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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页机械工程材料授课讲义绪 论一. 本课程的性质机械工程材料课程是机械设计制造及自动化专业的一门必修课，是一门重要的技术基础课。计划讲课：26学时，实验：6学时，学分：2个。大家知道不管是服装设计师，还是家用电器设计师，以及各种机械设备、汽车、船舶、飞机和军用装备设计师，在他们精心设计出自己的作品后，都需要选用恰当的材料来制造，从而保证制成的产品具有最佳形貌和性能。如果选材不当，将会使所设计制造出产品，不能发挥出最佳性能，并可能导致其使用寿命大大降低；或因选材不当，导致成本太高，失去其应有的市场竞争力。所以，从事机械设
2、计与制造的各类工程技术人员，都必须对其经常使用的各类材料有一定的了解。工程材料：主要是指机械、船舶、建筑、化工、交通运输、航空航天等各项工程中经常使用的各类材料。工程材料主要包括金属材料和非金属材料两大类，金属材料又可分为黑色金属材料和有色金属材料两类，黑色金属材料主要指各类钢和铸铁，有色金属材料主要指铝及铝合金、铜及铜合金以及滑动轴承合金等；非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料等。当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，而且使用量也不断增加，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料。金属材料长期以来得到如此广泛应用，其主要原因是，因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。
3、金属材料的使用性能：机械性能（如强度、硬度、塑性、韧性等），物理性能（如导电、导热、电磁、膨胀等），化学性能（如抗氧化性、耐腐蚀性等）。金属材料的加工工艺性能：铸造性能（如流动性、收缩性等），锻造性能（如压力加工成型性等），切削加工性能（如车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等），焊接性能（如熔焊性、焊缝强度、偏析等），热处理性能（如淬透性、回火稳定性等）。由于不同的材料具有不同的性能，因此它们的应用场合也就不同。如在航天工业中铝及铝合金得到了广泛应用，是因为铝合金具有重量轻强度高的特性。而在电子工业中银、铜、铝得到了广泛的应用,是因为它们具有优良的导电性。在机械工业中，由于机械产品在使用过程中，主
4、要承受各种力的作用。因此，主要要求所使用的金属材料具有良好的机械性能，而碳钢和合金钢具备上述性能要求，所以得到了广泛应用。金属材料具有良好的机械性能，是由它的成分和内部结构与组织所决定的。金属材料的结构：是其晶体结构的简称，它指的是构成金属材料的质点（如分子、原子或离子等）的具体组合状态、结合方式和排列情况。金属材料的组织：是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌，故也称为显微组织。由于每一个机械工程技术人员，在设计和制造机械产品过程中，都要与工程材料打交道，特别是要与各种金属材料打交道；要想合理的选择和使用金属材料，就必须搞清楚金属材料的成分、结构、组织与性能之间的关系及其变化规律，也就
5、是应该努力学好本课程。工程材料课程就是为了使非材料专业工程技术人员，对各类工程材料有所了解而开设的，目的就是为了使他们具备一定的正确选择和合理使用材料的基础。二. 课程的主要内容本课程共设12章，可分为五个部分：1. 金属学部分：是本书的14章为金属学基础知识，主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律，它是合理选择、正确使用、以及强化金属材料的理论基础。它主要包括金属材料的结构、结晶过程、塑性变形、回复与再结晶，以及二元合金相图、铁碳合金相图等；这一部分是随后两部分的直接基础。2. 热处理部分：是本书的第5章，主要包括钢的热处理原理与工艺两方面，本章着重阐述钢在不同
6、工艺条件下的组织转变规律，并在此基础上，介绍改善与强化钢的组织与性能的常用热处理工艺，为合理使用热处理做准备。3. 金属材料部分：是本书的68章，这部分主要结合金属学与热处理基本知识，较全面地介绍常用金属材料的牌号、成分、组织与性能特点及用途，为正确选用金属材料打基础。它主要包括合金钢、铸铁、有色金属及合金等。以上三部分是本课程的重点，其中58章更是全书重点。4. 非金属材料部分：是本书的911章，这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料，由于讲课学时少，只能简单介绍上述几类材料的结构、组织与性能特点，为初步了解有关非金属材料的基础知识，打一点基础。5. 材料的机械性能及机械零件的失效与选
7、材分析部分：是本书的第12章，主要介绍材料的常用机械性能指标，和机械零件的失效形式、原因与分析方法，以及选材的原则和典型零件的选材与工艺分析。本教材按编者安排全书讲课共需36学时，实验4学时。这与我校实际教学计划相差较大，故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩。为了尽量保证课程体系的完整性，我们重点介绍18章内容，912章内容根据教学进度与时间，只作简单介绍。三. 学习目的与要求1. 了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。2. 了解和掌握各类工程材料的牌号、成分，组织与性能之间的相互关系及其变化规律。3. 能正确选择常用工程材料，合理制订其生产工艺流程。第一章 金属的结构和结晶
8、1.1 几个基本概念和金属的特征一. 金属材料金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。二. 晶体组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等三. 非晶体：组成固态物质
9、的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。四. 金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键，见P2页图1-1。五. 金属特征金属材料主
10、要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：1. 良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。2. 正的电阻温度系数：即随温度升高，电阻增大，因为金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。3. 不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。4. 具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。1.2 晶体结构不管是金属晶体还是非金属晶体，其
11、晶体结构如何，与组成晶体的物质质点（可以是原子、分子或离子，也可以是原子群，分子群或离子群的中心）的具体排列方式和规律有关。科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述。一. 晶体结构模型按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为球体模型、晶格模型和晶胞模型。1. 晶体的球体模型就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而成，见P3页图1.3（a）。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。2. 晶体的晶格模型1) 空间点阵将组成晶体的物质质点，进一步抽象为几何点，这些几何点在三维空间周期性
12、、规则地排列成的阵列，称为空间点阵或布喇菲点阵；而这些几何点称为阵点或结点。2)晶体的晶格模型用假想的平行直线将阵点联结起来，就构成了晶体的晶格模型，也称空间格子，简称晶格。见P3页图1.3（b）。显然用抽象了的晶格模型来研究晶体结构就方便多了。3) 晶体的晶胞模型简称为晶胞。由于晶体的特点是，原子在三维空间有规则的周期性重复排列。因此，可以从晶格模型中取出一个具有代表性的最基本的结构单元，来研究晶体结构的特征。这个能够反映晶格结构的最基本的结构单元就称为晶胞。见P3页图1.3（c）。由于晶胞中原子的排列规律，能够完全代表晶格中原子的排列规律，所以晶胞在三维空间的重复堆砌便构成了晶格。因此可以
13、说，晶胞就是构成晶格的细胞。利用晶胞来反映晶体中原子的排列方式和特征，将更为方便。所以在研究晶体结构时，都是取它的晶胞进行研究。 反映晶胞的参数：由于不同的晶体其晶格结构不同，故取出的晶胞也不相同。为了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一顶角为坐标原点，以x、y、z为晶轴，见图1.3 (c).用晶格常数（点阵常数）和晶轴夹角来反映晶胞的特征。a. 晶格常数：为晶胞各棱边长度，用a、b、c表示，称为点阵常数，单位用nm或埃1=10 8cm （1nm=10-9m）b.晶轴夹角：为晶胞各棱边间夹角，用、表示。当某一晶胞的晶格常数a=b=c，=900时，该晶胞称为立方晶胞。4)晶系与空间点阵a. 晶系：
14、是晶体分类的一种方式，具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系。根据晶胞特征参数的不同，晶体可分为七大晶系： 见P4页表1.1，即三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。b. 晶系与空间点阵：根据每个阵点具有相同的周围环境（距离、位向），法国晶体学家布喇菲用数学方法首先证明，空间点阵只能有14种，它分属上述七个晶系，见P4页图1.4或表1.1。其中有7种为简单晶胞，7种为复杂晶胞或复合晶胞。简单晶胞只在其平行六面体的八个顶角上有阵点，属于该晶胞的阵点数为1。因为晶胞顶角上的每一个阵点属于八个相邻晶胞所共有（即8x1/8=1）。而复合晶胞除在八个顶角上有阵点外，还在其体心、面心（每个面的中心
15、），或底心（上下底面的中心）有阵点，所以这种晶胞的阵点数2。由于空间点阵上的阵点，可以代表各种不同物质的原子、分子或离子，以及原子群、分子群或离子群；所以同一种空间点阵，可以有无限种实际晶体结构。见P5页图1.5（a），(b)，(c)三种不同的晶体结构都属于（d）这种空间点阵。因此可以说空间点阵是有限的（只能有14种），而晶体结构是无限的可以有很多种。二. 纯金属的三种典型晶体结构由元素周期表可知金属的种类很多，而且它们的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为体心立方结构（bcc）、面心立方结构（fcc）和密排六方结构（hcp），见P5页图1.6。1. 三种典型晶体结构的形貌图1.6中（a）为体心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有-Fe,Cr,Mo,W,V等。图1.6中（b）为面心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，每个面的中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，-Fe等。图1.6中（c）为密排六方结构，它是在六棱柱体晶胞的十二个顶角上各有一个原子，上下顶面中心各有一个原子，在六棱柱中三个相间的三棱柱中
