【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) 在負溫度梯度時按樹枝晶生長、由于在負溫度梯度時，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，在一次晶軸側面也會形成負溫度梯度，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，故結晶首先從型壁開始，液態(tài)金屬的熱量和結晶潛熱都通過型壁和已結晶固相散出，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構有關，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。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異質形核。由實驗發(fā)現(xiàn)異質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，它是單位時間內單位體中形成的晶核數(shù)目，它與過冷度即結晶驅動力大小有關，還與原了活動能力（擴散穩(wěn)遷移能力）有關。 形核和長大一. 形核 液態(tài)金屬在結晶時，其形核方式一般認為主要有兩種：即均質形核（對稱均勻形核）和異質形核（又稱非均勻形核）。、固態(tài)金屬的自由能與溫度的關系曲線，都是單調減上凸曲線，并且兩者斜率不同，由熱力學表達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度大，S液S固，兩曲線交點的溫度為金屬的理論結晶溫度即熔點。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又可形成新的晶核。2. 結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，這是因為在結晶時液態(tài)金屬放出結晶潛熱，補償了液態(tài)金屬向外界散失的熱量，從而維持在恒溫下結晶。二. 結晶過程的宏觀現(xiàn)象研究液態(tài)金屬結晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。由金工實習大家知道絕大多數(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晶界和扭轉晶界。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，見P12頁圖1,24。1) 大角度晶界：大角度晶界的原子結構模型，到目前為止還沒有完全搞清楚。該過渡層有一定的厚度，為了同時適應兩側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。一般認為組成晶體的原子在晶格結點上并不是靜止不動的，而是以晶格結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）；復合空位。晶體缺陷晶體缺陷是晶體內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堆砌就構成理想的單晶體。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)單晶體的屈服強度、導磁性、導電性等性能，也存在著明顯的各向異性。見P8頁第10~。而用四個坐標軸確定晶向指數(shù)時，必須從坐標原點出發(fā)，沿平行于四個坐標軸的方向依次移動，最后到達所求晶向上的某一結點。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。屬于這種晶體結構的純金屬有αFe,Cr,Mo,W,V等。因此可以說空間點陣是有限的（只能有14種），而晶體結構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構的最基本的結構單元就稱為晶胞。顯然用抽象了的晶格模型來研究晶體結構就方便多了。針對這一缺陷科技工作者進一步提出了晶體的晶格模型?？萍脊ぷ髡咭话闶怯镁w結構模型進行描述。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合鍵，它是大量金屬原子結合成固體時，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烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結合方式稱為金屬鍵，見P2頁圖11。這樣的物質稱為非晶體。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成的，具有一般金屬特性的材料，統(tǒng)稱為金屬材料。三. 學習目的與要求1. 了解和掌握所學工程材料方面的基本理論和基本知識。5. 材料的機械性能及機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械性能指標，和機械零件的失效形式、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，這部分主要結合金屬學與熱處理基本知識，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?！豆こ滩牧稀氛n程就是為了使非材料專業(yè)工程技術人員，對各類工程材料有所了解而開設的，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。金屬材料具有良好的機械性能，是由它的成分和內部結構與組織所決定的。如在航天工業(yè)中鋁及鋁合金得到了廣泛應用，是因為鋁合金具有重量輕強度高的特性。金屬材料長期以來得到如此廣泛應用，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，從事機械設計與制造的各類工程技術人員，都必須對其經(jīng)常使用的各類材料有一定的了解。機械工程材料培訓講義作者：日期：《機械工程材料》授課講義緒 論一. 本課程的性質《機械工程材料》課程是機械設計制造及自動化專業(yè)的一門必修課，是一門重要的技術基礎課。如果選材不當，將會使所設計制造出產(chǎn)品，不能發(fā)揮出最佳性能，并可能導致其使用壽命大大降低；或因選材不當，導致成本太高，失去其應有的市場競爭力。當今社會科學技術突飛猛進，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，所以得到了廣泛應用。由于每一個機械工程技術人員，在設計和制造機械產(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、結構、組織與性能之間的關系及其變化規(guī)律，也就是應該努力學好本課程。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變規(guī)律，并在此基礎上，介紹改善與強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、陶瓷材料和復合材料，由于講課學時少，只能簡單介紹上述幾類材料的結構、組織與性能特點，為初步了解有關非金屬材料的基礎知識，打一點基礎。為了盡量保證課程體系的完整性，我們重點介紹1~8章內容，9~12章內容根據(jù)教學進度與時間，只作簡單介紹。第一章 金屬的結構和結晶167。大家知道物質按其形態(tài)不同，可分為固體、液體和氣體。如：金屬，天然金剛石，結晶鹽，水晶，冰等三. 非晶體：組成固態(tài)物質的最基本的質點，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。 晶體結構不管是金屬晶體還是非金屬晶體，其晶體結構如何，與組成晶體的物質質點（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。該模型雖然很直觀，立體感強，但不利于觀察晶體內部質點的排列方式。（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構單元，來研究晶體結構的特征。因此可以說，晶胞就是構成晶格的細胞。為了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一頂角為坐標原點，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)三種不同的晶體結構都屬于（d）這種空間點陣。1. 三種典型晶體結構的形貌（a）為體心立方結構，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。2. 描述金屬晶體結構的一些重要參數(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，所以我們可以用剛性球體模型，計算出其晶體結構中的下列重要參數(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。(坐標原點不可設在所求晶面上)所求晶面與坐標軸平行時,截距為∞；2) 取晶面與三個坐標軸截距的倒數(shù)；3) 將所得倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，放入圓括號內，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,將所求晶向的一端放在坐標原點上(或從坐標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點的三個坐標值；3) 將所得坐標值按比例化為最小整數(shù)，放入方括號內，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系。它也可以先用三個坐標確定，再根據(jù)i=(h+k)的關系，加上第四個指數(shù)。用四個坐標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系。如體心立方結構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格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結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元素時，才可能形成異類間隙原子和置換原子；當有尺寸不同的兩種雜質原子時，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