机械工程材料各章节要点

绪论

材料的定义

材料的发展

材料与生活

机械工程材料的分类

材料的学习方法

第一章 材料的结构与凝固

1.1 金属的晶体结构

晶体与非晶体

空间点阵、晶格、晶胞、晶格参数、晶格常数

三种常见的金属晶体：体心立方、面心立方、密排六方

（晶胞中的原子数、原子半径、配位数、致密度）

晶面、晶向表示（指数标定方法）：晶向指数[uvw]、晶向族、晶面指数（hkl）、晶面族{hkl}

晶体各向异性：密排方向、密排面

1.1.5 实际金属的晶体结构

理想结构不存在缺陷，实际结构存在缺陷：（三类型）

点缺陷：空位、间隙、置换（异类原子）

造成局部晶格畸变、金属电阻率、屈服强度增加、密度发生变化。原子迁移率

线缺陷：刃型位错、螺型位错（应力状态）

面缺陷：晶界、亚晶界 均可提高金属强度。晶界越多，晶粒越细、塑性变形能力越大，塑性越好。 1.2 合金的晶体结构

1.2.1 合金的概念： 合金、组元、二元合金、三元合金、多元合金、合金系

相、组织

相组成、组织组成物

1.2.2 固态合金的相结构

固溶体（置换、固溶）

有限固溶体、无限固溶体

固溶体的浓度：

固溶度：溶质在固溶体中的极限溶解度。

固溶强化

中间相（金属化合物）

一般可用分子式来大致表示其组成。

特点：（熔点、硬度、脆性）增强相。

强度、硬度、耐磨性、耐热性 塑性、韧性

正常价化合物：硬度高、脆性大。只有少数合金系才能形成这类化合物。

电子化合物：不遵守化合价规律，符合一定电子浓度规律。能溶解一定量的组元形成以化合物为基的固溶体。

间隙相和间隙化合物： 由过渡金属元素和原子很小的非金属元素所组成。能溶解其他组元形成固溶体。

简单形式的晶格（间隙相）

复杂晶格结构的间隙化合物。高熔点、高硬度，但比间隙相低，稳定性也较差，

1.3 非金属材料的结构

1.3.1 高分子材料的结构

单体

大分子链的结构

碳链、杂链和元素链

均聚物的结构（线型结构、支链型结构、网状型结构）

共聚物的结构（两种以上不同的单体链节聚合而成的高分子聚合物。）

对两种单体：无规则型、交替型、嵌段型、接枝型

共聚物能把两种或多种自聚的特性综合到一种聚合物中，在实际应用中十分重要。

高聚物的聚集状态

结晶态：规则有序

部分结晶态：部分结晶态聚合物分子排列部分规则有序。

非结晶态：玻璃态，聚合物分子排列杂乱不规则。远程无序，近程有序。

聚集状态影响性能，结晶态，密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、耐化学性、抗液体及气体透过性较高。

依赖链运动的有关性能（弹性、塑性、韧性）降低。

1.3.2 陶瓷材料的结构

组织结构比金属材料复杂得多。 结合键：离子键或共价键。

晶体相、玻璃相、气相。 晶体相：由某些金属化合物或固溶体组成

硅酸盐结构：（莫来石、长石）硅氧四面体，岛状、链状、环状、骨架状

氧化物结构：

岩盐型结构MgO、

萤石型结构

刚玉型结构

钙钛型结构

非氧化物结构

玻璃相：非晶态的低熔点固体相。粘度、外部条件冷却速度。

气相陶瓷组织结构中的气孔。使强度降低，导热率、抗电击穿能力下降。介电损耗增大，产生裂纹的原因。

对光散射作用，降低透明度。

隔热性好，密度小，

陶瓷材料几乎都是由一种或多种晶体组成，晶体周围被玻璃体包围着，在晶内或晶界处分布着大大小小的气孔。

不同形状和分布的晶体相、玻璃相、气相 组成了具有各种物理化学性能的陶瓷材料。

1.4 凝固的基本概念

结晶概述

凝固：

结晶：

金属结晶时形成的组织—铸态组织，影响性能，也影响冷热加工后材料的组织与性能。

故而了解结晶过程很有必要。

结晶的条件：驱动力（ 过冷度）从固液两种能量状态来分析得知。

1.4.2 凝固产物：

凝固成晶体或非晶体，主要取决于熔融液体的黏度和凝固的速度。

黏度是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，影响相对运动的难易程度。

冷却速度越大，单位时间逸散的热量越多，熔体温度降低得越低，直接影响原子或分子的扩散能力。

过冷度过小，驱动力小，

过冷度过大，抑制原子扩散。无法得到晶体。

能量完全释放，将转变成晶体，部分释放内能，则转化为非晶体，

不同材料的凝固产物各不相同。

凝固产物与凝固条件和各种组元的含量相关。 1.5 金属的结晶

结晶过程：先形核—>后长大

一般情况下，金属是由许多外形不规则、位向不同、大小不一的晶粒组成的多晶体。

形核：

均匀形核（均质、自发）纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。（能量起伏、结构起伏）

非均匀形核（异质、非自发）液态金属原子依附于模壁或液相中未熔固相质点表面优先形成晶核的过程。（只有晶核与基底之间的界面能越小时，才能促进异质形核。）

过冷是结晶的必要条件，还需要（能量起伏、结构起伏）使得近程有序的原子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核，自发长大

长大：

系统总自由能随晶体体积的增加而下降是晶体长大的驱动力。

液相中原子向晶核表面迁移、液固相界面向液相不断推进。

两种形态：

平面状态生长：不同晶面间原子排列方式不同，排列紧密程度不同，导致不同位向的晶面沿其法线方向（厚度）的生长速度不同。生长速度慢得非原子密排面逐渐被生长速度快的原子密排面所掩盖。形成规则的外形。

树枝状态生长：液态金属中混有某些未熔的杂质或生长成的晶核表面较粗糙，晶核在向液体中温度较低的方向生长时，晶核上尖凸的形状过冷度最大，生长速度最快，这样晶体的生长如同树枝的生长一样，先长出主干再形成分枝，长成为树枝状的晶体。

晶粒

金属的冷却曲线

出现平台：放出结晶潜热，抵消了金属向四周散发的热量。

过冷现象、过冷度（能量状态来分析）热力学条件

自由能差===过冷度

过冷度的大小与金属的纯度、冷却速度有关

纯度越高，过冷度越大，冷却速度越快，过冷度越大。

结晶后的晶粒大小 及晶粒度的控制

晶粒度：

粗晶，细晶、超细晶

形核率 晶体长大速率（冷却速度和难熔杂质）

形核率N：单位时间和单位体积内所产生的晶核数

晶体的线长大速度G 单位时间内晶核向周围长大的平均速率

过冷度与N、G之间的关系图 N和G随过冷度的增加而增加，达到某一过冷度时，N和G达到最大值，而后随过冷度的增加N和G都减少。

晶核形成和长大的驱动力与过冷度成正比，而原子迁移能力与过冷度成反比。

晶粒的粗细是由N和G的比值决定的。

晶粒大小对性能的影响。

影响晶粒大小的因素

细化晶粒的措施：

增加过冷度

变质处理

震动和搅拌

铸锭的结晶组织：

过冷度、难熔杂质外 浇注温度，浇注方法，铸件的截面尺寸等。

典型宏观组织：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区

特点：

缺陷：缩孔、疏松、气孔、夹渣、偏析等。

故而下料后必须锻造，减少缺陷，使疏松、气孔焊合，打碎粗大枝晶，

经扩散退火降低偏析程度。

1.6 材料的同素异构现象

金属晶体的同素异构现象

多数固态纯金属的晶格类型不会改变，有些的晶格会随温度的改变而发生变化，

固态金属在不同温度区间具有不同晶格类型的性质称为同素异构性。

材料在固态下改变晶格类型的过程称为同素异构转变。

二次结晶或重结晶 也存在 过冷现象 过冷度

晶格类型改变，造成内应力。

无机废金属晶体的同素异构现象

又称同质异构，是指同一种化学成分而具有不同晶体结构的现象。

异构体，

多晶型性，多晶型转变或同素异构转变

有机高分子的同分异构

化学上具有相同的化学式，同样的化学键，但却有不同原子排列的现象。很多同分异构体具有相似的性质。

同分异构体是指分子组成不同，物理化学性质也不同的物质。如乙醇和甲醚。

同分异构体也可以属于同一类物质，也可以属于不同类物质。可以是有机物也可以是无机物。

同分异构体简称异构体，具有相同分子式而分子中原子排列不同的化合物。

旋光异构（全同立构、间同立构、无规立构）

几何异构（顺式、反式）

键接异构（头头键接、头尾键接、尾尾键接）

单体单元键接方式不同，对性能特别是化学性能有很大影响。 第2章 材料的性能与力学性能

2.1 静态力学性能

2.1.1 强度与塑性

静载荷：

动载荷：

静态力学性能：（强度、塑性、硬度）

强度指标：（抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度）

塑性指标：（断后伸长率、断面收缩率）

拉伸实验：（应力—应变曲线）

强度：

刚度：

塑性：

2.1.2 硬度

硬度：

测定材料硬度的方法：压入法、回跳法、刻画法

主要采用压入法：表征材料表面抵抗硬物侵入的能力。

硬度与强度之间有一定关系，根据硬度可以大致估计材料的强度。

布氏硬度

洛氏硬度

维氏硬度