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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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，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。
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。
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：
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
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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。
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。