多数机械零件(例如压力容器),工作时不容许产生塑性变形，所以屈服强度就是零件强度设计的依据；对于因脱落而失灵的零件(例如螺栓),而用抗拉强度做为其强度设计的依据。
(2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。
断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。
工程材料期末复习.doc
《工程材料》期末复习知识点第一章绪论（1）机械工程材料的分类方法：按照使用性能、键结合类型划分。
（2）“结构材料”的定义。
（3）以本学期所学的钢材料举例说明成分、加工工艺、组织、性能四者之间的关系。
第二章金属材料的性能（1）强度、刚度、塑性、硬度的定义。
（2）应力、应变的概念，会画低碳钢的应力■应变曲线并能掌握曲线上四个阶段。
掌握弹性极限、屈服强度、抗拉强度的定义。
知道断后伸长率和断面收缩率如何计算。
（3）布、洛、维氏三种硬度计的原理及区别，结合“实验一”进行复习。
测量试样表面的球冠压痕应使用何种装置？如何根据测得的压痕表面直径d查表获得相应的硬度值？如果所用载荷与压头配合后在“压痕自径与布氏硬度表上”无法对应相应的栏查到硬度值，如何可以获得硬度值？在洛氏硬度计上，HRA、HRB、HRC如何读数？（黑色外圈表盘、红色内圈表盘何时使用）维氏硬度计使用何种压头，通过内置的显微镜装置测量什么量来实现测量维氏硬度的。
（4）常用纯金属导屯性排序；金属材料的物理性能有哪些；金属材料的工艺性能有哪些？第三章金属学基础（1）晶体、非晶体的概念。
区分的要点是什么？（2）金属中最常见的晶体结构类型包括体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
各种晶格屮含有的独立原子数是多少？具有体心立方晶格的常用金属有哪些；具有面心立方晶格的常用金属有哪些；具有密排六方晶格的常用金属有哪些。
P15-16页（仔细看）。
计算三种晶胞的致密度。
（3）实际金属屮的缺陷：点缺陷包括哪些？线缺陷包括哪些？面缺陷包括哪些？（4）冷却曲线的概念；纯金属冷却曲线的特点；过冷度的定义；（5）金属的结晶过程是一个形核与长大的过程。
（6）晶粒大小与金属的强度、硬度Z间的关系。
细化晶粒的常用方法有哪些（控制过冷度、变质处理、机械振动）。
（7）和、组织的定义以及两者的区别。
（8）H溶体、金属间化合物的定义；固溶体的分类；I古I溶强化的定义。
（9）相图的概念。
工程材料复习资料
工程材料复习资料工程材料可以指用于建筑、道路、桥梁等建设项目中的材料，也可以指应用于机械、电子、航空航天等行业的各种材料。
无论是哪类工程材料，其性能实际上都是非常关键的。
因此，在学习工程材料知识时，一定要重视对其性能的学习与理解。
下面就是一份工程材料复习资料，供各位同学参考使用。
1. 金属材料1.1 钢铁1.1.1 钢的分类、组织结构及其与力学性能的关系1.1.2 钢铁制品的形成及热处理工艺1.2 铝合金1.2.1 铝合金的分类、组织结构及其与力学性能的关系1.2.2铝合金的性能测试方法和热处理工艺2. 无机非金属材料2.1 混凝土2.1.1 混凝土的组成及其与力学性能的关系2.1.2 混凝土的制备方法和施工技术2.2 玻璃2.2.1 玻璃的基本组成及其性质2.2.2 玻璃的制备方法和分类3. 有机非金属材料3.1 塑料3.1.1 塑料的分类及其与力学性能的关系3.1.2 塑料的加工方法和性能测试方法3.2 橡胶3.2.1 橡胶的分类及其与力学性能的关系3.2.2 橡胶的制备方法和加工工艺4. 复合材料4.1 碳纤维复合材料4.1.1 碳纤维复合材料的组成及其与力学性能的关系4.1.2 碳纤维复合材料的制备方法和应用领域4.2 玻璃纤维复合材料4.2.1 玻璃纤维复合材料的组成及其与力学性能的关系4.2.2 玻璃纤维复合材料的制备方法和应用领域5. 其它材料5.1 化学材料5.1.1 化学材料的分类及其性质5.1.2 化学材料的加工方法和应用领域5.2 土工材料5.2.1 土工材料的分类及其与力学性能的关系5.2.2 土工材料的应用领域和处理方法以上就是一份比较全面的工程材料复习资料。
在学习的过程中，一定要尽可能多地做题，增强自己的实践能力。
同时，要加强实验环节，对各种材料进行实验分析，更好地理解其性能。
只有将理论和实践相结合，才能够真正掌握工程材料的知识。
材料科学与工程——《金属学原理》 考纲
《金属学原理》掌握的内容：教学大纲的内容：1、金属与合金的凝固知识点：纯金属的凝固：液态金属的结构；凝固的热力学条件。
形核：形核的方式，形核功，影响晶核尺寸的因素。
晶核的长大：液固界面的结构；晶核长大机制。
合金的凝固：平衡分配系数；平衡凝固与非平衡凝固；界面前沿的溶质原子再分布；成分过冷，液/固相界面形貌；共晶合金的凝固；铸锭的凝固；铸锭的宏观组织与控制；凝固技术。
重点：形核与长大，形核的热力学分析，溶质重新分布，成分过冷。
难点：形核的热力学分析，溶质重新分布，成分过冷。
2、铁碳相图及铁碳合金的结晶（4学时）C相图；铁碳合金的平衡结晶；铁碳合金的平知识点：铁碳相图中的相；Fe-Fe3衡组织及力学性能；Fe-C稳定系相图及石墨化。
重点：铁碳合金的平衡结晶。
难点：铁碳合金的平衡结晶。
3、金属的塑性变形（10学时）知识点：滑移的进一步讨论；塑性变形的方式和机理；单晶体的应力－应变曲线及加工硬化。
多晶体的塑性变形的特点：形变过程的宏观应变协调；形变过程的微观应变协调与微观组织变化；形变过程宏观组织的变化；形变织构；复相合金的塑性形变：固溶体合金的塑性变形与机理；多相合金的塑性变形与机理；复合材料的形变。
形变后的残余内应力。
重点：单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，塑性变形对材料组织和性能的影响。
难点：塑性变形的微观机制，晶界对变形和强度的影响。
4、回复与再结晶（6学时）知识点：回复：储存能的释放；电阻和密度的回复；机械性能的回复；回复动力学；回复过程结构的变化。
再结晶：再结晶的基本规律；再结晶和回复的关系；再结晶动力学；再结晶的形核；再结晶核心的长大；第二相粒子的作用；晶粒正常长大及二次再结晶；退火孪晶；再结晶织构。
金属材料的热加工：动态回复；动态再结晶；超塑性。
重点：冷变形金属的回复、再结晶及晶粒长大，影响再结晶的因素。
难点：回复的微观机制；再结晶晶核的形成。
具体要求：第一章金属与合金的凝固一、金属的结晶过程均质形核：结晶的驱动力，阻力；临界晶核，临界形核功，液态金属的凝固（结构起伏、能量起伏）非均质形核：形核率与哪些因素有关？晶体长大的条件液一固界面的微观结构晶体生长机制和生长速率•合金凝固：完全混合、完全不混合、部分混合•成分过冷：定义、形成过程、影响因素、实际应用的意义•共晶体的形核和长大、共晶体的形貌铸锭三区第二章铁碳相图及铁碳合金的结晶铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体，慨念、组织特征恒温转变工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁冷却曲线、凝固过程、组织组成物、相组成物的相对含量碳含量对钢（平衡态）的组织与性能的影响第三章金属的塑性变形塑性变形的方式滑称系、滑移的临界分切应力孪生滑移与孪生的异同点临界分切应力位错理论解释单晶体的应力——应变曲线多晶体塑性变形的主要特点塑性变形对金属组织与性能的影响固溶体的塑性变形：影响固溶强化效果的因素屈服现象、应变时效两相合金的塑性变形第四章回复与再结晶过程的驱动力变形金属加热时的组织和性能变化回复：性能变化、机制再结晶：性能和组织变化、影响再结晶过程的主要因素和再结晶后的晶粒尺寸晶粒长大：影响晶粒长大的因素动态回复和动态再结晶金属的热加工。
工程材料章节辅导资料
第3章金属晶体结构、结晶及合金相图要点：●有关晶体结构的基本概念：金属键、晶体、晶格、三种常见的金属晶格、实际晶体的缺陷（重点掌握）●金属结晶的概念、过冷度、结晶的过程——晶核的形成和长大规律及其影响因素（掌握）●合金相结构的基本类型及其结构特点/性能特点（掌握）●二元合金相图的基本概念：组元、合金、合金系、相、相图、组织等（掌握）●二元合金相图的分析方法，熟悉并分析几种典型相图（匀晶相图、共晶相图）的结晶过程（重点掌握）●杠杆定律及其应用（重点掌握）●包晶相图和形成稳定化合物的相图（了解）●合金相图与性能的关系（了解）难点：●匀晶相图、共晶相图中典型合金的结晶过程●应用杠杆定理分析典型合金的室温相及室温组织的比例下面就具体内容作简要说明。
1. 晶体与非晶体的概念（掌握）⏹晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
⏹非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。
⏹区别◆是否具有周期性、对称性◆是否长程有序◆是否有确定的熔点◆是否各向异性2. 理想晶体的晶体学抽象（理解）⏹空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）3. 三种常见的金属晶格的重要参数（重点掌握）晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCC a=b=c, α=β=γ=90o面对角线/4 2 8 68% BCC a=b=c, α=β=γ=90o体对角线/4 4 12 74% HCP a=b c, c/a=1.633,棱边a/2 6 12 74% α=β=90o, γ=120o4. 晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分（重点掌握）⏹点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化◆空位晶格结点处无原子◆置换原子晶格结点处为其它原子占据◆间隙原子原子占据晶格间隙⏹线缺陷（位错）——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排◆刃型位错◆螺型位错⏹面缺陷——一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域◆晶界、亚晶界、表面等5. 结晶与凝固的区别（掌握）凝固：L→S （S可以是非晶）⏹结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程◆一次结晶：L→S（晶态）◆二次结晶：S→S（晶态）6. 过冷度（重点掌握）⏹结晶的驱动力（了解）◆自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0当温度T>Tm时，Fs>F L, 液相稳定当温度T<Tm时，Fs<F L, 固相稳定当温度T=Tm时，Fs=F L, 平衡状态⏹过冷度ΔT＝Tm－Tn（克服界面能）◆Tm：理论结晶温度◆Tn：实际结晶温度◆冷速越快，过冷度越大7. 结晶的过程——形核、长大（掌握）⏹形核——自发形核、非自发形核⏹长大——平面长大、树枝状长大8. 晶粒尺寸的控制（重点掌握）⏹形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。
过控工程材料课件5
第5章 金属材料的主要性能
5.1.2
硬度( hardness )
抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。
1．布氏硬度HB ( Brinell-hardness )
适用范围: ＜450HBS; ＜650HBW;
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色 金属或质地轻软的轴承合金。
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Titanic
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
第5章 金属材料的主要性能
5.2
金属材料的加工工艺性能
5.2.1 焊接性能
----（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）
•
• •
金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。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。
（1）碳当量 Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）
Ceq＜0.45%，焊接性较好；
Ceq＞0.6%，焊接性较差。
考虑化学成分对钢的焊接性的影响。
Engineering Materials
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结束放映
第5章 金属材料的主要性能
钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低 碳钢和碳的质量分数低于0.18 %的合金钢有较好 的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性 能越差。
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第5章 金属材料的主要性能
5.2.1 焊接性能
工程材料过控金属学基础
工程材料过控金属学基础工程材料是指应用于制造构件或结构的材料，它们需要具有足够的强度、刚度和耐久性来承受荷载和环境作用。
而过控金属学则是指利用材料的变形行为来展现其新颖的机械、电磁和热学性质，从而开发出新型工程材料的学科。
什么是过控金属学？过控金属学衍生自金属学和材料科学的交叉领域。
过控金属学是一门研究将内在金属材料性能与外部环境变化联合起来的学科，它主要研究材料的力学性质、热学性质、电学特性等方面的变化，促进材料应用的发展。
过控金属学研究的金属材料包含多种金属、合金、陶瓷和复合材料等不同类型，主要研究的是材料的力学性质、热学性质、电学特性等方面的变化，通过控制工艺环境和材料微观组织结构，达到改变材料力学和物理性能、实现新功能的目的。
过控金属学的应用过控金属学的应用非常广泛。
例如，过控金属学可以应用于制造结构性材料、微机电系统（MEMS）、高压传感器、光触媒、延展性材料、形状记忆合金等领域。
在这些领域中，过控金属学都能为设计提供更好的材料和解决方案。
具体应用包括以下几个方面：结构材料太阳能电池板、建筑材料、汽车电池、电池壳体等，这些材料具有一定的强度和刚度，也具有良好的稳定性能，是结构工程中常用的材料。
微机电系统（MEMS）MEMS是研究微小的传感器、执行器和微处理器等微观电气机械系统的学科。
过控金属学可以应用于制造微流控件、微传感器、微阀门等。
高压传感器高压传感器主要应用于机械设备、汽车、航空和航天领域，过控金属学可以应用于制造其所使用的灵敏材料。
光触媒光触媒材料是表面覆盖了触媒的材料。
利用过控金属学，可以制造具有优良性能、稳定可靠的光触媒。
延展性材料延展性材料可以在受到应力时发生变形，不断适应应力的作用。
过控金属学可以应用于制造延展性材料，例如制造发红、内衬、花边制品等。
形状记忆合金形状记忆合金可以在变温的过程中变形，回温后可以恢复原来的形状。
利用过控金属学，可以制造形状记忆合金，并应用于人工关节、航天、汽车等领域。
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• ① 确定原点，建
立坐标系，过原 点作所求晶向的 平行线。 • ② 求直线上任一 点的坐标值并按 比例化为最小整 数，加方括弧。 形式为[uvw]。
金属的晶体结构
• 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2 ，求该直线的晶向指数。 • 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。
⑵ 面 心 立 方 晶 格
常见的金属晶格
面心立方晶格
常见的金属晶格
面心立方晶格的参数
常见的金属晶格
• 面心立方晶格
晶格常数：a 2 a 原子半径：r 4 原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
常见的金属晶格
⑶ 密排六方晶格
常见的金属晶格
纯金属结晶的条件
• 冷却曲线的测定
冷却曲线
结晶潜热
结晶温度
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纯金属结晶的条件
• 过冷现象 • 纯金属在熔点温度时，液态中的原子结晶进入固态的 速度与固态晶格上的原子溶入液体的速度处于动态平 衡，液体和固体共存，称为理论结晶温度。 • 实际结晶温度总是低于理论结晶 温度的现象，称为过冷现象，它 们的温度差称为过冷度。 • 纯金属结晶时的过冷度大小与其 本性、纯度和冷却速度等有关。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的
塑性变形主要由位错运动引
起，因此阻碍位错运动是强
金属晶须
化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以
退火态 (105-108/cm2) 加工硬化态
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{110}
Z （110） （011） （011） （101） （101） Y （110）
X
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金属的晶体结构
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
纯铁组织
晶 粒 示 意 图
变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
实际金属的结构
铅锭宏观组织
沿晶断口
金属的晶体缺陷
• 晶界：晶粒之间的交界面。
• 晶粒越细小，晶界面积越大。
• 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
金属的晶体缺陷
• ⑵ 晶体缺陷
• 晶格的不完整部
• ⑷ 晶系：
• 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
四方 菱方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
单斜
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
09:系
立方 四方 正交 棱方 六方 单斜
09:15
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、 (010)、 (001) {110} : (110)、 (101)、 (011)、 (1 10)、 (1 01)、 (0 1 1) {111} : (111)、 (1 11)、 (1 1 1)、 (111)
09:15 三斜
金属的晶体结构
• ⑸ 原子半径：晶胞中原子密度最
大方向上相邻原子间距的一半。
⑹ 晶胞原子数：一个晶胞内所 包含的原子数目。 ⑺ 配位数：晶格中与任一原子 距离最近且相等的原子数目。
⑻ 致密度：晶胞中原子本身所
占的体积百分数。
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金属的晶体结构
立方晶系晶面、晶向表示方法
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金属的晶体结构和缺陷
• 晶体 是指原子（原子团或离子）按一定的几何形
状呈规则排列的固体物质。
• 常态下金属主要以晶体形式存在。
• 晶体具有各向异性。
钻石
氯化钠
雪花-冰的晶体
晶体与非晶体
• 非晶体 是指原子呈无序排列的固体。
• 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
• 非晶体是各向同性的。
、 、
截距值取倒数为0、1、0，加圆括 弧得（010） • 例二.求截距为2、3 晶面的指数
、
取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小
整数加圆括弧得（320）
• 例三.画出（112）晶面
取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最
小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三
坐标轴上的截距
金属的晶体结构
• ⑵ 晶向指数 • 表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：
点形成的空间
点的阵列称空
间点阵。
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• ⑵ 晶胞：能代表晶格原子排 列规律的最小几何单元。
y b
z
c a x
d 晶胞
a 原子堆垛模型
b 空间点阵
c 结晶格子—晶格
固定-抽象-连接-取最小的几何单元-晶胞
⑶ 晶格常数：晶
胞个边的尺寸 a、 b、c。
立方
六方
各棱间的夹角用
、、表示。
[110] (221)
[221]
Y
X
向相反。
金属的晶体结构
正离子
纯金属的晶体结构
•金属原子是通过正离子与自由
电子的相互作用而结合的，称
为金属键。 •金属原子趋向于紧密排列。
价电子云
金属键示意图
具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方 (fcc)和密排六方(hcp)晶格。
属力求获得细晶粒。
• ⑥ 是相变的优先形核部位
显微组织的显示
金属的结晶
• 金属的结晶 • 物质由液态过渡到固态的过程称为凝固。
• 由于液态金属凝固后一般都为晶体，所以液态金属到
固态金属的过程也称为结晶，或一次结晶。
• 金属从一种固体晶态过渡到另一种固体晶态的过程
称为再结晶（二次结晶）。
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纯金属的结晶过程
•单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。
•原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格
面心立方晶格
{110}
{111}
6
4
<111>
<110>
底面对角线
2
3
密排六方晶格 六方底面
1
3
• 三种常见晶格的密
排面和密排方向
底面对角线 六方底面
密 排 六 方 晶 格
例二、已知晶向指数 为[110], 画出该晶向。 找出1、1、0坐标点,连 接原点与该点的直线
[234]
即所求晶向。
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[110]
金属的晶体结构
• ⑶ 晶面族与晶向族 • (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。
• 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称
作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw>表示。
密排六方晶格的参数
常见的金属晶格
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
常见的金属晶格
三种常见晶格的密排面和密排方向
•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
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纯金属的结晶过程
• 纯金属的结晶过程 • 液态金属的结晶过程分为两个阶段：① 形成晶核，② 晶核长大。
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纯金属的结晶过程
• 晶核的形成过程 • 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时 聚时散，称为晶坯。 • 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的 晶坯将会长大，称为晶核。
• 液态金属的结构具有以下特点： 近程有序远程无序结构； 存在着能量起伏和结构起伏。
• 结晶 液态金属冷却到熔点温度时，原子从无序状态 转变为按一定几何形状作有序排列的过程。 • 将金属加热熔化后进行冷却，用测量液态金属冷却 过程的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲 线或热分析曲线。
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• 晶体中各方位上的 原子面称晶面。 • 各方向上的原子列 称晶向。 • ⑴晶面指数 • 表示晶面的符号称 晶面指数。 • 其确定步骤为：
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• ① 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐 标轴上的截距。 • ② 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加 圆括弧，形式为（hkl）。
• 例一.求截距为 1 晶面的指数
液体和晶体自由能随温度变化
晶 核 半 径 与 关 系
ΔG
ΔT
T1
T0
纯金属的结晶过程
• • • • 晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。
提高金属的强度。
(1011-1012/cm2)
金属的晶体缺陷
电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
金属的晶体缺陷
电子显微镜下的位错观察
金属的晶体缺陷
• ③ 面缺陷—晶界与亚晶界 • 晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为5~10个原 子间距，位向差一般为20~40°。