【正文】 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。材料的組織是由相組成的，當(dāng)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。167。成為具有高性能的新型金屬材料。167。 (2) 在負(fù)溫度梯度時按樹枝晶生長、由于在負(fù)溫度梯度時，固液界面前沿隨x↑ΔT↑，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，在一次晶軸側(cè)面也會形成負(fù)溫度梯度，而長出二次晶軸；二次晶軸上又會生長三次晶軸。(1) 正溫度梯度（） (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(jié)晶首先從型壁開始，液態(tài)金屬的熱量和結(jié)晶潛熱都通過型壁和已結(jié)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↓。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(cè)向生長，長大速度很慢，與實際情況相差較大，(a)。(b)。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)晶體的生長方式主要與固液界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(guān)。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(jìn)異質(zhì)形核。由實驗發(fā)現(xiàn)異質(zhì)形核所需的過冷度小，△T=，就能有效形核。形核速度的快慢用形核率表示N，它是單位時間內(nèi)單位體中形成的晶核數(shù)目，它與過冷度即結(jié)晶驅(qū)動力大小有關(guān)，還與原了活動能力（擴(kuò)散穩(wěn)遷移能力）有關(guān)。 形核和長大一. 形核 液態(tài)金屬在結(jié)晶時，其形核方式一般認(rèn)為主要有兩種：即均質(zhì)形核（對稱均勻形核）和異質(zhì)形核（又稱非均勻形核）。、固態(tài)金屬的自由能與溫度的關(guān)系曲線，都是單調(diào)減上凸曲線，并且兩者斜率不同，由熱力學(xué)表達(dá)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(zhuǎn)度大，S液S固，兩曲線交點的溫度為金屬的理論結(jié)晶溫度即熔點。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(tuán)又可形成新的晶核。2. 結(jié)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(jié)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(jié)晶時液態(tài)金屬放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了液態(tài)金屬向外界散失的熱量，從而維持在恒溫下結(jié)晶。二. 結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象研究液態(tài)金屬結(jié)晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。由金工實習(xí)大家知道絕大多數(shù)金屬材料都是經(jīng)過冶煉后澆鑄成形，即它的原始組織為鑄態(tài)組織。它是由相互交叉的螺型位錯網(wǎng)絡(luò)組成，它也造成原子錯排所以是面缺陷。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。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(guān)，見P12頁圖1,24。1) 大角度晶界：大角度晶界的原子結(jié)構(gòu)模型，到目前為止還沒有完全搞清楚。該過渡層有一定的厚度，為了同時適應(yīng)兩側(cè)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(chǎn)生晶格畸變，所以它是晶體中的一種重要的面缺陷。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。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間距，故稱為線缺陷，可用其中心線表示。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“Т”表示負(fù)刃型位錯，既在晶體的下半部有多余半原子面。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?？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。一般認(rèn)為組成晶體的原子在晶格結(jié)點上并不是靜止不動的，而是以晶格結(jié)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(jié)點上）。2. 點缺陷的類型 ，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(fù)合空位。晶體缺陷晶體缺陷是晶體內(nèi)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。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。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）。而且發(fā)現(xiàn)單晶體的屈服強(qiáng)度、導(dǎo)磁性、導(dǎo)電性等性能，也存在著明顯的各向異性。見P8頁第10~。而用四個坐標(biāo)軸確定晶向指數(shù)時，必須從坐標(biāo)原點出發(fā)，沿平行于四個坐標(biāo)軸的方向依次移動，最后到達(dá)所求晶向上的某一結(jié)點。這樣可用（hkil）表示晶面指數(shù)，用[uvtw]表示晶向指數(shù)。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)的確定方法，是國際上通用的密勒指數(shù)法，它適用于各種晶系。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。畫圖說明晶向指數(shù)的具體確定方法。（111），（11ī），（1ī1），（ī11）就屬于{111}晶面族。，畫圖說明晶面指數(shù)的具體確定方法。晶面指數(shù) 表示晶面在晶體中方位的符號。5) 間隙半徑： 指晶格空隙中能容納的最大球體半徑。1) 單位晶胞原子數(shù)：即一個晶胞所含的原子數(shù)目。屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有αFe,Cr,Mo,W,V等。因此可以說空間點陣是有限的（只能有14種），而晶體結(jié)構(gòu)是無限的可以有很多種。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）。根據(jù)晶胞特征參數(shù)的不同，晶體可分為七大晶系： ，即三斜、單斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。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1197。利用晶胞來反映晶體中原子的排列方式和特征，將更為方便。這個能夠反映晶格結(jié)構(gòu)的最基本的結(jié)構(gòu)單元就稱為晶胞。顯然用抽象了的晶格模型來研究晶體結(jié)構(gòu)就方便多了。針對這一缺陷科技工作者進(jìn)一步提出了晶體的晶格模型?？萍脊ぷ髡咭话闶怯镁w結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當(dāng)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(chǎn)生金屬光澤。四. 金屬鍵金屬鍵是金屬原子之間的結(jié)合鍵，它是大量金屬原子結(jié)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(qiáng)烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結(jié)合方式稱為金屬鍵，見P2頁圖11。這樣的物質(zhì)稱為非晶體。而固體又可分晶體和非晶體。 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金屬元素，或金屬元素與少量非金屬元素所構(gòu)成的，具有一般金屬特性的材料，統(tǒng)稱為金屬材料。三. 學(xué)習(xí)目的與要求1. 了解和掌握所學(xué)工程材料方面的基本理論和基本知識。5. 材料的機(jī)械性能及機(jī)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(jī)械性能指標(biāo)，和機(jī)械零件的失效形式、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。3. 金屬材料部分：是本書的6~8章，這部分主要結(jié)合金屬學(xué)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(chǔ)?！豆こ滩牧稀氛n程就是為了使非材料專業(yè)工程技術(shù)人員，對各類工程材料有所了解而開設(shè)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(chǔ)。金屬材料具有良好的機(jī)械性能，是由它的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組織所決定的。如在航天工業(yè)中鋁及鋁合金得到了廣泛應(yīng)用，是因為鋁合金具有重量輕強(qiáng)度高的特性。金屬材料長期以來得到如此廣泛應(yīng)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。所以，從事機(jī)械設(shè)計與制造的各類工程技術(shù)人員，都必須對其經(jīng)常使用的各類材料有一定的了解。機(jī)械工程材料培訓(xùn)講義作者：日期：《機(jī)械工程材料》授課講義緒 論一. 本課程的性質(zhì)《機(jī)械工程材料》課程是機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的一門必修課，是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。如果選材不當(dāng)，將會使所設(shè)計制造出產(chǎn)品，不能發(fā)揮出最佳性能，并可能導(dǎo)致其使用壽命大大降低；或因選材不當(dāng)，導(dǎo)致成本太高，失去其應(yīng)有的市場競爭力。當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，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(jī)械工業(yè)中使用最多的材料仍然是金屬材料。由于不同的材料具有不同的性能，因此它們的應(yīng)用場合也就不同。因此，主要要求所使用的金屬材料具有良好的機(jī)械性能，而碳鋼和合金鋼具備上述性能要求，所以得到了廣泛應(yīng)用。由于每一個機(jī)械工程技術(shù)人員，在設(shè)計和制造機(jī)械產(chǎn)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(jié)構(gòu)、組織與性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律，也就是應(yīng)該努力學(xué)好本課程。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(zhuǎn)變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，介紹改善與強(qiáng)化鋼的組織與性能的常用熱處理工藝，為合理使用熱處理做準(zhǔn)備。4. 非金屬材料部分：是本書的9~11章，這部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料，由于講課學(xué)時少，只能簡單介紹上述幾類材料的結(jié)構(gòu)、組織與性能特點，為初步了解有關(guān)非金屬材料的基礎(chǔ)知識，打一點基礎(chǔ)。為了盡量保證課程體系的完整性，我們重點介紹1~8章內(nèi)容，9~12章內(nèi)容根據(jù)教學(xué)進(jìn)度與時間，只作簡單介紹。第一章 金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶167。大家知道物質(zhì)按其形態(tài)不同，可分為固體、液體和氣體。如：金屬，天然金剛石，結(jié)晶鹽，水晶，冰等三. 非晶體：組成固態(tài)物質(zhì)的最基本的質(zhì)點，在三維空間中無規(guī)則堆砌。如：食鹽NaCl（離子鍵），金剛石（共價鍵）都是非金屬晶體。3. 不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。 晶體結(jié)構(gòu)不管是金屬晶體還是非金屬晶體，其晶體結(jié)構(gòu)如何，與組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點（可以是原子、分子或離子，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(guān)。該模型雖然很直觀，立體感強(qiáng)，但不利于觀察晶體內(nèi)部質(zhì)點的排列方式。（b）。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(jié)構(gòu)單元，來研究晶體結(jié)構(gòu)的特征。因此可以說，晶胞就是構(gòu)成晶格的細(xì)胞。為了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一頂角為坐標(biāo)原點，以x、y、z為晶軸， (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。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)的晶體屬于同一晶系。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。（a），(b)，(c)三種不同的晶體結(jié)構(gòu)都屬于（d）這種空間點陣。1. 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的形貌（a）為體心立方結(jié)構(gòu)，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(yīng)。2. 描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要參數(shù)由于在金屬晶體中，一個原子與空間點陣中的一個陣點相對應(yīng)，所以我們可以用剛性球體模型，計算出其晶體結(jié)構(gòu)中的下列重要參數(shù)。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(dá)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。晶向 是金屬晶體中原子在任何方向所組成的直線。(坐標(biāo)原點不可設(shè)在所求晶面上)所求晶面與坐標(biāo)軸平行時,截距為∞；2) 取晶面與三個坐標(biāo)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(nèi)，即得所求晶面的晶面指數(shù)，一般用（hkl）表示。而（110），（101），（011），（ī10），（ī01），（0ī1）就屬于{110}晶面族。2. 晶向指數(shù)的確定1) 建立坐標(biāo),將所求晶向的一端放在坐標(biāo)原點上(或從坐標(biāo)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(jié)點的三個坐標(biāo)值；3) 將所得坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，放入方括號內(nèi)，即得所求晶向的晶向指數(shù)一般用[uvw]表示。但在對稱性較差的非立方晶系中，一般不存在這種關(guān)系。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。如果采用四個坐標(biāo)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(guān)系。它也可以先用三個坐標(biāo)確定，再根據(jù)i=(h+k)的關(guān)系，加上第四個指數(shù)。用四個坐標(biāo)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(guān)系。如體心立方結(jié)構(gòu)αFe單晶體的彈性模量E，在111方向E111 =105 MPa，而在100方向E100 =105 MPa，兩者相差兩倍多。多晶體中各晶粒相當(dāng)于一個小的單晶體，它具有各向異性。 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(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點上都有原子排列而成的晶體。但是實際金屬材料的每個晶粒中，還存在著各種晶體缺陷。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。而金屬中含有少量雜質(zhì)元素時，才可能形成異類間隙原子和置換原子；當(dāng)有尺寸不同的兩種雜質(zhì)原子時，才可能形成大小不同的置換原子。如果它跳到晶格間隙處，則形成同類間隙原子。二. 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。EFGH面為多余半原子面，EF線為位錯線。(3) 螺型位錯：（左端也行）加切應(yīng)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(chǎn)生的原子錯排現(xiàn)象，由于該錯排區(qū)成螺旋型管道狀，(b) 、(c)故稱為螺型位錯。在退火態(tài)金屬中ρ≈ 106108cm2 ，而經(jīng)冷形變后ρ↑到1011 ~1012 cm2。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