第1章 工程材料基础 ©第一节金属材料的结构 ○第二节 工程材料的性能 ○第三节铁碳合金 ○第四节常用工程材料 第五节钢的热处理 返回
第1章 工程材料基础 第一节 金属材料的结构 第二节 工程材料的性能 第三节 铁碳合金 第四节 常用工程材料 返回 第五节 钢的热处理
材料是人类用来制作各种产品的物质；机械工程中 使用的材料按化学组成可分为金属材料、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，且具有优良的力学性能、物理性能 和工艺性能。 工程金属材料又分为纯金属和合金；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。 上页 返回
材料是人类用来制作各种产品的物质；机械工程中 使用的材料按化学组成可分为金属材料、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，且具有优良的力学性能、物理性能 和工艺性能。 工程金属材料又分为纯金属和合金；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
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：是化学成分、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
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：是化学成分、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
第一节金属材料的结构 一、 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
第一节 金属材料的结构 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。 一、金属的晶体结构 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
6、晶格常数：晶胞中各棱边的长度，单位为A1A-10m 7、金属中常见的晶体结构 1)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 回
6、晶格常数：晶胞中各棱边的长度，单位为 A 1A 10 m 10 0 0 7、金属中常见的晶体结构 1）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 /881 2 。如铬、钠等。 图1-2a体心立方晶格
2)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 3)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 为：1/6×12+1/2×2+3=6，如镁、锌等。 上页 回 图1-2c密排六方晶格
2）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 /881/ 26 4 。如铝，铜等。 3）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 为： 1 / 6121/ 223 6 ,如镁、锌等。 图1-2b面心立方晶格 图1-2c密排六方晶格
二、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。 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1-4所示
二、合金的晶体结构 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1-4所示。 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
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，如图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。 上页 回
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，如图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
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Fe,C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
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 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。 Fe3 C 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
三、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：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T,和实际结晶温度T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 时间 之。 图1-6冷却曲线 上页 回
三、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：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 和实际结晶温度 之间 的温度差 叫过冷度，它与冷却速 度有关，冷却越快，过冷度越大，反 之。 T0 Tn T 图1-6 冷却曲线