机械制造基础 教学课件 作者 林江 主编第1章 工程材料基础.doc

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1、第1章工程材料基础材料是人类用来制作各种产品的物质。人类生活与生产都离不开材料，它的品种、数量和质量是衡量一个国家现代化程度的重要指标。现代材料种类繁多，据粗略统计，目前世界上的材料总和已达50余万种。材料有许多不同的分类方法，机械工程中使用的材料常按化学组成分成金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。目前机械工业生产中应用最广的仍是金属材料，在各种机器设备所用材料中，金属材料约占90%以上。这是由于金属材料不仅来源丰富，而且它还具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和易于用各种加工方法成形的工艺性能。优良的使用性能可满

2、足生产和生活上的各种需要。优良的工艺性能则可使金属材料易于采用各种加工方法，制成各种形状、尺寸的零件和工具。金属材料还可通过不同成分配制、不同加工和热处理来改变其组织和性能，从而进一步扩大使用范围。虽然高分子材料和陶瓷材料的某些力学性能不如金属材料，但它们具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电绝缘、隔音、减震、耐高温（陶瓷材料）、质轻、原料来源丰富、价廉以及成型加工容易等优点，因而近年来发展较快。1.1金属材料的结构1.1.2金属的晶体结构金属材料的各种性能取决于化学成分及其内部组织和状态，为此有必要弄清楚金属原子

3、的聚集状态及其组织。对于固态物质，根据其内部原子的聚集状态不同可分为晶体和非晶体。晶体的内部原子在空间作有规则的排列，如固态金属、金刚石等；非晶体的内部原子在空间作杂乱无章地不规则堆积，如玻璃、沥青、石蜡、松香等。图1-1晶体结构示意图a)晶体结构b)晶格c)晶胞晶体结构是指晶体中原子在空间的规则排列的方式，如图1-1a所示，为了便于描述晶体内部原子排列的方式，把原子看成小球，并用假想的直线把小球连接起来，得到一个空间格架，称为晶格，如图1-1b所示。分析晶格可以看出，其原子排列具有周期性的特征，故只要取出一个能完全代

4、表晶格的最小几何单元，就可以分析晶体中原子的排列方式，该最小几何单元称为晶胞，如图1-1c所示。晶胞的各个棱边的长度称为晶格常数，单位为埃（1）。25各种金属的晶体结构是不同的，但工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，最常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。1．体心立方晶格如图1-2a所示，体心立方晶格的晶胞是一个正六方体，在立方体的八个角上和中心各排列着一个原子。体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，故每个晶胞包含的实际原子数为个。属于体心立方晶格的金属有、Cr、Mo、W、V等。他们

5、都有较大的强度和较好的塑性。2．面心立方晶格如图1-2b所示，面心立方晶格的晶胞也是一个正六方体，在立方体的八个角上和六个面的中心各排列着一个原子。面心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个面心上的原子为两个晶胞所共有，故每个晶胞包含的实际原子数为个。属于面心立方晶格的金属有、Cu、Al、Ni、Ag等。他们都有较好的塑性。3．密排六方晶格如图1-2c所示，密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各排列着一个原子，在上、下底面之间还均匀分布着三个原子。密排六方晶胞每个角上的原

6、子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心上的原子为两个晶胞所共有，晶胞内部的三个原子为该晶胞所独有，故每个晶胞包含的实际原子数为个。图1-2常见金属晶格的晶胞属于密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。由于各种金属的晶格结构和晶格常数不同，所以他们的性能也不相同。251.1.2合金的晶体结构纯金属一般具有良好的导电性和导热性，但机械性能较差，如强度、硬度低，而且价格贵。故在工业生产中应用的大多是合金。合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如碳素钢

7、和铸铁就是由铁和碳两个元素为主组成的合金，黄铜是由铜和锌组成的合金。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是金属、非金属元素或稳定的化合物。按照组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金。合金中具有同一化学成分，同一晶格形式，相同的物理、化学性能并与该系统的其余部分以界面分开的均匀组成部分称为相。如纯铁在不同温度下具有液相、相、相、相。合金的性能就是由组成合金的各相本身的结构和各相构成的显微组织来共同决定的。根据组成合金的各组元之间在结晶时的相互作用，合金的晶体结构大致可归纳为3类，即固溶体、金属化合

8、物和机械混合物。1．固溶体图1-3置换固溶体结构示意图图1-4间隙固溶体结构示意图合金在固态下一组元（溶剂）溶解其它组元（溶质），或组元之间互相溶解而形成均匀的并保持溶剂晶格的固相，称为固溶体。按固溶体晶格中溶剂和溶质原子相互位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。如图1-3所示为置换固溶体的结构示意图，溶质原子替换了溶