第一章工程材料基础-机械制造基础分析

1.1.3 金属的结晶
1）结晶。 指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成 长程有序状态（晶态）的过程。 2）纯金属结晶的冷却曲线。 金属液非常缓慢的冷却时， 记录温度随时间而变化的曲线，如图 1-6 所示。出现水平 线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向 周围散失的热量。 3）过冷。 在实际结晶过程中，金属 液只有冷却到理论结晶温度（熔点） 以下的某个温度时才结晶的现象。理 论结晶温度 T0 和实际结晶温度 Tn 之间 的温度差 T 叫过冷度，它与冷却速 度有关，冷却越快，过冷度越大，反 之。 图1-6 冷却曲线
图1-2c 密排六方晶格
1.1.2 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和 非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特 性的物质。 组元是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以 是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。
合金的晶体结构大致可归纳为3 类，即固溶体、金属 化合物和机械混合物。
2.金属化合物
组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。 它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 Fe3C 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高 脆性。
3.机械混合物
由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一 定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。
混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成 晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决 于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和 形态。
第1章 工程材料基础
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5
金属材料的结构
工程材料的性能 铁碳合金 常用工程材料 钢的热处理
返回
材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中 使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、 陶瓷材料三大类。 目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为 金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性 能、化学性能和工艺性能。 金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、导电性 高、导热性好、有金属光泽等。
第1节 金属材料的结构
1.1.1 金属的晶体结构
1）晶体。 其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、 金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。
2）非晶体。 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻 璃、沥青等。 3）晶体结构。 指晶体中原子排列的方式，如图1-1a所示。 4）晶格。 把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些 小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架 叫晶格，如图1-1b 所示。 5）晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图1-1c所示。
高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电 绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价 廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。
材料性能的决定因素：化学成分、内部组织和 状态。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处 理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根 据。
1.固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可 分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏 体)，如图1-3和图1-4所示。
固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的 晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，பைடு நூலகம்图1-5 所示。原 子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金 的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质 原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的 溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫 固溶强化。
4）结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在 液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则 排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
图1-7 结晶过程示意图
5）单晶体。 结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为 单晶体。
6）多晶体。 由许多外形不规则、大小不等、排列位向 不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体 叫晶粒；晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。晶粒的大小影 响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越 细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细 小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙 交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。 7 ）细晶强化。 用细化晶粒的方法来提高金属材料的力 学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多 少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶 粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每 个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。
面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个 角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-2b。 其原子个数为： 1 / 8 8 1 / 2 6 4，如铝，铜等。
图1-2b 面心立方晶格
密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体 的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、 下底面之间还均匀分布着三个原子如图1-2c。其原子个数 1 / 6 12 1 / 2 2 3 6 ，如镁、锌等。 为：
0 6）晶格常数。 晶胞中各棱边的长度，单位为A1A 1010 m 0
7）金属中常见的晶体结构 体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八 个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a。其原 子个数为：1 / 8 8 1 2 ，如铬、钠等。
图1-2a 体心立方晶格
第2节 工程材料的性能
1.2.1 金属材料的性能
为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使 用性能和工艺性能。
使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属 材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、 使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化 学性能。