前言、晶體學(xué)教材

機(jī)械工程材料及熱處理許令峰機(jī)械與電子工程學(xué)院緒論一、材料和材料科學(xué)二、工程材料的分類三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展四、《機(jī)械工程材料》課程的性質(zhì)和任務(wù)一、材料和材料科學(xué)1、材料哥倫比亞號航天飛機(jī)材料是指可以用來直接制造有用物件、構(gòu)件或器件的物質(zhì)。材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手錘銼刀“神舟”四號飛船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù).

龍芯沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片波音客機(jī)沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料.可見，高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持.

前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭TITANICTITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)!!!哥倫比亞號航天飛機(jī)失事中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過重大貢獻(xiàn)。公元前6000～5000年，陶器。商朝司母戊鼎古代劍刃制造中的特殊技術(shù)春秋戰(zhàn)國時(shí)代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖鞍鋼攀鋼夜景新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬噸/年上升到現(xiàn)在的5億噸/年。

中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的1932年發(fā)明了電子顯微鏡，高分辨率電鏡（HighResolutionElectronMicroscopy,HREM）直接觀察晶體中原子的規(guī)則排列。1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。金屬鈦中的位錯(cuò)2、材料科學(xué)主要研究內(nèi)容：⑴研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；⑵研究材料的形成機(jī)理和制取方法；⑶研究材料物理性能的測試方法和技術(shù)；⑷分析材料的損壞機(jī)理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。材料科學(xué)是以材料為研究對象的一門科學(xué)?！疤魬?zhàn)者號”爆炸瞬間二、工程材料的分類工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。按組成與結(jié)合鍵分：

1、金屬材料

2、高分子材料

3、陶瓷材料

4、復(fù)合材料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應(yīng)用最廣泛。黑色金屬有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

金屬鍵金屬材料制品陶瓷材料以共價(jià)鍵和離子鍵為主熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷,是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷,主要用作建筑材料使用.

特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)高分子材料

以分子鍵和共價(jià)鍵為主塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小包括塑料、橡膠及合成纖維等

分子鍵共價(jià)鍵高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

烯丙酰氯-苯乙烯復(fù)合材料包括：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，會(huì)遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識(shí)，具備正確選擇材料和加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。鑄造一級渦輪盤四、機(jī)械工程材料課程的性質(zhì)和任務(wù)課程性質(zhì)：是機(jī)械類和近機(jī)類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課課程任務(wù)：

⑴

了解工程材料的一般知識(shí)；

⑵建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系：工藝-組織-性能之間關(guān)系的例子Steelwith0.4%C

①化學(xué)成分(成分)：組成材料各元素在材料中的濃度。②組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。習(xí)慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱低倍組織或宏觀組織。放大100～2000倍的組織稱高倍組織或顯微組織.在電子顯微鏡下放大幾千～幾十萬倍的組織稱精細(xì)組織或電鏡組織。鋼的宏觀組織、顯微組織和電鏡組織鋼錠的宏觀組織顯微組織電鏡組織③結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài).一般通過X-射線衍射或透射電鏡研究.Al的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的X-射線衍射譜透射電鏡衍射斑點(diǎn)⑶了解常用材料的用途和加工工藝。⑷初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝路線的能力。

課程特點(diǎn)：基本概念多，與實(shí)際聯(lián)系緊密,是一門應(yīng)用科學(xué)。第一章金屬材料的機(jī)械性能強(qiáng)度高加工性好成本低廣泛使用于機(jī)械、建筑、國防等領(lǐng)域一、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：是金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。

屈服點(diǎn)

:試樣發(fā)生屈服時(shí)所承受的最大載荷，N；

:試樣原始截面積，

抗拉強(qiáng)度

：試樣在拉斷前所承受的最大載荷，N：試樣原始截面積，金屬材料必須具有一種承受機(jī)械荷而不超過許可變形或不破壞的能力。塑性：是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。伸長率斷面收縮率:試樣原始標(biāo)距長度，mm:試樣拉斷后，斷口處截面積，:試樣的原始截面積，:試樣拉斷后的標(biāo)距長度，mm低碳鋼拉伸曲線

二、硬度硬度—金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力。硬度直接影響到材料的耐磨性和切削加工性。常用的硬度有：1.布氏硬度HB**見圖1-3布氏硬度法**用鋼球?yàn)閴侯^：HBS,常用范圍HBS﹤450布氏硬度壓痕大，硬度值較穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，但較費(fèi)時(shí)，不宜成品檢驗(yàn)。**用硬質(zhì)合金為壓頭：HBW表示，較少用。

布氏硬度試驗(yàn)原理圖

適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。2.洛氏硬度HR根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標(biāo)度（HRA,HRB,HRC），能夠測試從軟到硬各種硬度的材料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測硬度很高的材料。三、韌性韌性—金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。:沖擊韌度（沖擊值）:沖斷試樣所消耗的沖擊功，J:試樣缺口處的截面積，金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌性。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。夏比沖擊試驗(yàn)

1.試驗(yàn)原理

式中：Ak—折斷試樣所消耗的沖擊功（J）

A—試樣斷口處的原始截面積（cm2）

對于脆性材料試樣一般不開缺口沖擊韌度αK=AK/A

四、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度—機(jī)械零件在周期性或非周期性動(dòng)載荷（稱為疲勞載荷）的作用下工作發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力，用表示。第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶現(xiàn)代使用的材料絕大部分是晶態(tài)（Crystalline）材料。晶態(tài)材料包括單晶材料、多晶材料、微晶材料和液晶材料等。我們?nèi)粘Ｊ褂玫母鞣N金屬材料大部分是多晶材料。

天然晶體具有規(guī)則外形和宏觀對稱性。高分辨率電鏡（HighResolutionElectronMicroscopy,HREM）直接觀察晶體中原子的規(guī)則排列。主要內(nèi)容純金屬典型晶體結(jié)構(gòu)類型及特征；合金相的基本特征；實(shí)際金屬晶體中的缺陷；純金屬結(jié)晶的基本概念。第一節(jié)晶體及晶體的特性物質(zhì)結(jié)晶狀態(tài)的本質(zhì)特征是：結(jié)構(gòu)基元在空間呈不隨時(shí)間變化的三維周期排列，它決定了晶體的宏觀和微觀物理性質(zhì)。不具有這種特性的物質(zhì)例如石蠟、玻璃等是非晶態(tài)物質(zhì)。有一些有機(jī)高聚合物，它們的結(jié)構(gòu)基元具有一維或二維的近似長程有序排列，其性質(zhì)介于晶體和非晶體之間，這種物質(zhì)稱為液態(tài)晶體，簡稱液晶（Liquid?crystal）。晶態(tài)物質(zhì)可以由多個(gè)晶體組成，由許多取向不同單晶體晶粒隨機(jī)排列的組合稱多晶體（Polycrystal），各個(gè)晶粒之間有晶界分隔開。當(dāng)晶粒顆粒尺度很?。s為微米級）時(shí)稱為微晶（Crystallite）。一、物質(zhì)狀態(tài)二、晶體材料的特性（1）均勻性（Homogeneity）—晶態(tài)物質(zhì)任意部分的所有性質(zhì)是完全相同的，這就是均勻性。（2）各向異性（Anisotropy）—晶體的標(biāo)量性質(zhì)（例如相對密度、熱容量等）和晶體的取向無關(guān)；矢量性質(zhì)（例如熱導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、光折射率等）（例如介電系數(shù)、彈性系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等）和晶體的取向有關(guān)，就是各向異性。（3）對稱性（Symmetry）—晶體的各向異性是指晶體的性質(zhì)在某些不同的、不連續(xù)變化或間斷的方向上存在著有規(guī)律的等同性，這就是晶體對稱性的表現(xiàn)。對稱性的概念是自然科學(xué)中最普遍最基本的概念之一。第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、純金屬的典型結(jié)構(gòu)模型

由于金屬鍵不具有飽和性和方向性，使金屬的晶體結(jié)構(gòu)傾向于最大限度填滿空間，即最緊密堆垛。

晶體是由結(jié)構(gòu)基元(原子、分子、離子等）在空間呈不隨時(shí)間變化的規(guī)則的三維周期排列而形成的，在研究結(jié)構(gòu)基元周期排列的規(guī)律性時(shí)，往往把結(jié)構(gòu)基元抽象為一個(gè)幾何點(diǎn)。這樣，結(jié)構(gòu)基元的三維周期排列就被抽象為點(diǎn)的三維周期排列（稱空間點(diǎn)陣）。研究結(jié)構(gòu)基元的三維周期排列規(guī)律就可以轉(zhuǎn)化為研究點(diǎn)的三維周期排列規(guī)律。晶胞：晶體點(diǎn)陣的一個(gè)基本單元。晶格常數(shù)：三個(gè)棱邊長用a、b、c表示，大小以埃為計(jì)量單位。三個(gè)棱邊之間的夾角用α、β、γ表示。

金屬原子剛性球體，以的形式堆砌最密集原子面：每個(gè)球周圍都有六個(gè)球與其相切。次密集原子面：每個(gè)球周圍都有四個(gè)球與其相切。三個(gè)密集方向二個(gè)密集方向原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距的一半。配位數(shù)：是晶格中與任一原子處于等距離且相距最近的原子數(shù)目。致密度：金屬晶胞中的全部原子的體積占晶胞總體積的百分?jǐn)?shù),它是衡量堆垛緊密程度的。晶向：晶向是晶格中各種原子列的位向，晶向指數(shù)即是用來描述晶向的一種符號。以[u.v.w]表示。晶面：晶面是指各種不同方位上的原子面，而用來描述晶面位置的符號稱為晶面指數(shù)。以（h.k.l）表示。原子堆積模型晶胞模型密集六方結(jié)構(gòu)原子密排面1.面心立方和密集六方面心立方，F(xiàn)CC─facecentredcubic

密集六方，HCP─hexagonalclose-packed面心立方結(jié)構(gòu)面心立方堆垛方式密排六方堆垛方式密集面面心立方，以立方體的體對角線為法線的原子面密集六方，立方體的底面（每一層）配位數(shù)面心立方密集六方12個(gè)，其中同一層中6個(gè)近鄰原子，上下層中各有3個(gè)近鄰原子致密度：原子占總體積74％面心立方的密排面為{111}密排方向<110>面心立方每個(gè)晶胞有4個(gè)原子面心立方2a2=(4r)2a2=8r2

立方體體積立方體中原子的個(gè)數(shù)：頂角每個(gè)原子占1/8×8

（4）面心每個(gè)原子占1/2×6立方體中原子的總體積：原子占總體積：面心立方配位數(shù)是6密排方向<110>密排六方2.體心立方結(jié)構(gòu)體心立方，BCC─bodycentredcubic

原子次密集堆積形式：次密集面A-B-A-B堆積

一個(gè)密集方向遭到破壞次密排面：兩條體對角線構(gòu)成的晶面=兩面對角線構(gòu)成的晶面配位數(shù)：體心原子與立方體的八個(gè)頂角為緊鄰（最近鄰）（8+6）與六個(gè)面外的體心原子均為近鄰（次近鄰）致密度：原子占總體積的68％，空隙占32％每個(gè)原子有8個(gè)最近鄰原子和6個(gè)次近鄰原子。次近鄰原子僅比最近鄰原子距離大約15％，因此往往考慮次近鄰原子作用。密排方向<111>二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)金屬：銅、金、鋁、鉛、鎳、錳、鉑、銥、銀、釷、銠、鈀、……Cu-Zi代位固溶體

銅型晶格密排六方結(jié)構(gòu)金屬：鋨、鎂、鋅、鈷、鈦、鋯、鈹、鎘

Mg-Zn代位固溶體

鋨型晶格體心立方結(jié)構(gòu)金屬：鐵、鉻、鉬、鎢、釩、鉭、鋰、鉀、……

α-Fe型晶格

1.典型的金屬結(jié)構(gòu)

面心立方fcc

體心立方bcc

密集六方hcp

金屬晶體大多屬于對稱性較高、配位數(shù)較大的晶體類型。

2.多形性或同素異構(gòu)現(xiàn)象

同一物質(zhì)(金屬)隨溫度或壓力的不同，呈現(xiàn)不同的晶體結(jié)構(gòu)類型三、金屬晶體的多形性鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第三節(jié)合金相結(jié)構(gòu)由兩種或多種元素組成、以金屬元素為主體、大多通過冶煉或熔合而成、并在宏觀上具有一般金屬元素所具有的共同特征，這一類材料或物質(zhì)通稱為合金。合金純金屬+異類原子怎樣進(jìn)入主組元中

代位固溶體結(jié)構(gòu)

間隙固溶體結(jié)構(gòu)金屬間化合物類型？一.固溶體

置換固溶體:主組元的一部分原子被其它組元的原子所取代，保留主組元的結(jié)構(gòu)類型。異類原子按任意比例統(tǒng)計(jì)式地分布在各類結(jié)構(gòu)中的各相應(yīng)晶面上，并處于主組元相似的正常位置上。Cu-Ni為FCC結(jié)構(gòu)；Fe-Cr為BCC結(jié)構(gòu)；Mg-Zn為HCP結(jié)構(gòu)一定范圍內(nèi)（有限互溶）或是

所有成分范圍內(nèi)（無限互溶）異類原子分布在主組元原子間的空隙中。例如：Fe形成體心立方或面心立方結(jié)構(gòu)，

C分布在八面體間隙中。

間隙固溶體:影響合金相結(jié)構(gòu)的基本因素

1.異類原子間的相互作用

異類原子間的相互作用與同類原子間的相互作用相比：

≈

不使能量變化

均勻混合

>

使能量降低

有序固溶體

金屬間化合物