工程材料—金属材料的结构与组织

工程材料—金属材料的结构与组织金属材料是工程中最常用的材料之一，广泛应用于建筑、交通、机械、电子等领域。

金属材料的主要特点是具有良好的导电性、导热性、塑性和可焊性。

这些特点使得金属材料在工程中得到广泛应用。

而金属材料的结构和组织对其性能有着重要的影响。

金属材料的结构主要包括晶格结构、晶界和晶粒等。

晶格结构是指金属原子在空间中的有序排列方式。

根据金属原子的排列方式可以分为立方晶系（包括体心立方、面心立方和简单立方）、六方晶系和正交晶系等。

不同晶格结构的金属材料具有不同的性质。

例如，立方晶系的金属材料具有较好的塑性和可焊性，而六方晶系的金属材料具有较高的硬度和强度。

晶格结构对金属材料的导电性和导热性也有一定的影响。

晶界是相邻晶粒之间的界面区域。

晶界的存在对金属材料的性能有着重要的影响。

晶界可以影响金属材料的力学性能、导电性能和光学性能等。

晶界的存在在金属材料中常常会引起晶界势垒。

这种势垒会限制位错的运动，从而影响金属材料的塑性和可焊性。

此外，晶界还可以影响金属材料的导电性和导热性。

晶界的存在会造成电子和热量的散射，从而降低金属材料的导电性和导热性能。

晶粒是金属材料中的基本组织单元。

晶粒是一个由许多金属晶体组成的区域。

晶粒的尺寸和形状对金属材料的性能有着重要的影响。

晶粒的尺寸通常用晶粒平均直径来表示。

晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越差。

这是因为小尺寸的晶粒增加了晶界的数量，从而削弱了金属材料的塑性。

另外，晶粒的形状也会影响金属材料的性能。

例如，金属材料中的拉伸试样通常会出现晶粒拉伸的现象，因此晶粒的形状会对金属材料的延伸性能产生影响。

在工程实践中，通过控制金属材料的结构和组织，可以改变其性能，例如提高强度、硬度、耐蚀性和耐磨性等。

常用的控制手段包括热处理和合金化。

热处理是通过加热和冷却金属材料，改变其晶格结构和晶粒尺寸，从而影响其性能。

合金化是指将其他金属元素加入到基体金属中，形成合金材料。

金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。

即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。

造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。

金属材料是靠原子间金属键结合起来的。

金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。

（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。

2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。

一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。

晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。

②具有规则的几何外形。

③具有“各向异性”。

二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。

将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。

2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。

3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。

三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。

除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。

1.工艺性能：材料对各种工艺性的适应能力。

2.晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵成为晶格。

3.组织：在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布（基本组织）。

4.相：合金中，化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀区域。

5.固溶强化：融入液质元素形成固溶而使金属的强度、硬度升高的现象成为固溶强化。

6.固溶件：合金结晶成固态时，含量少的组元（溶质）原子分布在含量多的组元（溶剂）晶格中形成一种与溶剂油相同晶格的相，称为固溶件。

7.细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。

8.同素异构转变：金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象。

9.共晶转变：合金系中某一定化学成份的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成份和不同晶体结构的固相。

10.共析转变：在某一恒定温度时，一定成分的固相又重新结晶成两个不同的固相的机械混合物。

11.过冷度：理论结晶温度与实际结晶之差称为过冷度。

12.加工硬化：随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加而塑性下降的现象。

13.再结晶：P50.14.铁素体：铁素体是碳原子固溶到α—Fe中形成的间隙固溶体，代号为F或α。

15.奥氏体：碳原子固溶到γFe中形成的间隙固溶体，代号为A或γ。

16.珠光体：铁素体与渗碳体的两相机械混合物的共析体，代号为P，有固定化学成分Wc=0.77%17.相图：是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。

18.退火：将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

19.正火：将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上30C~50C，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。

20.淬火：是将钢件加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于Vk的速度冷却获得马氏体和（或）下贝氏体组织的热处理工艺。

工程材料第二章金属材料组织和性能的控制一、名词解释。

一次结晶过冷度二次结晶自发晶核非自发晶核同素异构转变变质处置相图支晶偏析扩散退火变质处置共晶反映组织（组成物）变形织构加工硬化再结晶临界变形度热处置过冷奥氏体退火马氏体淬透性淬硬性调质处置滑移再结晶冷加工热加工过冷度实际晶粒度本质晶粒度淬火回火正火一次结晶：通常把金属从液态转变成固体晶态的进程称为一次结晶过冷度：理论结晶温度与开始结晶温度之差叫做过冷度，它表明金属在液体和固态之间存在一个自能差二次结晶：金属从一种固体晶态转变成另一种固体晶态的进程称为二次结晶或重结晶（或金属的同素异构转变）自发晶核：从液体结构内部由金属原子本身自发长出的结晶核心叫做自发晶核非自发结晶：杂质的存在常常能够增进晶核形成，依附于杂质而生成的晶核叫做非自发结晶同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象，称为同素异构转变变质处置：指在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非自发晶核的数量或阻止晶核的长大，以细化晶粒和改善组织相图：是表明合金系中各类合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示用意，也称为平衡图或状态图支晶偏析：固溶体在结晶进程中冷却过快，原子扩散不能充分形成成份不均匀的固溶体的现象扩散退火：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成份和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时刻保温并进行缓慢冷却的热处置工艺，称为扩散退火或均匀化退火共晶反映：有一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反映组织（组成物）：指合金组织中具有肯定本质、必然形成机制的特殊形态的组成部份。

组织组成物能够是单相，或是两相混合物变形织构：金属塑性变形专门大（变形量达到70%以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，这种结构叫做形变织构加工硬化：金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化再结晶：变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉成（或压扁）破碎的晶粒通过从头形核和长大变成新的均匀、细小的等轴晶，那个进程称为再结晶临界变形度：再结晶时使晶粒发生异样长大的预先变形度称做临界变形度热处置：是将固态金属或合金在必然介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而取得所需性能的工艺过冷奥氏体：从铁碳相图可知，当温度在A1（PSK线/共析反映线）以上时奥氏体是稳固的，能长期存在，当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体（过冷A）退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一按时刻，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）热处置工艺叫做退火-马氏体：碳在α－Fe中的过饱和固溶体淬透性：钢同意淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性淬硬性：钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性调质处置：通常把淬火加高温回火称为调质处置滑移：在切应力的作用下，晶体的一部份沿必然的晶面（滑移面）上的必然方向（滑移方向）相对于另一部份发生滑动的进程叫做滑移冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工实际晶粒度：某一具体的热处置或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度本质晶粒度：钢加热到（930±10℃），保温8h，冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度淬火：将钢加热到相变温度以上，保温一按时刻，然后快速冷却以取得马氏体组织的热处置工艺称为淬火回火：钢件淬火后，为了消除内应力并取得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1(PSK线/共析反映线)以下某一温度，保温一按时刻，然后冷却到室温的热处置工艺叫做回火正火：钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）、Ac1（对于共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30~50℃，保温适那时刻后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处置称为正火一次渗碳体是从液相包晶进程中直接析出二次渗碳体是从奥氏体中析出三次渗碳体是从铁素体中析出珠光体：铁素体+渗碳体高温莱氏体Le（A+Fe3C）：奥氏体+渗碳体低温莱氏体Le’(P+Fe3CⅡ+Fe3C)：珠光体+二次渗碳体+渗碳体二、填空。

2023年金属材料工程专业特色简介金属材料工程专业是属于材料工程学科的一种专业，其主要学习内容是金属材料的组织、结构、性能及其工程应用技术。

这个专业的就业前景非常广泛，主要涵盖了金属材料研究、生产加工以及金属材料应用在各个领域的技术开发等方面。

下面简单介绍金属材料工程专业的特色。

1.金属材料的组织、结构与性能的研究金属材料工程专业的学习重点在于掌握金属材料的组织、结构与性能的研究方法，了解金属材料在不同情况下的物理和化学变化等。

通过对金属材料内部的晶格、晶粒等结构组成的研究，可以揭示其材料特性和性能的变化。

从而在不同领域的工程实践中，全面应用金属材料的特性与优势。

2.金属材料加工工艺的研究除了学习金属材料的组织、结构与性能的研究，金属材料工程专业还需要了解金属材料的加工工艺，包括金属材料的成型、加工、焊接等技术，以及开展相关的生产和技术管理工作。

掌握这些技术及其应用，可以研发出符合不同需求的金属材料产品，为各个领域提供支持。

3. 不断更新的先进技术研究随着科技的不断发展，金属材料工程专业也需要不断更新和研究新型的先进技术。

这需要专业学生们，拥有极强的创新思维及问题解决能力，不断更新自己的知识体系，有效地应对新的技术挑战及应用场景。

4.就业领域广泛并具潜力金属材料工程专业的毕业生，可以在金属材料与制造领域（如钢铁、航空、轨道交通、能源、环保等领域）从事工程、技术、管理等方面的工作。

同时，技术家链路中的延伸，行业的多维度发展，金属材料工程专业还可以涉足到相关学科的教育、研究、开发等领域，为不同领域的科技发展贡献力量。

5.金属材料工程专业应用广泛金属材料工程专业采用的知识与技术，已经广泛应用在各个领域中，包括制造业、航空、能源、汽车等等。

因此，从事金属材料工程专业的相关工作，可以为各个领域提供技术支持与服务，使其在业务与研发中更加具有竞争力。

总结以上就是金属材料工程专业的主要特色，它涵盖了材料结构和性能研究，金属材料加工及技术应用等方面，只有掌握这些核心技术，才能够在今后不同领域的工作中更加合理实用，为社会发展做出更大贡献。

工程材料参考答案第1章机械工程对材料性能的要求思考题与习题P201.3、机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？p4工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。

有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。

在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。

1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。

在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其它相关性能来决定。

机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。

在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要由材料的强度及其它力学性能所决定。

在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。

1.5常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？p17机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。

1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？硬度试验有以下优点：●试验设备简单，操作迅速方便；●试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；●硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；●材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；●硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。

工程材料习题第1章材料的结构与性能1.1金属材料的结构与组织（一）解释名词晶格、晶胞、晶粒、亚晶粒、晶界、晶体的各向异性、空位、刃型位错；合金、组元、相、组织、组织组成物、中间相、化合物；固溶体、间隙固溶体、置换固溶体、有限固溶体、无限固溶体；金属化合物、正常价化合物及其特点，电子化合物及其特点，间隙化合物、间隙相及其特点；强度、硬度、塑性、韧性。

（二）填空题2．金属晶体中最主要的面缺陷是和。

3．点缺陷有和两种；面缺陷中存在大量的。

4．γ-Fe、α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为和。

5. 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度。

8、金属材料的使用性能是指、金属材料的工艺性能是指。

9、屈服极限指标是，抗拉强度指标是。

10、表示塑性的指标是和。

（三）是非题1．因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。

（）（四）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．α-Fe和γ-Fe分别属于什么晶格类型：a．面心立方和体心立方；b．体心立方和面心立方；c．均为面心立方；d．均为体心立方。

3. 固溶体的晶体结构与a．溶剂；b．溶质；c．其它晶型相同。

第二章金属材料组织和性能的控制2.1 纯金属的结晶（一）解释名词结晶、过冷度、自发晶核、非自发晶核、变质处理、同素异构转变。

（二）填空题1．结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是和。

2．在金属学中，通常把金属从液态过渡为固体晶态的转变称为；而把金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为。

3．过冷度是指，其表示符号为。

4．过冷是结晶的条件。

5．细化晶粒可以通过、、和等途径实现。

6、在一般情况下，晶粒越小，则金属的、越好。

所以工程上使晶粒细化，是提高重要途径之一。

（三）是非题1．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。

（）2．室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。

（）（四）选择正确答案1．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：a．越高；b．越低；c．越接近理论结晶温度。