第一章工程材料的结构与性能

第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。

塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。

冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。

疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。

σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。

bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。

sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。

HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。

（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。

5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。

（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。

利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。

非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。

近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。

（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。

2 共价键和分子键，共价键，分子键。

3 强。

4 强。

（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。

《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。

本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。

掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。

Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。

第一章材料的结构与性能固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。

所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。

材料的相互作用组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。

主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

离子键形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。

特性：离子键没有方向性，无饱和性。

NaCI晶体结构如图NH1晶体结构性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。

典型的离子晶体是无色透明的。

共价键形成：元素周期表中的W A、皿、W A族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。

这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。

氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。

性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度咼、脆性大，熔点、沸点咼，挥发度低。

金属键形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。

如图所示。

性能特点：1）良好的导电性及导热性；2）正的电阻温度系数；3）良好的强度及塑性；4）特有的金属光泽。

分子键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。

但其绝缘性良好。

材料的结合键类型不同，则其性能不同。

常见结合键的特性见表1-1晶体材料的原子排列所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。

晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

理想的晶体结构1•晶体的基本概念(1) 晶格与晶胞晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。

从晶格中取出一个 最能代表原子排列特征的最基本的几何单元， 称为晶胞。

晶胞各棱边 的尺寸称为晶格常数。

简单立方晶格、晶胞示意图(2) 晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系(3) 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距 离的一半。

材料学绪论一、本课程的性质一门研究材料的化学成分，加工工艺，组织、性能及应用几者之间的内在联系，分析如何运用材料科学的基础知识解决各实际问题的综合性，实践性极强的专业课。

二、本课程的目的使学生掌握如下能力：1、对各类工件所用材料进行合理选材和制定正确的热处理工艺（或其它加工工艺），以满足其使用要求。

2、解决工件加工和使用中出现的各类早期失效问题。

3、从事新材料、新工艺的开发和研制的初步能力。

三、工程材料定义工程材料（结构材料）：用来制备在工作环境下承受载荷的工件的材料。

四、参考书工程材料朱张校清华大学出版社金属材料学王笑天机械工业出版社复合材料（二十一世纪新材料丛书）吴人洁天津大学出版社第一章钢的合金化基础一、合金元素（Me）的定义碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S、P、Si、Mn、O、H、N……）合金钢：Fe+C+合金元素（Me）+杂质元素合金元素：以改善钢的工艺性能和使用性能为目的，人为添加到钢中的元素。

锰（Mn）铬（Cr）钼（Mo）钨（W）钒（V）铌（Nb）钛（Ti）镍（Ni）铜（Cu）钴（Co）硅（Si）硼（B）氮（N）铝（AL）稀土（RE）杂质元素：混入钢中的元素硫（S）磷（P）硅（Si）锰（Mn）氧（O）氢（H）氮（N）二、合金元素的分类及性质1、分类a、按是否形成碳化物（c’）分为：（1）碳化物（c’）形成元素：弱碳化物形成元素，Mn——Mn3C（固溶态）；强碳化物形成元素（Me强）Cr、Mo、W、V、Nb、Ti，其中：Cr、Mo、W（部分固溶态，部分化合态），V、Nb、Ti（化合态）。

（2）非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、B、Cu、Co、RE（固溶态）b、按对Fe-Fe3C相图各区的影响不同分为：（1）扩大F区元素（固溶态）：Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Si（提高A1、A3，使S点左移）。

（2）扩大A区元素：Ni、Cu、Mn、C、N（降低A自由能（G A），增加A 稳定性）。

工程材料复习思考题（全）《机械工程材料》复习思考题陈永泰第一章材料的性能1材料的力学性能主要存有哪些？强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。

2详述低碳钢的形变－快速反应曲线（分成几个阶段，各特征点则表示什么含义）。

弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈变小阶段。

（画图）第二章材料的结构1体心立方晶格的墨排面和YCl方向各存有那些？面心立方晶格呢？{110}，<111>；{111}，<110>2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？①多晶体结构；②具备晶体缺陷。

3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，势能制约越多，必须协同的具备相同李昭道的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而引致金属强度和硬度越高。

金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。

4名词解释：二者固溶体金属化合物固溶加强云气加强二者：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分存有界面分离的光滑组成部分。

固溶体：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构相同的固相称作固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称作金属化合物。

固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固溶强化。

云气加强：即为结晶加强。

若合金中的第二相以细小云气的微粒均匀分布在基体上，则可以明显提升合金的强度，称作云气加强。

5固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）1固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。

工程材料第四版答案工程材料习题与辅导(第4版) 第一二章答案主编朱张校姚可夫主编第1章材料的结构与性能特点1.1 教学指导1. 教学要求本章重点阐明金属材料的晶体结构，简要阐述晶体缺陷和合金的结构，一般介绍金属材料的组织及性能。

简要阐述高分子材料的结构与性能，一般介绍陶瓷材料的结构与性能。

2. 教学目标学生应重点掌握金属材料的晶体结构，熟悉晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。

熟悉高分子材料的结构与性能。

一般了解陶瓷材料的结构与性能。

3. 教学建议(1) 晶体结构部分应重点阐明三种常见金属的晶体结构及特点。

(2) 学生在学习时对“晶面指数及晶向指数的确定”部分的内容会感到困难。

要求学生多练多画，掌握常见的晶面和晶向的表示方法。

(3) 简要阐述高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。

(4) 建议本章学时：8～9 学时。

1.2 习题参考答案1. 解释名词致密度、晶体的各向异性、刃型位错、柏氏矢量、固溶体、固溶强化、金属化合物、组织、组织组成物、疲劳强度、断裂韧性、单体、链节、热塑性、热固性、柔性、玻璃态、高弹态、粘流态答: 致密度: 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数).晶体的各向异性: 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能是不同的。

这种性质叫做晶体的各向异性。

刃型位错: 在金属晶体中，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。

这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。

这种线缺陷称刃型位错。

柏氏矢量: 首先指定位错线的方向。

右手拇指指向位错线方向，四指弯曲，回绕位错线作一回路，每个方向上经过的原子个数相同，回路不能闭合。

连接起始点至终点得一矢量，该矢量称为柏氏矢量，用b表示。

它可以反映该位错的性质。

固溶体: 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。

⼯程材料及机械制造基础习题答案《⼯程材料及机械制造基础》习题参考答案第⼀章材料的种类与性能（P7）１、⾦属材料的使⽤性能包括哪些？⼒学性能、物理性能、化学性能等。

２、什么是⾦属的⼒学性能？它包括那些主要⼒学指标？⾦属材料的⼒学性能：⾦属材料在外⼒作⽤下所表现出来的与弹性和⾮弹性反应相关或涉及⼒与应变关系的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

３、⼀根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最⼤载荷为多少？断⾯收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛⽒硬度的测试原理。

以压头压⼊⾦属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

5、什么是蠕变和应⼒松弛？蠕变：⾦属在长时间恒温、恒应⼒作⽤下，发⽣缓慢塑性变形的现象。

应⼒松弛：承受弹性变形的零件，在⼯作过程中总变形量不变，但随时间的延长，⼯作应⼒逐渐衰减的现象。

6、⾦属腐蚀的⽅式主要有哪⼏种？⾦属防腐的⽅法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。

防腐⽅法：1）改变⾦属的化学成分；2）通过覆盖法将⾦属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。

第⼆章材料的组织结构（P26）1、简述⾦属三种典型结构的特点。

体⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的中⼼和每个顶⾓各有⼀个原⼦。

每个体⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：2个。

塑性较好。

⾯⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的8个顶⾓和6个⾯的中⼼各有⼀个原⼦。

每个⾯⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：4个。

塑性优于体⼼⽴⽅晶格的⾦属。

密排六⽅晶格：晶格属于六⽅棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项⾓上各有⼀个原⼦，两个端⾯的中⼼各有⼀个原⼦，晶胞内部有三个原⼦。

每个密排六⽅晶胞原⼦数为：6个，较脆2、⾦属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和⾯缺陷。

使⾦属抵抗塑性变形的能⼒提⾼，从⽽使⾦属强度、硬度提⾼，但防腐蚀能⼒下降。

3、合⾦元素在⾦属中存在的形式有哪⼏种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和⾦属化合物两种。

道路建筑材料第六版第一章答案1.1填空题工程材料习题1、材料的结构与性能特点(1)同非金属相比,金属的主要特性是(①热和电的良导体②正的电阻温度系数③不透明、有金属光泽④塑性高、强韧性好)。

(2)晶体与非晶体结构上最根本的区别是(晶体内原子排列是有规则、周期性的)。

(3)在立方晶系中,{120}晶面族包括((120)(102)(012))等晶面。

(4)fah-fee的一个晶胞内的原子数为(4)。

1.2.选择正确答案(1)晶体中的位错属于:a.体缺陷b.面缺陷c.线缺陷d.点缺陷(2)在面心立方晶格中,原子密度最大的晶向是a.<100>b.<110>c.<111>d.<120>(3)在体心立方晶格中,原子密度最大的晶面;a.<100>b.<110>c.<111>d.<120>(4)固溶体的晶体结构:a.与溶剂相同b.与溶质相同c.与其他晶型相同(5)间隙相的性能特点是:a.熔点高、硬度低b.硬度高、熔点低.c硬度高、熔点高1.4.综合分析题(1)在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和【211】、【-1 20】晶向。

(2)fah-fee、AI、Cu、Ni、V、Mg、Zn各属何种晶体结构?答:①体心立方:Fah-fee、V②面心立方:Al、Cu、Ni③密排六方:Mg、Zn(6)实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?答:实际金属晶体中存在:点、线、面缺陷,引起晶格畸变。

a.点缺陷:使电阻率和强度增加。

b.面缺陷:使塑性、强度增加。

c.线缺陷(位错):在冷变形时,使强度增加、塑性降低。

(8)什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?答:固溶强化:形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。

固溶强化原因:溶质原子引起晶格畸变,使变形抗力增加。

(9)间隙固溶体和间隙相有什么不同?答:间隙固溶体:晶格类型与溶剂相同。

工程材料的结构与性能分析在工程领域中，材料的结构和性能是至关重要的因素。

工程材料的结构指的是其原子、晶体或分子的组织方式，而性能则是指材料在实际工程应用中所表现出的特性和功能。

深入了解工程材料的结构与性能分析，对于合理选择材料、提高工程质量、增加材料寿命具有重要意义。

一、工程材料的结构分析1. 原子结构分析工程材料的基本组成单位是原子。

原子的种类、排列方式以及相互之间的结合方式对材料的性能产生重要影响。

常用的原子结构分析方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。

X射线衍射可以通过材料对X射线的散射模式来确定晶体结构和晶格参数。

SEM可以通过扫描样品表面反射出的电子束来观察材料的表面形貌，并了解材料的晶粒大小和分布情况。

TEM则能够提供更高分辨率的图像，揭示材料的原子结构和晶体缺陷。

2. 晶体结构分析晶体是由原子或离子按照一定规则排列组成的材料。

晶体结构对材料的物理性质具有重要影响，如导电性、导热性等。

X射线衍射、能量散射谱(EDS)、电子能谱(ES)等技术可用于分析和确定晶体结构。

X射线衍射是常用的晶体结构分析方法，通过测量样品对入射X射线的散射强度和散射角度，确定晶体的结构。

EDS 技术能够对材料进行定性和定量分析，了解晶体中的元素组成情况。

ES技术可以定性分析样品表面的元素和化合物。

3. 分子结构分析部分工程材料可以看作是由分子组成的化合物。

了解分子结构对于研究材料的性质具有重要意义。

光谱学、质谱学和核磁共振(NMR)等技术常用于分析和确定分子结构。

红外光谱(FT-IR)可以通过分析材料吸收或散射的红外辐射来确定其分子结构。

质谱学则利用质谱仪分析样品中的离子质荷比，确定分子的通式和分子量。

NMR技术则能够通过测量样品中原子核的谱线来确定分子结构。

二、工程材料的性能分析1. 机械性能分析工程材料的机械性能是指其在外力作用下的变形、破坏和抗疲劳能力等特性。

常用的机械性能分析方法包括拉伸试验、冲击试验、硬度测试等。