【正文】 長(zhǎng)度，用a、b、c表示，稱(chēng)為點(diǎn)陣常數(shù)，單位用nm或埃1197。 反映晶胞的參數(shù)：由于不同的晶體其晶格結(jié)構(gòu)不同，故取出的晶胞也不相同。利用晶胞來(lái)反映晶體中原子的排列方式和特征，將更為方便。由于晶胞中原子的排列規(guī)律，能夠完全代表晶格中原子的排列規(guī)律，所以晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌便構(gòu)成了晶格。這個(gè)能夠反映晶格結(jié)構(gòu)的最基本的結(jié)構(gòu)單元就稱(chēng)為晶胞。由于晶體的特點(diǎn)是，原子在三維空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。顯然用抽象了的晶格模型來(lái)研究晶體結(jié)構(gòu)就方便多了。2)晶體的晶格模型用假想的平行直線將陣點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)，就構(gòu)成了晶體的晶格模型，也稱(chēng)空間格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。針對(duì)這一缺陷科技工作者進(jìn)一步提出了晶體的晶格模型。1. 晶體的球體模型就是把組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，看作為靜止的剛性小球，他們?cè)谌S空間周期性規(guī)則堆垛而成，（a）?？萍脊ぷ髡咭话闶怯镁w結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述。167。自由電子吸收可見(jiàn)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(shí)，將吸收的可見(jiàn)光能量輻射出來(lái)，產(chǎn)生金屬光澤。2. 正的電阻溫度系數(shù)：即隨溫度升高，電阻增大，因?yàn)榻饘僬x子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運(yùn)動(dòng)，從而使電阻升高。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(shí)，彼此失去最外層子電子（過(guò)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(kù)倉(cāng)引力），這種結(jié)合方式稱(chēng)為金屬鍵，見(jiàn)P2頁(yè)圖11。晶體通常又可分為金屬晶體和非金屬晶體，純金屬及合金都屬于金屬晶體，其原子間主要以金屬鍵結(jié)合，而非金屬晶體主要以離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合。這樣的物質(zhì)稱(chēng)為非晶體。這樣的物質(zhì)稱(chēng)為晶體。而固體又可分晶體和非晶體。合金按其所含元素?cái)?shù)目的不同，又可分為二元合金、三元合金和多元合金。 幾個(gè)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(chēng)為金屬材料。3. 能正確選擇常用工程材料，合理制訂其生產(chǎn)工藝流程。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(shí)。這與我校實(shí)際教學(xué)計(jì)劃相差較大，故在教學(xué)過(guò)程中只能對(duì)各章節(jié)進(jìn)行適當(dāng)刪減和壓縮。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(shū)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。以上三部分是本課程的重點(diǎn)，其中5~8章更是全書(shū)重點(diǎn)。3. 金屬材料部分：是本書(shū)的6~8章，這部分主要結(jié)合金屬學(xué)與熱處理基本知識(shí)，較全面地介紹常用金屬材料的牌號(hào)、成分、組織與性能特點(diǎn)及用途，為正確選用金屬材料打基礎(chǔ)。它主要包括金屬材料的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過(guò)程、塑性變形、回復(fù)與再結(jié)晶，以及二元合金相圖、鐵碳合金相圖等；這一部分是隨后兩部分的直接基礎(chǔ)?！豆こ滩牧稀氛n程就是為了使非材料專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員，對(duì)各類(lèi)工程材料有所了解而開(kāi)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)。金屬材料的組織：是指用顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部的組成形貌，故也稱(chēng)為顯微組織。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。在機(jī)械工業(yè)中，由于機(jī)械產(chǎn)品在使用過(guò)程中，主要承受各種力的作用。如在航天工業(yè)中鋁及鋁合金得到了廣泛應(yīng)用，是因?yàn)殇X合金具有重量輕強(qiáng)度高的特性。金屬材料的加工工藝性能：鑄造性能（如流動(dòng)性、收縮性等），鍛造性能（如壓力加工成型性等），切削加工性能（如車(chē)、銑、刨、磨的切削量，光潔度等），焊接性能（如熔焊性、焊縫強(qiáng)度、偏析等），熱處理性能（如淬透性、回火穩(wěn)定性等）。金屬材料長(zhǎng)期以來(lái)得到如此廣泛應(yīng)用，其主要原因是，因?yàn)樗邇?yōu)良的使用性能和加工工藝性能。工程材料主要包括金屬材料和非金屬材料兩大類(lèi)，金屬材料又可分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩類(lèi)，黑色金屬材料主要指各類(lèi)鋼和鑄鐵，有色金屬材料主要指鋁及鋁合金、銅及銅合金以及滑動(dòng)軸承合金等；非金屬材料包括高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料等。所以，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的各類(lèi)工程技術(shù)人員，都必須對(duì)其經(jīng)常使用的各類(lèi)材料有一定的了解。大家知道不管是服裝設(shè)計(jì)師，還是家用電器設(shè)計(jì)師，以及各種機(jī)械設(shè)備、汽車(chē)、船舶、飛機(jī)和軍用裝備設(shè)計(jì)師，在他們精心設(shè)計(jì)出自己的作品后，都需要選用恰當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)制造，從而保證制成的產(chǎn)品具有最佳形貌和性能。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(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)必修課，是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。計(jì)劃講課：26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)：6學(xué)時(shí)，學(xué)分：2個(gè)。如果選材不當(dāng)，將會(huì)使所設(shè)計(jì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。工程材料：主要是指機(jī)械、船舶、建筑、化工、交通運(yùn)輸、航空航天等各項(xiàng)工程中經(jīng)常使用的各類(lèi)材料。當(dāng)今社會(huì)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。金屬材料的使用性能：機(jī)械性能（如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等），物理性能（如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、電磁、膨脹等），化學(xué)性能（如抗氧化性、耐腐蝕性等）。由于不同的材料具有不同的性能，因此它們的應(yīng)用場(chǎng)合也就不同。而在電子工業(yè)中銀、銅、鋁得到了廣泛的應(yīng)用,是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的導(dǎo)電性。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。金屬材料的結(jié)構(gòu)：是其晶體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它指的是構(gòu)成金屬材料的質(zhì)點(diǎn)（如分子、原子或離子等）的具體組合狀態(tài)、結(jié)合方式和排列情況。由于每一個(gè)機(jī)械工程技術(shù)人員，在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械產(chǎn)品過(guò)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。二. 課程的主要內(nèi)容本課程共設(shè)12章，可分為五個(gè)部分：1. 金屬學(xué)部分：是本書(shū)的1~4章為金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹金屬材料的基本現(xiàn)象、基本概念和材料的組織與性能的變化基本規(guī)律，它是合理選擇、正確使用、以及強(qiáng)化金屬材料的理論基礎(chǔ)。2. 熱處理部分：是本書(shū)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。它主要包括合金鋼、鑄鐵、有色金屬及合金等。4. 非金屬材料部分：是本書(shū)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(shí)少，只能簡(jiǎn)單介紹上述幾類(lèi)材料的結(jié)構(gòu)、組織與性能特點(diǎn)，為初步了解有關(guān)非金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)，打一點(diǎn)基礎(chǔ)。本教材按編者安排全書(shū)講課共需36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。為了盡量保證課程體系的完整性，我們重點(diǎn)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(shí)間，只作簡(jiǎn)單介紹。2. 了解和掌握各類(lèi)工程材料的牌號(hào)、成分，組織與性能之間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律。第一章 金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶167。金屬材料按其所含元素?cái)?shù)目的不同，可分為純金屬（由一個(gè)元素構(gòu)成）和合金（由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素構(gòu)成）。大家知道物質(zhì)按其形態(tài)不同，可分為固體、液體和氣體。二. 晶體組成固態(tài)物質(zhì)的最基本的質(zhì)點(diǎn)（如原子、分子或離子）在三維空間中，作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列，即以長(zhǎng)程有序方式排列。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(diǎn)，在三維空間中無(wú)規(guī)則堆砌。如：玻璃，松香等。如：食鹽NaCl（離子鍵），金剛石（共價(jià)鍵）都是非金屬晶體。五. 金屬特征金屬材料主要以金屬鍵方式結(jié)合，從而使金屬材料具有以下特征：1. 良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：自由電子定向運(yùn)動(dòng)（在電場(chǎng)作用下）導(dǎo)電、（在熱場(chǎng)作用下）導(dǎo)熱。3. 不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見(jiàn)光，使金屬不透明。4. 具有延展性：金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性，所以當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，其結(jié)合鍵不會(huì)被破壞，從而具有延展性。 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(diǎn)（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)。一. 晶體結(jié)構(gòu)模型按晶體結(jié)構(gòu)模型提出的先后，可將晶體結(jié)構(gòu)模型分為球體模型、晶格模型和晶胞模型。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(diǎn)的排列方式。2. 晶體的晶格模型1) 空間點(diǎn)陣將組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)一步抽象為幾何點(diǎn)，這些幾何點(diǎn)在三維空間周期性、規(guī)則地排列成的陣列，稱(chēng)為空間點(diǎn)陣或布喇菲點(diǎn)陣；而這些幾何點(diǎn)稱(chēng)為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)。（b）。3) 晶體的晶胞模型簡(jiǎn)稱(chēng)為晶胞。因此，可以從晶格模型中取出一個(gè)具有代表性的最基本的結(jié)構(gòu)單元，來(lái)研究晶體結(jié)構(gòu)的特征。（c）。因此可以說(shuō)，晶胞就是構(gòu)成晶格的細(xì)胞。所以在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，都是取它的晶胞進(jìn)行研究。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(diǎn)，以x、y、z為晶軸， (c).用晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）和晶軸夾角來(lái)反映晶胞的特征。=10 –8cm （1nm=109m）：為晶胞各棱邊間夾角，用α、β、γ表示。4)晶系與空間點(diǎn)陣a. 晶系：是晶體分類(lèi)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。b. 晶系與空間點(diǎn)陣：根據(jù)每個(gè)陣點(diǎn)具有相同的周?chē)h(huán)境（距離、位向），法國(guó)晶體學(xué)家布喇菲用數(shù)學(xué)方法首先證明，空間點(diǎn)陣只能有14種，它分屬上述七個(gè)晶系。簡(jiǎn)單晶胞只在其平行六面體的八個(gè)頂角上有陣點(diǎn)，屬于該晶胞的陣點(diǎn)數(shù)為1。而復(fù)合晶胞除在八個(gè)頂角上有陣點(diǎn)外，還在其體心、面心（每個(gè)面的中心），或底心（上下底面的中心）有陣點(diǎn)，所以這種晶胞的陣點(diǎn)數(shù)≥2。（a），(b)，(c)三種不同的晶體結(jié)構(gòu)都屬于（d）這種空間點(diǎn)陣。二. 純金屬的三種典型晶體結(jié)構(gòu)由元素周期表可知金屬的種類(lèi)很多，而且它們的晶體結(jié)構(gòu)并不完全相同。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(gè)頂角上各有一個(gè)原子，在體中心有一個(gè)原子，每個(gè)原子與空間點(diǎn)陣中的一個(gè)陣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。（b）為面心立方結(jié)構(gòu)，即在立方晶胞的八個(gè)頂角上各有一個(gè)原子，每個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，γFe等。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(gè)原子與空間點(diǎn)陣中的一個(gè)陣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，所以我們可以用剛性球體模型，計(jì)算出其晶體結(jié)構(gòu)中的下列重要參數(shù)。2) 原子半徑：是利用晶格常數(shù)，算出晶胞中兩相切原子間距離的一半。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(gè)原子的體積，V—晶胞體積，致密度越大，原子排列越緊密。因?yàn)橄嗤叽绲脑?，既使按最緊密方式排也會(huì)存在空隙。晶向 是金屬晶體中原子在任何方向所組成的直線。晶向指數(shù) 表示晶向在晶體中方向的符號(hào)。(坐標(biāo)原點(diǎn)不可設(shè)在所求晶面上)所求晶面與坐標(biāo)軸平行時(shí),截距為∞；2) 取晶面與三個(gè)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(hào)內(nèi)，即得所求晶面的晶面指數(shù)，一般用（hkl）表示。對(duì)于立方晶系由于其對(duì)稱(chēng)性高，所以可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶面歸為同一個(gè)晶面族，用{hkl}表示。而（110），（101），（011），（ī10），（ī01），（0ī1）就屬于{110}晶面族。對(duì)于非立方晶系由于其對(duì)稱(chēng)性較差，所以其晶面指數(shù)數(shù)字相同，而排列次序不同的晶面不屬于同一個(gè)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(diǎn)上(或從坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)的三個(gè)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(hào)內(nèi)，即得所求晶向的晶向指數(shù)一般用[uvw]表示。對(duì)于立方晶系由于其對(duì)稱(chēng)性高，也可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶向歸為同一個(gè)晶向族，用uvw表示，如晶向[100]，[010]，[001]屬于100晶向族。但在對(duì)稱(chēng)性較差的非立方晶系中，一般不存在這種關(guān)系。晶面上原子排列的緊密程度，可用晶面的原子密度（單位面積上的原子數(shù)）表示；晶向上原子排列的緊密程度，可用晶向的原子密度（單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)）表示。通過(guò)計(jì)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(shí)，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(duì)位移的主要原因之一。但用它確定六方晶系的晶面和晶向指數(shù)時(shí)，從其各晶面指數(shù)和晶向指數(shù)中，卻反映不出原子排列情況相同，而空間位向不同的各等同晶面和各等同晶向之間的關(guān)系。如果采用四個(gè)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。由于在二維平面最多只有兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)，則a3=(a1+a2)，因此有i=(h+k), t=(u+v)。它也可以先用三個(gè)坐標(biāo)確定，再根據(jù)i=(h+k)的關(guān)系，加上第四個(gè)指數(shù)。應(yīng)注意沿a3軸移動(dòng)的距離，應(yīng)等于沿a1,a2軸移動(dòng)距離之和的負(fù)值，即滿足t=(u+v)。用四個(gè)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。4. 金屬晶體的各向異性1) 單晶體由一個(gè)晶核所長(zhǎng)成的大晶體,它的原子排列方式和位向完全相同,這樣的晶體稱(chēng)為單晶體。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。單晶體具有各向異性的主要原因是，其晶體中原子在三維空間是規(guī)則排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的緊密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不同）