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金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)1. 引言1.1 概述金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。
金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。
1.2 文章结构本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。
首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。
1.3 目的本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。
通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。
这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材料的设计和应用。
2. 晶粒晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。
每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。
2.1 定义与特征晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。
它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。
每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。
2.2 形成机制与生长过程初始时，金属材料以液态或气态形式存在。
当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。
这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。
这个过程叫做再结晶或冷却结晶。
2.3 晶粒大小与材料性能的关系晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。
《材料科学基础》上半学期内容重点第一章固体材料的结构基础知识键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念；晶体的特性（5个）；晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类；晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子；第二章晶体结构与缺陷晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体；典型金属晶体结构；离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）；晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）；第三章材料的相结构及相图相的定义相结构合金的概念：固溶体置换固溶体（１）晶体结构无限互溶的必要条件—晶体结构相同比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明）（２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变；（３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体（一）间隙固溶体定义（二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素（三）间隙固溶体的点阵畸变性中间相中间相的定义中间相的基本类型：正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法电子化合物：电子化合物、电子化合物种类原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物二元系相图：杠杆规则的作用和应用；匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点；三元相图：三元相图成分表示方法；了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义；第四章材料的相变相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）；按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点；马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、陶瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、陶瓷马氏体相变性能的不同――作为题目）有序-无序相变的定义玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变；按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变第5章 金属材料的显微结构特征一、纯金属的凝固及结晶1、结晶的热力学条件结晶后系统自由能下降。
20 年 月 日A4打印 / 可编辑x2040251工程材料及成型技术基础课程教学大纲x2040251工程材料及成型技术基础课程教学大纲课程名称：工程材料及成型技术基础英文名称：Engineering Materials and Moulding Technology Foundation课程编码：x2040251学时数：48其中实践学时数：4 课外学时数：学分数：3.0适用专业：机械设计制造及其自动化机械电子工程机械工程过程装备与控制工程一、课程简介《工程材料及成型技术基础》是机械类专业学生的一门重要专业基础课，与先修课程《工程训练》、后续课程《机械制造技术基础》共同探讨机械制造全过程——即从选择材料、制造毛坯、直到加工出零件所涉及的各个方面内容。
要求学生了解机械工程材料的一般知识，掌握常用材料的成分、组织、性能与加工工艺之间的关系及其用途，使学生具有合理选用材料、正确确定加工方法的能力，并初步掌握零件的结构工艺性，为学生今后的学习、设计、工作打下必备的基础。
二、课程目标与毕业要求关系表三、课程教学内容、基本要求、重点和难点（一）工程材料的结构与性能1. 教学内容晶体材料的原子排列；合金的晶体结构；工程材料的性能2. 基本要求（1）了解部分：晶体结构及缺陷的形式；单晶体和多晶体；相与组织之间的关系；固溶体和化合物性能；机械性能的概念；材料物理化学性能的概念；陶瓷和高聚物的结构（2）理解部分：刚度、强度、塑性、韧性与材料之间的关系应用；材料工艺性能的含义（3）掌握部分：晶体结构缺陷与材料性能之间的关系；合金的相的种类及对性能的影响；硬度的测量、表示方法及应用（4）熟练掌握：材料强化方式3. 重点和难点（1）重点：金属的三种典型晶体结构；实际金属中的三类晶体缺陷；合金的相结构；材料的力学性能指标σS、σb、δ、αk、HB、HRC及与材料之间的关系（2）难点：材料强化方式（二）金属材料的凝固与固态相变1. 教学内容金属结晶过程的基本规律；二元合金相图的分析；铁碳相图的分析；钢在加热和冷却时的转变2. 基本要求（1）了解部分：金属结晶过程的基本规律及影响因素；铁的同素异构转变；二元相图的意义和基本类型；钢在加热时的转变（2）理解部分：细化晶粒的方法；二元相图的基本类型和结晶过程特点；相图与材料使用性能和工艺性能之间关系；连续冷却转变曲线；钢在冷却时的转变产物及性能特点（3）掌握部分：杠杆定律；匀晶相图；共晶转变；包晶转变；共析转变（4）熟练掌握：铁碳相图的规律及应用3. 重点和难点（1）重点：铁碳合金的基本相；碳钢室温下的平衡组织组成；含碳量对铁碳合金的组织及性能的影响；铁碳相图的应用（2）难点：铁碳相图（三）金属材料的塑性变形1. 教学内容金属的塑性变形；塑性变形对金属组织和性能的影响；回复与再结晶；冷、热变形；金属的可锻性2. 基本要求（1）了解部分：单晶体与多晶体金属的塑性变形特点；加工硬化现象；残余应力的危害及消除（2）理解部分：塑性变形金属在加热时组织与性能的变化；金属可锻性的概念及影响因素（3）掌握部分：加工硬化现象的应用；回复与再结晶的特点；冷、热变形的对比；纤维组织对性能的影响及应用（4）熟练掌握：无3. 重点和难点（1）重点：加工硬化现象的应用；回复与再结晶的应用；冷、热变形的选择；纤维组织对性能的应用（2）难点：无（四）金属材料热处理1. 教学内容钢的热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、渗碳、感应加热表面淬火）2. 基本要求（1）了解部分：热处理的分类及工序安排；固溶处理和时效强化；热处理零件结构工艺性；先进热处理工艺；渗氮的特点和应用（2）理解部分：退火、正火、淬火、回火的工艺；感应加热表面淬火的参数选择；渗碳过程（3）掌握部分：退火、正火、淬火、回火、渗碳、感应加热表面淬火的目的、组织及应用（4）熟练掌握：退火、正火、淬火、回火、渗碳、感应加热表面淬火的目的、组织及应用3. 重点和难点（1）重点：退火、正火、淬火、回火、渗碳、感应加热表面淬火的目的，组织和应用（2）难点：无（五）金属表面改性处理1. 教学内容金属表面改性处理的目的、意义、特点和方法2. 基本要求（1）了解部分：金属表面改性处理的意义（2）理解部分：转化膜、电镀、离子沉积、热喷涂、涂装、表面着色等工艺的特点和应用场合（3）掌握部分：无（4）熟练掌握：无3. 重点和难点（1）重点：无（2）难点：无（六）金属材料1. 教学内容合金钢的概述；合金元素的作用；结构钢；工具钢；特殊性能钢；铸铁2. 基本要求（1）了解部分：合金钢的分类、编号方法、化学成分和主要用途；特殊性能钢（主要是不锈钢）的性能特点、热处理工艺及主要用途；有色金属和新型金属材料（2）理解部分：合金元素对钢的组织和性能影响规律（3）掌握部分：工具钢、灰铸铁的性能特点及应用；弹簧钢、轴承钢、易切削钢成分、性能特点及主要用途（4）熟练掌握：普通碳素结构钢和普通低合金结构钢、调质钢、渗碳钢成分、性能特点、热处理工艺、典型牌号及应用3. 重点和难点（1）重点：普通碳素结构钢和普通低合金结构钢、调质钢、渗碳钢成分、性能特点、热处理工艺、典型牌号及应用（2）难点：无（七）铸造1. 教学内容合金铸造性能；砂型铸造工艺；特种铸造；铸件结构设计；常用合金铸造生产2. 基本要求（1）了解部分：特种铸造的特点和应用；铸造技术新进展（2）理解部分：砂型铸造工艺选择（3）掌握部分：砂型铸造工艺和常用合金的铸造生产（4）熟练掌握：合金的铸造性能；灰铸铁的铸造性能；铸件结构设计3. 重点和难点（1）重点：合金的铸造性能；灰铸铁的铸造生产；铸件结构设计（2）难点：无（八）压力加工1. 教学内容自由锻；模锻；板料冲压；压力加工件结构设计2. 基本要求（1）了解部分：自由锻的工序；模锻的工序；挤压、轧制、拉拔方法；塑性加工新进展（2）理解部分：自由锻、模锻的特点及应用；板料冲压的工序、特点及应用（3）掌握部分：自由锻工艺规程制订；模锻工艺规程制订（4）熟练掌握：压力加工件结构设计3. 重点和难点（1）重点：压力加工件结构设计（2）难点：无（九）焊接1. 教学内容电弧焊；电阻焊；摩擦焊；焊接件结构工艺性；常用金属材料的焊接2. 基本要求（1）了解部分：电阻焊、摩擦焊、压力焊的特点；焊接技术新进展（2）理解部分：电弧焊接基本原理；焊接接头形式；铸铁的焊接；铜、铝合金的焊接（3）掌握部分：电弧焊方法及应用；碳钢和合金钢的焊接性（4）熟练掌握：焊接结构设计3. 重点和难点（1）重点：电弧焊方法及应用；碳钢和合金钢的焊接性；焊接结构设计（2）难点：无（十）机械零件材料及成型工艺的选用1. 教学内容工程材料及成型工艺选用的基本原则；具体成型方法及改性工艺的选用；典型零件的材料及成型工艺选择2. 基本要求（1）了解部分：无（2）理解部分：无（3）掌握部分：工程材料及成型工艺选用的基本原则；具体成型方法及改性工艺的选用（4）熟练掌握：典型零件的材料及成型工艺选择3. 重点和难点（1）重点：典型零件的材料及成型工艺选择（2）难点：无四、教学方式及学时分配五、课程其他教学环节要求（一）实验教学课：实验一铁碳合金平衡组织的显微分析要求：观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织，掌握铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应关系实验二碳钢热处理的性能与组织分析要求：掌握钢的退火、正火、淬火、回火工艺；掌握含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响；了解碳钢热处理的基本组织。
第二章体结构〃（/伙/）（1）立方晶系:aJ/" +1 +[2（2）正交晶系: 《材料科学基础》期末复习考试大纲第一章材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键、分子键的特点，利用结合键解释材料的一些性能特点。
如用金展键的特征解释金展材料的性能一良好的延展性；良好的导电、导热性；具有金属光泽。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章知识点；1、金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
1、晶体与非晶体的区别（特别是在原子排列丄的区别）。
2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七人晶系及各自的特点，14种布拉菲点阵、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶血指数、晶血族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八而体间隙、四而体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变）。
（1）指数相同的晶向和晶而必然垂直。
（2）当一晶向［uvw］位于或平行某一晶面（hkl）吋，则必然满足晶带定理：h-w+k-v+bw^O4、三种典型晶体结构（1）能绘出三维的体心立方、面心立方和密排六方晶胞。
根据原子半径计算出金属的体心和而心立方晶胞的晶胞常数。
（2）三种典型晶体结构的特征［包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排而（滑移而）和最密排方向（滑移方向）的指数与个数，滑移系数F1等］。
（3）知道常用金屈材料的滑移而与滑移系的指数，结合第五章塑性变形的内容判断常见金属的塑性变形能力，能给画岀晶胞指出滑移面和滑移方向。
（4）能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶而指数的一些规律。
求晶面间距d（hki〉、晶面夹角。
5、晶面间距:d （hkl）的求法：（3 ）六方晶系：4(h2 +hk+k2) (1}3 T丿（4 ）四方晶系：[J(/?2+^2)/t72+(//c)2以上公式仅适用于简单晶复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
晶体学基础与材料结构第⼀章晶体学基础及材料结构⽆论是⾦属材料还是⾮⾦属材料，通常都是晶体。
因此，作为材料科学⼯作者，⾸先要熟悉晶体的特征及其描述⽅法。
本章将扼要的介绍晶体学的基础知识，并了解材料结构。
1-1 晶体⼀、晶体与⾮晶体固态物质按其原⼦（或分⼦）的聚集状态⽽分为两⼤类：晶体与⾮晶体。
虽然我们看到⾃然界的许多晶体具有规则的外形（例如：天然⾦刚⽯、结晶盐、⽔晶等等），但是，晶体的外形不⼀定都是规则的，这与晶体的形成条件有关，如果条件不具备，其外形也就变得不规则。
所以，区分晶体还是⾮晶体，不能根据它们的外观，⽽应从其内部的原⼦排列情况来确定。
在晶体中，原⼦（或分⼦）在三维空间作有规则的周期性重复排列，⽽⾮晶体就不具有这⼀特点，这是两者的根本区别。
应⽤X射线衍射、电⼦衍射等实验⽅法不仅可以证实这个区别，还能确定各种晶体中原⼦排列的具体⽅式（即晶体结构的类型）、原⼦间距以及关于晶体的其他许多重要情况。
显然，⽓体和液体都是⾮晶体。
在液体中，原⼦亦处于紧密聚集的状态，但不存长程的周期性排列。
固态的⾮晶体实际上是⼀种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体⽽已。
玻璃就是⼀个典型的例⼦，故往往将⾮晶态的固体称为玻璃体。
从液态到⾮晶态固体的转变是逐渐过渡的，没有明显的凝固点（反之亦然，⽆明显的熔点）。
⽽液体转变为晶体则是突变的，有⼀定的凝固点和熔点。
⾮晶体的另⼀特点是沿任何⽅向测定其性能，所得结果都是⼀致的，不因⽅向⽽异，称为各向同性或等向性；晶体就不是这样，沿着⼀个晶体的不同⽅向所测得的性能并不相同（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以及外表⾯的化学性质等等），表现出或⼤或⼩的差异，称为各向异性或异向性。
晶体的异向性是因其原⼦的规则排列⽽造成的。
⾮晶体在⼀定条件下可转化为晶体。
例如：玻璃经⾼温长时间加热后能形成晶态玻璃；⽽通常呈晶体的物质，如果将它从液态快速冷却下来也可能得到⾮晶体。
⾦属因其晶体结构⽐较简单，很难阻⽌其结晶过程，故通常得不到⾮晶态固体，但近些年来采⽤了特殊的制备⽅法，已能获得⾮晶态的⾦属和合⾦。
第一章1、 力—伸长曲线和应力—应变曲线，真应力—真应变曲线 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段将力—伸长曲线的纵，横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao 和原始标距长度Lo 相除，则得到与力—伸长曲线形状相似的应力（σ=F/Ao ）—应变（ε=ΔL/Lo ）曲线比例极限σp ， 弹性极限σe ， 屈服点σs ， 抗拉强度σb如果以瞬时截面积A 除其相应的拉伸力F ，则可得到瞬时的真应力S （S ＝F/A)。
同样，当拉伸力F 有一增量dF 时，试样瞬时长度L 的基础上变为L ＋dL ，于是应变的微分增量应是de ＝dL / L ，则试棒自L 0伸长至L 后，总的应变量为：式中的e 为真应变。
于是，工程应变和真应变之间的关系为2、 弹性模数在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。
在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。
比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量（密度）的比值，也称为比模数或比刚度3、 影响弹性模数的因素①键合方式和原子结构（不大）②晶体结构（较大）③ 化学成分（间隙大于固溶）④微观组织（不大）⑤温度（很大）⑥加载条件和负荷持续时间（不大）4、 比例极限和弹性极限比例极限σp 是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力－应变曲线上开始偏离直线时的应力值。
弹性极限σe 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用a e 表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。
6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性（完全弹性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。
