《機械工程材料》授課講義

1、機械工程材料授課講義緒 論一. 本課程的性質機械工程材料課程是機械設計制造及自動化專業(yè)的一門必修課，是一門重要的技術基礎課。計劃講課：26學時，實驗：6學時，學分：2個。大家知道不管是服裝設計師，還是家用電器設計師，以及各種機械設備、汽車、船舶、飛機和軍用裝備設計師，在他們精心設計出自己的作品后，都需要選用恰當?shù)牟牧蟻碇圃?，從而保證制成的產品具有最佳形貌和性能。如果選材不當，將會使所設計制造出產品，不能發(fā)揮出最佳性能，并可能導致其使用壽命大大降低；或因選材不當，導致成本太高，失去其應有的市場競爭力。所以，從事機械設計與制造的各類工程技術人員，都必須對其經常使用的各類材料有一定的了解。工程材料：

2、主要是指機械、船舶、建筑、化工、交通運輸、航空航天等各項工程中經常使用的各類材料。工程材料主要包括金屬材料和非金屬材料兩大類，金屬材料又可分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩類，黑色金屬材料主要指各類鋼和鑄鐵，有色金屬材料主要指鋁及鋁合金、銅及銅合金以及滑動軸承合金等；非金屬材料包括高分子材料、陶瓷材料和復合材料等。當今社會科學技術突飛猛進，新材料層出不窮，而且使用量也不斷增加，但到目前為止，在機械工業(yè)中使用最多的材料仍然是金屬材料。金屬材料長期以來得到如此廣泛應用，其主要原因是，因為它具優(yōu)良的使用性能和加工工藝性能。金屬材料的使用性能：機械性能（如強度、硬度、塑性、韌性等），物理性能（如導電、導

3、熱、電磁、膨脹等），化學性能（如抗氧化性、耐腐蝕性等）。金屬材料的加工工藝性能：鑄造性能（如流動性、收縮性等），鍛造性能（如壓力加工成型性等），切削加工性能（如車、銑、刨、磨的切削量，光潔度等），焊接性能（如熔焊性、焊縫強度、偏析等），熱處理性能（如淬透性、回火穩(wěn)定性等）。由于不同的材料具有不同的性能，因此它們的應用場合也就不同。如在航天工業(yè)中鋁及鋁合金得到了廣泛應用，是因為鋁合金具有重量輕強度高的特性。而在電子工業(yè)中銀、銅、鋁得到了廣泛的應用,是因為它們具有優(yōu)良的導電性。在機械工業(yè)中，由于機械產品在使用過程中，主要承受各種力的作用。因此，主要要求所使用的金屬材料具有良好的機械性能，而碳鋼和合

4、金鋼具備上述性能要求，所以得到了廣泛應用。金屬材料具有良好的機械性能，是由它的成分和內部結構與組織所決定的。金屬材料的結構：是其晶體結構的簡稱，它指的是構成金屬材料的質點（如分子、原子或離子等）的具體組合狀態(tài)、結合方式和排列情況。金屬材料的組織：是指用顯微鏡所觀察到的金屬材料內部的組成形貌，故也稱為顯微組織。由于每一個機械工程技術人員，在設計和制造機械產品過程中，都要與工程材料打交道，特別是要與各種金屬材料打交道；要想合理的選擇和使用金屬材料，就必須搞清楚金屬材料的成分、結構、組織與性能之間的關系及其變化規(guī)律，也就是應該努力學好本課程。工程材料課程就是為了使非材料專業(yè)工程技術人員，對各類工程材

5、料有所了解而開設的，目的就是為了使他們具備一定的正確選擇和合理使用材料的基礎。二. 課程的主要內容本課程共設12章，可分為五個部分：1. 金屬學部分：是本書的14章為金屬學基礎知識，主要介紹金屬材料的基本現(xiàn)象、基本概念和材料的組織與性能的變化基本規(guī)律，它是合理選擇、正確使用、以及強化金屬材料的理論基礎。它主要包括金屬材料的結構、結晶過程、塑性變形、回復與再結晶，以及二元合金相圖、鐵碳合金相圖等；這一部分是隨后兩部分的直接基礎。2. 熱處理部分：是本書的第5章，主要包括鋼的熱處理原理與工藝兩方面，本章著重闡述鋼在不同工藝條件下的組織轉變規(guī)律，并在此基礎上，介紹改善與強化鋼的組織與性能的常用熱處理

6、工藝，為合理使用熱處理做準備。3. 金屬材料部分：是本書的68章，這部分主要結合金屬學與熱處理基本知識，較全面地介紹常用金屬材料的牌號、成分、組織與性能特點及用途，為正確選用金屬材料打基礎。它主要包括合金鋼、鑄鐵、有色金屬及合金等。以上三部分是本課程的重點，其中58章更是全書重點。4. 非金屬材料部分：是本書的911章，這部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和復合材料，由于講課學時少，只能簡單介紹上述幾類材料的結構、組織與性能特點，為初步了解有關非金屬材料的基礎知識，打一點基礎。5. 材料的機械性能及機械零件的失效與選材分析部分：是本書的第12章，主要介紹材料的常用機械性能指標，和機械零件的失效形

7、式、原因與分析方法，以及選材的原則和典型零件的選材與工藝分析。本教材按編者安排全書講課共需36學時，實驗4學時。這與我校實際教學計劃相差較大，故在教學過程中只能對各章節(jié)進行適當刪減和壓縮。為了盡量保證課程體系的完整性，我們重點介紹18章內容，912章內容根據(jù)教學進度與時間，只作簡單介紹。三. 學習目的與要求1. 了解和掌握所學工程材料方面的基本理論和基本知識。2. 了解和掌握各類工程材料的牌號、成分，組織與性能之間的相互關系及其變化規(guī)律。3. 能正確選擇常用工程材料，合理制訂其生產工藝流程。第一章 金屬的結構和結晶§1.1 幾個基本概念和金屬的特征一. 金屬材料金屬材料是指金屬元素與

8、金屬元素，或金屬元素與少量非金屬元素所構成的，具有一般金屬特性的材料，統(tǒng)稱為金屬材料。金屬材料按其所含元素數(shù)目的不同，可分為純金屬（由一個元素構成）和合金（由兩個或兩個以上元素構成）。合金按其所含元素數(shù)目的不同，又可分為二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物質按其形態(tài)不同，可分為固體、液體和氣體。而固體又可分晶體和非晶體。二. 晶體組成固態(tài)物質的最基本的質點（如原子、分子或離子）在三維空間中，作有規(guī)則的周期性重復排列，即以長程有序方式排列。這樣的物質稱為晶體。如：金屬，天然金剛石，結晶鹽，水晶，冰等三. 非晶體：組成固態(tài)物質的最基本的質點，在三維空間中無規(guī)則堆砌。這樣的物質稱為非晶體。如：玻

9、璃，松香等。晶體通常又可分為金屬晶體和非金屬晶體，純金屬及合金都屬于金屬晶體，其原子間主要以金屬鍵結合，而非金屬晶體主要以離子鍵和共價鍵結合。如：食鹽NaCl（離子鍵），金剛石（共價鍵）都是非金屬晶體。四. 金屬鍵金屬鍵是金屬原子之間的結合鍵，它是大量金屬原子結合成固體時，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數(shù)次外層電子），成為正離子，而失去的外層電子穿梭于正離子之間，成為公有化的自由電子云或電子氣，而金屬正離子與自由電子云之間的強烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結合方式稱為金屬鍵，見P2頁圖1-1。五. 金屬特征金屬材料主要以金屬鍵方式結合，從而使金屬材料具有以下特征：1. 良好的導電、導

10、熱性：自由電子定向運動（在電場作用下）導電、（在熱場作用下）導熱。2. 正的電阻溫度系數(shù)：即隨溫度升高，電阻增大，因為金屬正離子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運動，從而使電阻升高。3. 不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當其從高能軌道跳回低能軌道時，將吸收的可見光能量輻射出來，產生金屬光澤。4. 具有延展性：金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當金屬的兩部分發(fā)生相對位移時，其結合鍵不會被破壞，從而具有延展性。§1.2 晶體結構不管是金屬晶體還是非金屬晶體，其晶體結構如何，與組成晶體的物質質點（可以是原子、分子或離

11、子，也可以是原子群，分子群或離子群的中心）的具體排列方式和規(guī)律有關?？萍脊ぷ髡咭话闶怯镁w結構模型進行描述。一. 晶體結構模型按晶體結構模型提出的先后，可將晶體結構模型分為球體模型、晶格模型和晶胞模型。1. 晶體的球體模型就是把組成晶體的物質質點，看作為靜止的剛性小球，他們在三維空間周期性規(guī)則堆垛而成，見P3頁圖1.3（a）。該模型雖然很直觀，立體感強，但不利于觀察晶體內部質點的排列方式。針對這一缺陷科技工作者進一步提出了晶體的晶格模型。2. 晶體的晶格模型1) 空間點陣將組成晶體的物質質點，進一步抽象為幾何點，這些幾何點在三維空間周期性、規(guī)則地排列成的陣列，稱為空間點陣或布喇菲點陣；而這些幾

12、何點稱為陣點或結點。2)晶體的晶格模型用假想的平行直線將陣點聯(lián)結起來，就構成了晶體的晶格模型，也稱空間格子，簡稱晶格。見P3頁圖1.3（b）。顯然用抽象了的晶格模型來研究晶體結構就方便多了。3) 晶體的晶胞模型簡稱為晶胞。由于晶體的特點是，原子在三維空間有規(guī)則的周期性重復排列。因此，可以從晶格模型中取出一個具有代表性的最基本的結構單元，來研究晶體結構的特征。這個能夠反映晶格結構的最基本的結構單元就稱為晶胞。見P3頁圖1.3（c）。由于晶胞中原子的排列規(guī)律，能夠完全代表晶格中原子的排列規(guī)律，所以晶胞在三維空間的重復堆砌便構成了晶格。因此可以說，晶胞就是構成晶格的細胞。利用晶胞來反映晶體中原子的排

13、列方式和特征，將更為方便。所以在研究晶體結構時，都是取它的晶胞進行研究。 反映晶胞的參數(shù)：由于不同的晶體其晶格結構不同，故取出的晶胞也不相同。為了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一頂角為坐標原點，以x、y、z為晶軸，見圖1.3 (c).用晶格常數(shù)（點陣常數(shù)）和晶軸夾角來反映晶胞的特征。a. 晶格常數(shù)：為晶胞各棱邊長度，用a、b、c表示，稱為點陣常數(shù)，單位用nm或埃1Å=10 8cm （1nm=10-9m）b.晶軸夾角：為晶胞各棱邊間夾角，用、表示。當某一晶胞的晶格常數(shù)a=b=c，=900時，該晶胞稱為立方晶胞。4)晶系與空間點陣a. 晶系：是晶體分類的一種方式，具有相同晶胞特征參數(shù)的

14、晶體屬于同一晶系。根據(jù)晶胞特征參數(shù)的不同，晶體可分為七大晶系： 見P4頁表1.1，即三斜、單斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。b. 晶系與空間點陣：根據(jù)每個陣點具有相同的周圍環(huán)境（距離、位向），法國晶體學家布喇菲用數(shù)學方法首先證明，空間點陣只能有14種，它分屬上述七個晶系，見P4頁圖1.4或表1.1。其中有7種為簡單晶胞，7種為復雜晶胞或復合晶胞。簡單晶胞只在其平行六面體的八個頂角上有陣點，屬于該晶胞的陣點數(shù)為1。因為晶胞頂角上的每一個陣點屬于八個相鄰晶胞所共有（即8x1/8=1）。而復合晶胞除在八個頂角上有陣點外，還在其體心、面心（每個面的中心），或底心（上下底面的中心）有陣點，所以這種

15、晶胞的陣點數(shù)2。由于空間點陣上的陣點，可以代表各種不同物質的原子、分子或離子，以及原子群、分子群或離子群；所以同一種空間點陣，可以有無限種實際晶體結構。見P5頁圖1.5（a），(b)，(c)三種不同的晶體結構都屬于（d）這種空間點陣。因此可以說空間點陣是有限的（只能有14種），而晶體結構是無限的可以有很多種。二. 純金屬的三種典型晶體結構由元素周期表可知金屬的種類很多，而且它們的晶體結構并不完全相同。工業(yè)上常用的金屬絕大多數(shù)具有比較簡單的晶體結構，其中最典型的為體心立方結構（bcc）、面心立方結構（fcc）和密排六方結構（hcp），見P5頁圖1.6。1. 三種典型晶體結構的形貌圖1.6中（a）

16、為體心立方結構，即在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，在體中心有一個原子，每個原子與空間點陣中的一個陣點相對應。屬于這種晶體結構的純金屬有-Fe,Cr,Mo,W,V等。圖1.6中（b）為面心立方結構，即在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，每個面的中心各有一個原子，屬于這種晶體結構的純金屬有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，-Fe等。圖1.6中（c）為密排六方結構，它是在六棱柱體晶胞的十二個頂角上各有一個原子，上下頂面中心各有一個原子，在六棱柱中三個相間的三棱柱中心各有一個原子，屬于這種晶體結構的純金屬有Mg,Zn,Cd等。2. 描述金屬晶體結構的一些重要參數(shù)由于在金屬晶體中，一個原子與空間點

17、陣中的一個陣點相對應，所以我們可以用剛性球體模型，計算出其晶體結構中的下列重要參數(shù)。1) 單位晶胞原子數(shù)：即一個晶胞所含的原子數(shù)目。2) 原子半徑：是利用晶格常數(shù)，算出晶胞中兩相切原子間距離的一半。3) 配位數(shù)：是晶體結構中任何一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)目，配位數(shù)越大，原子排列的越緊密。4) 致密度：是單位晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，其表達式為 K=nv/V；K致密度；n單位晶胞原子數(shù)，v每個原子的體積，V晶胞體積，致密度越大，原子排列越緊密。5) 間隙半徑： 指晶格空隙中能容納的最大球體半徑。因為相同尺寸的原子，既使按最緊密方式排也會存在空隙。三種典型晶體結構的重要參數(shù)小結晶格類

18、型 單位晶胞原子數(shù) 原子半徑 配位數(shù) 致密度 間隙半徑 體心立方 2 3/4a 8 0.68 0.29面心立方 4 2/4a 12 0.74 0.41密排六方 6 1/2a 12 0.74 0.41三. 金屬晶體中晶面和晶向的表示晶面 是金屬晶體中原子在任何方位所組成的平面。晶向 是金屬晶體中原子在任何方向所組成的直線。晶面指數(shù) 表示晶面在晶體中方位的符號。晶向指數(shù) 表示晶向在晶體中方向的符號。1. 晶面指數(shù)的確定1) 立坐標,找出所求晶面的截距;(坐標原點不可設在所求晶面上)所求晶面與坐標軸平行時,截距為；2) 取晶面與三個坐標軸截距的倒數(shù)；3) 將所得倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，放入圓括號內，

19、即得所求晶面的晶面指數(shù)，一般用（hkl）表示。以P7頁圖1.9和立方晶系為例，畫圖說明晶面指數(shù)的具體確定方法。對于立方晶系由于其對稱性高，所以可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶面歸為同一個晶面族，用hkl表示。如（100），（010），（001）就屬于100晶面族。而（110），（101），（011），（10），（01），（01）就屬于110晶面族。（111），（11），（11），（11）就屬于111晶面族。對于非立方晶系由于其對稱性較差，所以其晶面指數(shù)數(shù)字相同，而排列次序不同的晶面不屬于同一個晶面族。如在正交晶系中（100），（010），（001）晶面就不屬于同一個晶面族100，因為

20、其晶格常數(shù)abc。2. 晶向指數(shù)的確定1) 建立坐標,將所求晶向的一端放在坐標原點上(或從坐標原點引一條平行所求晶向的直線)；2) 求出所求晶向上任意結點的三個坐標值；3) 將所得坐標值按比例化為最小整數(shù)，放入方括號內，即得所求晶向的晶向指數(shù)一般用uvw表示。以P7頁圖1.10為例，畫圖說明晶向指數(shù)的具體確定方法。對于立方晶系由于其對稱性高，也可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶向歸為同一個晶向族，用<uvw>表示，如晶向100，010，001屬于<100>晶向族。在立方晶系中，當晶面指數(shù)與晶向指數(shù)相同時，即h=u, k=v, l=w時（hkl）uvw，如（111

21、）111。但在對稱性較差的非立方晶系中，一般不存在這種關系。由晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的介紹，可以發(fā)現(xiàn)不同的晶面和晶向上，原子排列的緊密程度不同。晶面上原子排列的緊密程度，可用晶面的原子密度（單位面積上的原子數(shù)）表示；晶向上原子排列的緊密程度，可用晶向的原子密度（單位長度上的原子數(shù)）表示。以體心立方和面心立方為例，畫圖說明晶面和晶向原子密度的具體計算方法。通過計算和比較可以發(fā)現(xiàn)，在晶體中原子最密排晶面之間的距離最大，原子最密排晶向之間的距離最大；這是晶體在外力作用時，總是沿著原子最密排晶面和原子最密排晶向，首先發(fā)生相對位移的主要原因之一。3. 六方晶系晶面和晶向指數(shù)的確定以上介紹的晶面和晶向指數(shù)的確

22、定方法，是國際上通用的密勒指數(shù)法，它適用于各種晶系。但用它確定六方晶系的晶面和晶向指數(shù)時，從其各晶面指數(shù)和晶向指數(shù)中，卻反映不出原子排列情況相同，而空間位向不同的各等同晶面和各等同晶向之間的關系。見P8頁第56行。如果采用四個坐標軸，即a1,a2,a3,c就可較好地反映出各等同晶面和各等同晶向之間的關系。這樣可用（hkil）表示晶面指數(shù)，用uvtw表示晶向指數(shù)。由于在二維平面最多只有兩個獨立的坐標，則a3=-(a1+a2)，因此有i=-(h+k), t=-(u+v)。用四個坐標軸確定六方晶系的晶面指數(shù)的方法，與用三個坐標軸時相同，只需多確定出在a3軸上的截距。它也可以先用三個坐標確定，再根據(jù)i

23、=-(h+k)的關系，加上第四個指數(shù)。而用四個坐標軸確定晶向指數(shù)時，必須從坐標原點出發(fā)，沿平行于四個坐標軸的方向依次移動，最后到達所求晶向上的某一結點。具體確定方法見P8頁圖1.12，應注意沿a3軸移動的距離，應等于沿a1,a2軸移動距離之和的負值，即滿足t=-(u+v)。用三個坐標軸確定的晶向指數(shù)和用四個坐標軸確定的晶向指數(shù)，可根據(jù)P8頁下的公式相互轉換。用四個坐標軸確定出的六方晶系的晶面和晶向指數(shù)，就能較好地反映出各原子排列情況相同，而空間位向不同的各等同晶面和晶向之間的關系。見P8頁第1011行和圖1.11，圖1.12。4. 金屬晶體的各向異性1) 單晶體由一個晶核所長成的大晶體,它的原

24、子排列方式和位向完全相同,這樣的晶體稱為單晶體。2) 各向異性是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同性能的現(xiàn)象。如體心立方結構-Fe單晶體的彈性模量E，在<111>方向E<111> =2.8×105 MPa，而在<100>方向E<100> =1.32×105 MPa，兩者相差兩倍多。而且發(fā)現(xiàn)單晶體的屈服強度、導磁性、導電性等性能，也存在著明顯的各向異性。單晶體具有各向異性的主要原因是，其晶體中原子在三維空間是規(guī)則排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的緊密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不同），使各晶面之間以及各晶向之間的

25、距離不同，因此各不同晶面、不同晶向之間的原子結合力不同，從而導致其具有各向異性。3) 多晶體由許多晶核長成的大晶體，因各晶核的原子排列方式相同，而位向不同，因此在各晶核長成的晶粒交界處存在著晶界，所以多晶體由許多晶粒組成，見圖1.13。多晶體中各晶粒相當于一個小的單晶體，它具有各向異性。由于各晶粒位向不同，因此它們的各向異性相互抵消，表現(xiàn)為各向同性，多晶體的這種現(xiàn)象稱為偽等向性（偽無向性）。非晶體由于原子排列無規(guī)則，所以沿各不同方向測得的性能相同，表現(xiàn)為各向同性。§1.3 實際金屬晶體中的晶體缺陷理想晶體理想晶體是指晶體中原子嚴格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結點上都有原子排

26、列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復堆砌就構成理想的單晶體。實際晶體=多晶體+晶體缺陷實際使用的金屬材料絕大多數(shù)都是多晶體，即由許多不同位向的晶粒和晶界組成。在金相顯微鏡下一般如下圖，各小晶?？梢越频乜醋魇且粋€小的單晶體。但是實際金屬材料的每個晶粒中，還存在著各種晶體缺陷。晶體缺陷晶體缺陷是晶體內部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。晶體缺陷在實際金屬材料中所占的量很少（只占原子總數(shù)的千分之一），因此仍可把實際金屬材料的結構看作是接近完整的。由于晶體缺陷在晶體中并不是靜止不動的，它可以隨外界條件的改變進行運動、增加、發(fā)生交互作用和

27、消失，所以它對金屬材料的性能、固態(tài)相變、擴散等過程，將產生重大影響。一. 點缺陷1. 點缺陷的概念 是晶體中在X,Y,Z三維方向上尺寸都很小的晶體缺陷。2. 點缺陷的類型 見P9頁圖1.14主要有四類，即空位；間隙原子（有同類和異類之分）；置換原子（有大小之分）；復合空位。3. 點缺陷的形成 可以是液態(tài)金屬凝固時，少數(shù)原子發(fā)生偶然的錯排而形成；也可以是晶體在高溫或外力作用下形成。對于純金屬中只能形成空位、同類間隙原子和復合空位。而金屬中含有少量雜質元素時，才可能形成異類間隙原子和置換原子；當有尺寸不同的兩種雜質原子時，才可能形成大小不同的置換原子。一般認為組成晶體的原子在晶格結點上并不是靜止不

28、動的，而是以晶格結點為中心不停地作熱振動，但受到周圍原子的約束，它只能處在其平衡位置上（即晶格結點上）。但是晶體中每個原子的振動能量是不同的，并隨時間和外界條件而改變（如溫度升高，振幅增大），即存在著能量起伏。當某一原子某一瞬間具有足夠大的能量時，它將擺脫周圍原子的約束，跳離其原平衡位置（即振動中心），形成空結點即空位。如果它跳到晶格間隙處，則形成同類間隙原子?？瘴?、間隙原子、置換原子的存在都破壞了原子排列的規(guī)律性。使晶格發(fā)生局部彈性變形，晶格的這種彈性變形稱為晶格畸變，見圖1.14。空位和小置換原子使其周圍原子向該位置靠攏，產生負畸變；而間隙原子和大置換原子使周圍原子被擠開，產生正畸變。二.

29、 線缺陷1. 線缺陷的概念 是晶體中在一維方向上尺寸很大，而在另外二維方向上的尺寸很小的晶體缺陷，它的主要形式是位錯。1) 位錯的類型(1) 位錯：是晶體中一列或若干列原子，發(fā)生某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。它的類型很多主要有刃型位錯，螺型位錯和混合型位錯等。(2) 刃型位錯：是在完整晶體中的某一個晶面上， 多出了半排原子面，這半排多出的原子面就象刀刃垂直切入完整晶體中一樣，故稱為刃型位錯。見P10頁圖1.15。EFGH面為多余半原子面，EF線為位錯線。通常用符號“”表示正刃型位錯，既在晶體上半部有多余半原子面；而用符號“”表示負刃型位錯，既在晶體的下半部有多余半原子面。由圖可以看出，位錯的存在使晶體

30、中局部區(qū)域原子排列的規(guī)律性受到破壞，在ABCD晶面上位錯線附近的原子受壓應力，在ABCD晶面下方位錯線附近的原子受拉應力。因此在位錯線周圍產生了嚴重的晶格畸變，這說明位錯不是一個原子列，而是一個晶格畸變“管道”，通常以該管道的中心作為位錯線。(3) 螺型位錯：見P10頁圖1.16是在簡單立方晶體的右端（左端也行）加切應力，使晶體沿ABCD晶面上下局部發(fā)生一個原子間距的相對位移，所產生的原子錯排現(xiàn)象，由于該錯排區(qū)成螺旋型管道狀，見圖1.16(b) 、(c)故稱為螺型位錯。不管是刃型位錯還是螺型位錯，從微觀看都是一個晶格畸變的管道區(qū)，其管道的直徑較小，只有幾個原子間距，而長度較長有幾百到上萬個原子

31、間距，故稱為線缺陷，可用其中心線表示。見圖1.17。因為在實際晶體中存在著大量的位錯，一般以空間三維網狀分布，（已用透射電子顯微鏡在鐵中觀察到），網絡中的各線段可以是刃型，螺型或混合型位錯。晶體中位錯數(shù)目的多少一般用位錯密度表示，= L/V，是單位晶體中所包含的位錯線總長度，單位為cm /cm3 （1/cm2）。在退火態(tài)金屬中 106-108cm-2 ，而經冷形變后到1011 1012 cm-2。因此晶體中的位錯可以是在凝固過程中形成，也可以在塑性變形時形成。三. 面缺陷面缺陷的概念：是指晶體中在二維方向上尺寸很大，而在另一維方向上尺寸很小的晶體缺陷。面缺陷的類型：主要包括晶體的外表面、堆垛層

32、錯、晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。1. 晶界晶界是多晶體中晶粒與晶粒之間的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是體心立方），只是晶格位向不同，因此晶界實際上是不同位向晶粒之間的過渡層。該過渡層有一定的厚度，為了同時適應兩側不同位向晶粒的過渡，而使過渡層處的原子總是不能規(guī)則排列，產生晶格畸變，見P11頁圖1.18，所以它是晶體中的一種重要的面缺陷。根據(jù)晶體中各晶粒之間的位向差不同，又可將晶界分為大角度晶界（>10°）和小角度晶界（<10°）兩類。1) 大角度晶界：大角度晶界的原子結構模型，到目前為止還沒有完全搞清楚。一般認為其結構如圖1.18，多晶體金屬材

33、料中，各晶粒之間的晶界大都屬于大角度晶界，其位向差在30°40°范圍。它與小角度晶界的主要差別是具有高的晶界能，并隨兩晶粒位向差的增大而增高，但位向差大于一定值后，晶界能為一定值與位向差無關，見P12頁圖1,24。2) 小角度晶界：主要是指亞晶界，見圖1.23，它的原子結構模型研究的比較清楚，主要由位錯構成。2. 亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差一般為幾十分到幾度。大晶粒中的小晶粒稱為亞晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側晶界和扭轉晶界。1) 對稱傾側晶界：如圖1.20，圖1.19，將一單晶體的XOZ面兩側的晶體繞X軸相對旋轉/2角，則形成的界面為對稱傾側晶界

34、。它是由刃型位錯垂直排列成的位錯墻組成，兩亞晶粒之間的位向差雖然很小，但仍然造成了原子錯排，故為面缺陷。2) 扭轉晶界：如圖1.21,1.22，將一單晶體的XOY面上下晶體繞Z軸旋轉角，則形成扭轉晶界。它是由相互交叉的螺型位錯網絡組成，它也造成原子錯排所以是面缺陷。小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能低，并隨位向差的增大而增大。§1.4 純金屬結晶的基本概念物質由液態(tài)固態(tài)的過程稱為凝固,由于液態(tài)金屬凝固后一般都為晶體,所以液態(tài)金屬固態(tài)金屬的過程也稱為結晶。由金工實習大家知道絕大多數(shù)金屬材料都是經過冶煉后澆鑄成形，即它的原始組織為鑄態(tài)組織。了解金屬結晶過程，對于了解鑄件組織的形成，以

35、及對它鍛造性能和零件的最終使用性能的影響，都是非常必要的。而且掌握純金屬的結晶規(guī)律，對于理解合金的結晶過程和其固態(tài)相變也有很大的幫助。一. 液態(tài)金屬的結構 經研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點時，液態(tài)金屬的結構具有以下特點：1) 是近程有序遠程無序結構，見圖1.25；2) 存在著能量起伏和結構起伏。二. 結晶過程的宏觀現(xiàn)象研究液態(tài)金屬結晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態(tài)金屬的溫度與時間的關系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線，見圖1.26。由該曲線可以看出，液態(tài)金屬的結晶存在著兩個重要的宏觀1. 過冷現(xiàn)象 實際結晶溫度T總是低于理論結晶溫度Tm的

36、現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象，它們的溫度差稱為過冷度，用T表示，純金屬結晶時的T大小與其本性、純度和冷卻速度等有關。實驗發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬的純度低T小，冷卻速度慢，T小，反之相反。2. 結晶過程伴隨潛熱釋放 由純金屬的冷卻曲線可以看出它是在恒溫下結晶，即隨時間的延長液態(tài)金屬的溫度不降低，這是因為在結晶時液態(tài)金屬放出結晶潛熱，補償了液態(tài)金屬向外界散失的熱量，從而維持在恒溫下結晶。當結晶結束時其溫度隨時間的延長繼續(xù)降低。三. 金屬結晶的微觀基本過程 由于金屬是不透明的，所以無法直接觀察到其結晶的微觀過程，但通過對透明有機物結晶過程的觀察，發(fā)現(xiàn)金屬結晶的微觀過程，就是原子由液態(tài)的短程有序逐漸向固態(tài)的長程有序轉變的過

37、程。 當液態(tài)金屬過冷到其Tm以下時，它的尺寸最大的短程有序的原子集團，通過結晶潛熱的釋放排列成長程有序的小晶體，該小晶體稱為晶核，該過程稱為形核。晶核一旦形成就可不斷地長大，同時其它尺寸較大的短程有序的原子集團又可形成新的晶核。因此純金屬的結晶過程是晶核不斷的形成和長大的交替重疊進行的過程。其示意圖見P13頁圖1.27，所以結晶后為多晶體，如在結晶時控制好只讓一個晶核形成和長大就可得到單晶體。四. 金屬結晶的熱力學條件由熱力學第二定律可知，物質遵循能量最小原理，即物質總是自發(fā)地向著能量降低的方向轉化。圖1.28給出了在等壓條件下液、固態(tài)金屬的自由能與溫度的關系曲線，都是單調減上凸曲線，并且兩者

38、斜率不同，由熱力學表達式可知液相的斜率大于固相，因為液態(tài)時原子排列的混亂程轉度大，S液>S固，兩曲線交點的溫度為金屬的理論結晶溫度即熔點。這時液、固兩相的自由能相等，液、固兩相處于動態(tài)平衡狀態(tài)，兩相可以長期共存。當T=Tm時，G液=G固，兩相共存；當T>Tm時，G液<G固，金屬熔化成液體；當T<Tm時，G液>G固，金屬結晶成固體，而G=G固-G液<0，為結晶的驅動力，由此可知過冷是結晶的必要條件，T越大，結晶驅動力越大，結晶速度越快。§1.5 形核和長大一. 形核 液態(tài)金屬在結晶時，其形核方式一般認為主要有兩種：即均質形核（對稱均勻形核）和異質形核

39、（又稱非均勻形核）。1. 均質形核均質形核是純凈的過冷液態(tài)金屬依靠自身原子的規(guī)則排列形成晶核的過程。它形成的具體過程是液態(tài)金屬過冷到某一溫度時，其內部尺寸較大的近程有序原子集團達到某一臨界尺寸后成為晶核。 由于過冷提供了結晶的驅動力，但晶核形成后會產生新的液固界面，使體系自由能升高，所以并不是一有過冷就能形核，而是要達到一定的過冷度后，才能形核。形核速度的快慢用形核率表示N，它是單位時間內單位體中形成的晶核數(shù)目，它與過冷度即結晶驅動力大小有關，還與原了活動能力（擴散穩(wěn)遷移能力）有關，見圖1.28。即N受兩個相互制約的因素控制。T大，結晶驅動力大，但溫度低，原子活動能力小，所以N-T完整的曲線，

40、應是正態(tài)分布，但因金屬結晶傾向很大，實際只能測到曲線的前半部，金屬已經結晶完畢，見圖1.29，由于均質形核阻力較大，當T=0.2Tm時才能有效形核。2. 異質形核異質形核是液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質點表面，優(yōu)先形成晶核的過程。由實驗發(fā)現(xiàn)異質形核所需的過冷度小，T=0.02Tm時，就能有效形核。見右圖，因為異質形核是依附在現(xiàn)有固體表面形核（稱為形核基底或襯底），所以新增的液固界面積小，界面能低，結晶阻力小。另外，實際液態(tài)金屬中總是或多或小地存在著未熔固體雜質，而且在澆注時液態(tài)金屬總是要與模壁接觸，因此實際液態(tài)金屬結晶時，首先以異質形核方式形核。但是應該注意的是，并不是任何固體表面

41、都能促進異質形核。只有晶核與基底之間的界面能越小時，這樣的基底才能促進異質形核。 由形核的討論可知過冷是結晶的必要條件，但過冷后還需通過能量起伏和結構起伏，使近程有序的原子集團達到某一臨界尺寸后才能形成晶核。二. 晶體的長大 晶核形成以后就會立刻長大，晶核長大的實質就是液態(tài)金屬原子向晶核表面堆砌的過程，也是固液界面向液體中遷移的過程。它也需要過冷度，該過冷度稱為動態(tài)過冷度用Tk表示，一般很小難以測定。 經研究發(fā)現(xiàn)晶體的生長方式主要與固液界面的微觀結構有關，而晶體的生長形態(tài)主要與固液界面前沿的溫度梯度有關。1. 固液界面的微觀結構和晶體長大機制1) 固液界面的微觀結構經研究發(fā)現(xiàn)固液界面的微觀結構

42、主要有兩類。(1) 光滑界面：即液固界面是截然分開的，95%或5%的位置為固相原子占據(jù)。它由原子密排面組成，故也稱為小平面界面見右圖 或圖1.30(a)，(2) 粗糙界面：即液固界面不是截然分開的，50%的位置被固相原子占據(jù)，還有50%空著，故也稱為非小平面界面。見右圖或圖1.30(b)。2) 晶體的長大機制(1) 粗糙界面的長大機制連續(xù)垂直長大機制即液相原子不斷地向空著的結晶位置上堆砌，并且在堆砌過程中固液界面上的臺階始終不會消失，使界面垂直向液相中推進，故其長大速度快，金屬及合金的長大機制多以這種方式進行，因為它們的固液界面多為粗糙面。(2) 光滑界面的長大機制側向長大機制對于完全光滑的固

43、液界面多以二維晶核機制長大。a. 二維晶核機制：由于固液界面是完全光滑的，則單個液相原子很難在其上堆砌（增加界面積大，界面能高），所以它先以均質形核方式形成一個二維晶核，堆砌到原固液界面上，為液相原子的堆砌提供臺階，而進行側向長大。長滿一層后，晶體生長中斷，等新的二維晶核形成后再繼續(xù)長大，因此它是不連續(xù)側向生長，長大速度很慢，與實際情況相差較大，見圖1.31(a)。對于有缺陷的光滑界面，多以晶體缺陷生長機制長大。b. 晶體缺陷生長機制：見圖1.31(b)或下圖，即在光滑界面上有露頭的螺型位錯，它的存在為液相原子的堆砌提供了臺階（靠背），液相原子可連續(xù)地堆砌，使固液界面進行螺旋狀連續(xù)側向生長，其

44、長大速度較快，并與實際情況比較接近，非金屬和金屬化合物多為光滑界面，它們多以這種機制進行生長。2. 固液界面前沿的溫度梯度與純金屬晶體的生長形態(tài)1) 固液界面前沿的溫度梯度固液界面前沿的溫度梯度主要有兩種：即正溫度梯度和負溫度梯度。(1) 正溫度梯度（） 見P16頁圖1.32(a)，由于液態(tài)金屬在鑄型中冷卻時熱量主要通過型壁散出，故結晶首先從型壁開始，液態(tài)金屬的熱量和結晶潛熱都通過型壁和已結晶固相散出，因此固液界面前沿的溫度隨距離x的增加而升高，即T隨x而。 (2) 負溫度梯度 見圖1.32(b.c)，若金屬在坩堝中加熱熔化后，隨坩堝一起降溫冷卻，當液態(tài)金屬處于過冷狀態(tài)時，其內部某些區(qū)域會首先

45、結晶，這樣放出的結晶潛熱使固液界面溫度升高，因此固液界面前沿的溫度隨距離x的增加而降低，即T隨x而。2) 純金屬晶體的生長形態(tài)純金屬的固液界面從微觀角度說是粗糙界面，它的生長形態(tài)主要受界面前沿的溫度梯度影響。(1) 在正溫度梯度時按平面狀生長 見圖1.33(a)，由前面的介紹我們知道粗糙界面的生長機制為連續(xù)垂直生長，在正溫度梯度時，界面上的凸起部分若想較快的朝前生長，就會進入T較小的區(qū)域，使其生長速度減慢，因此始終維持界面為平面狀。 (2) 在負溫度梯度時按樹枝晶生長見圖1.33、1.34，由于在負溫度梯度時，固液界面前沿隨xT，因此界面上的凸起部分能接解到T更大的區(qū)域而超前生長，長成一次晶軸

46、，在一次晶軸側面也會形成負溫度梯度，而長出二次晶軸；二次晶軸上又會生長三次晶軸。就相先長出樹桿再長出分枝一樣，故稱為枝晶生長。對于立方晶系各次晶軸間成垂直關系（沿<100生長），如果枝晶在三維空間均衡發(fā)展（即x、y、z三方向長大趨勢差不多）最后得到等軸晶粒，由于通常金屬結晶完畢時，各次晶軸相互接觸，形成一個充實的晶粒，所以看不到其枝晶形態(tài)。但在結晶時各晶軸間不能及時得到液相的補充，最后在枝間就會形成孔洞，結晶結束后就能觀察到枝晶形態(tài)，液相中有雜質時，它們一般在枝間處，結晶后經浸蝕也能看出樹枝晶形態(tài)。§1.6 晶粒大小控制一. 晶粒大小對金屬性能的影響由實驗發(fā)現(xiàn)金屬結晶后，在常溫

47、下晶粒越細小其強度、硬度、塑性、韌性越好，如純鐵晶粒平均直徑從9.7mm減小到2.5mm，抗拉強度從165MPa上升211MPa，伸長率從28.8%上升到39.5%，通常將這種方法稱為細晶強化，它的最大優(yōu)點是能同時提高金屬材料的強度、硬度、塑性、韌性，而以后介紹的各種強化方法，都是通過犧牲材料塑性、韌性來換取提高材料的強度、硬度。二. 細化晶粒的途徑 研究發(fā)現(xiàn)有兩個途徑：1.增加形核率N；2.降低長大速度；三. 細化晶粒的方法 常用的有以下幾種1. 增大金屬的過冷度因為T，N增大，長大速度也增大，但前者大于后者，故可使晶粒細化，具體方法是對薄壁鑄件用加快冷卻速度的方法，來增大T，1）金屬模代砂

48、模。2. 在金屬模外通循環(huán)水冷卻3. 降低澆注溫度（提高形核率）近二三十年來，快速凝固（V冷>104K/S）技術的發(fā)展，人們已能得到尺寸為0.11.0數(shù)量的超細晶粒金屬材料，其性能不僅強度、韌性高，而且具有超塑性，優(yōu)異的耐蝕性，抗晶粒長大性、抗幅照性等。成為具有高性能的新型金屬材料。4. 孕育（變質）處理對于厚壁鑄件，用激冷的方法難以使其內部晶粒細化，并且冷速過快易使鑄件變形開裂，但在液態(tài)金屬澆注前向其中加入少量孕育劑或變質劑，可起到異質形核率或阻礙晶粒長大作用，從而使大型鑄件從外到里均能得到細小的晶粒，但對不同的材料加入的孕育劑或變質劑不同，如碳鋼加釩、鈦（形成TiN、TiC、VN、V

49、C促進異質形核）；鑄鐵加硅鐵硅鈣（促進石墨細化）；鋁硅合金加鈉鹽（阻礙晶粒長大）。第二章 二元合金的相結構與相圖由于純金屬的機械性能比較低，很難滿足機械制造業(yè)對材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高強度、耐熱、耐蝕、導磁、低膨脹等的要求，加上它冶煉困難，價格昂貴，所以在工業(yè)生產中廣泛使用的金屬材料主要是合金。合金的性能比純金屬的優(yōu)異，主要是因為合金的結構與組織與純金屬不同，而合金的組織是合金結晶后得到的，合金相圖就是反映合金結晶過程的重要資料，也是制訂各種熱加工工藝的重要理論依據(jù)，所以本章著重介紹合金的結構與相圖。§2.1 合金的相結構相 指具有相同結構，相同成分和性能（也可以是連續(xù)

50、變化的）并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相是兩個不同的相，合金在室溫時只有一個相組成的合金稱為單相合金，由兩個相組成的合金稱為兩相合金。由多個相組成的合金稱為多相合金。組織 指用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內部形貌圖像，一般用肉眼觀察到的稱為宏觀組織，用顯微鏡放大后觀察到的組織稱為微觀組織。材料的組織是由相組成的，當組成相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布不同時，其組織也就不同。從而導致其性能不同，因此可以通過改變合金的組織來改變合金的性能。合金系 由給定的若干組元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，為一個合金系統(tǒng)，簡稱為合金系。如由A、B兩個組元配制成的稱為A-B二元系，同樣由三個組元或多

51、個組元配制成的稱為三元系合金或多元系合金，本章主要介紹二元系合金的有關知識。由于組成合金的各組元的結構和性質不同，因此它們在組成合金時，它們之間的相互作用也就不同，所以它們之間可以形成許多不同的相。但按這些相的結構特點，可以將它們分為兩大類：即固溶體和金屬間化合物。固溶體的主要特點是：其晶體結構與溶劑組元的相同；而金屬間化合物的主要特點是其晶體結構與兩組元的結構均不相同，而是一種新的晶體結構。一. 固溶體1. 固溶體由兩種或兩種以上組元在固態(tài)下相互溶解，而形成得具有溶劑晶格結構的單一的、均勻的物質。1) 溶劑：固溶體中含量較多的并保留原有晶格結構的組元稱為溶劑。3) 溶質：固溶體中含量較少的并

52、失去原有晶格結構的組元稱為溶質。2. 固溶體的分類 固溶體的分類方法很多，下面簡單介紹幾種：1) 按溶質原子占據(jù)的位置不同分：(1) 置換固溶體：溶質原子占據(jù)溶劑晶格中某些結點位置而形成的固溶體。見P20頁圖2.1（為平面圖是某一晶面上的情況），它主要在金屬元素之間形成。(2) 間隙固溶體：是溶質原子占據(jù)溶劑晶格間隙而形成的固溶體，見圖2.2，它主是由原子半徑很小（<0.1nm）的非金屬元素氫、氧、氮、碳、硼與金屬元素之間形成。2) 按溶質原子的溶解度分(1) 有限固溶體有限固溶體是溶質原子在溶劑晶格中的溶解量具有一定的限度，超過該限度，它們將形成其它相。如間隙固溶體只能是有限固溶體，因

53、為晶格間隙是有限的。如碳在面心立方的中的最大固溶度為2.11%（質量），而在體心立方中最大只能溶解0.0218%，但體心立方晶格的致密度比面心立方的低，理應具有較高的溶解度，上例說明間隙固溶體的溶解度，與溶劑的晶格類型有關，不同的晶格類型其間隙的大小和類型也不相同，另外一般發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，固溶體的溶解度增大，隨溫度的降低固溶體的溶解度減小。這樣在高溫時具有較大溶解度的固溶體到低溫時會從中析出新相（多余的溶質與部分溶劑所形成）。(2) 無限固溶體溶質能以任意比例溶入溶劑所形成的固溶體，其溶解度可達100%，見圖2.3，即兩組元可連續(xù)無限置換。 但并不是所有的置換固溶體都能形成無限固溶體，只有當

54、兩組元具有相同的晶格類型，并且原子尺寸相差不大，負電性相近（在元素周期表中比較靠近）時，才可能形成無限固溶體。即使形成有限固溶體，它們之間的溶解度也較大。3) 按溶質原子在晶格中的分布狀態(tài)分(1) 無序固溶體：溶質原子占據(jù)溶劑晶格結點的位置是隨機的，任意的和不固定的。加熱緩冷(2) 有序固溶體：溶質原子只占據(jù)溶劑晶格結點的某幾個固定位置，這樣的固溶體也稱為超結構或超點陣。(3) 有序化轉變：有序固溶體 無序固溶體，在一恒溫下轉變，該臨界溫度稱為有序化轉變溫度。一般當溶質與溶劑原子數(shù)成一定比例時，形成的固溶體在緩慢冷卻時，易發(fā)生有序化轉變。如銅金合金，當原子比為1:150%Cu，50%Au，在3

55、85）或3:1（75%Cu，25%Au，在390）時在緩冷到一定溫度時由無序轉化為有序。固溶體由無序轉變?yōu)橛行?，將使合金的性能發(fā)生明顯的變化，如硬度，脆性，塑性，電阻等。3. 固溶體的性能1) 機械性能：產生固溶強化固溶強化：隨溶質原子濃度強化的增加，固溶體強度、硬度升高，而塑性、韌性稍有降低的現(xiàn)象，見P21頁圖2.5，固溶強化是金屬材料的重要途徑之一，它在生產中得到廣泛應用，幾乎生產中使用的絕大部分合金材料都是以固溶體作為主體相（基體相）。產生固溶強化的原因見圖2-4，因為溶質原子與溶劑原子的尺寸大小不同，當它溶入溶劑形成固溶體時會造成晶格畸變，一般大的溶質原子使點陣常數(shù)增大，產生正畸變；而

56、小的溶質原子使點陣常數(shù)減小，產生負畸變；間隙溶質原子總是使點陣常數(shù)增大，產生正畸變（其原子尺寸大于晶格間隙尺寸），晶格畸變對位錯運動有阻礙作用，故使固溶體的硬度、強度，塑性、韌性，一般間隙溶質原子的強化效果大于置換溶質原子的強化效果。2) 物理性能：隨溶質原子含量的增加，固溶體合金的電阻溫度系數(shù)減小，導電性，電阻。見圖2.5。二. 金屬間化合物 兩組元在組成合金時，當它們的溶解度超過固溶體的極限溶解度后，將形成新的合金相，這種新相一般稱為化合物。化合物通?？梢苑譃榻饘匍g化合物和非金屬化合物。1. 金屬間化合物：是指兩組元（金屬之間、金屬與類金屬Pb、Sn、Bi、Sb等或少數(shù)非金屬）在一定成分范圍內，形成的不同于原兩組元晶體結構，并具有金屬特性的物質。2. 非金屬化合物：是指金屬與非金屬，非金屬與非金屬之間，形成的不同于原兩組元晶體結構的，沒有金屬特性的物質，如FeS，MnS，NaCl等，它們在金屬材料中的數(shù)量很少，以雜質形式存在通常稱為非金屬夾雜物，但它們的存在對金屬材料性能的影響卻很壞。這在后面章節(jié)將介紹，下面我們著重介紹金屬間化合物。3. 金屬間化合物的一般特點金屬間化合物是在固溶體達到極限溶