工程材料学习指导第一章概论一、内容提要本章简要地介绍了人类特别是我们祖先使用材料的发展进程，明确了工程材料学的研究对象和主要任务。物质存在的形式取决于其内部原子（离于）的排列方式、电于构造及运动状态。工程材料学的任务就是研究材料的化学成分、组织结构与性能之间的关系及选材的一般规律，这是贯穿本课始终的一条主线。我们在进行机械设计、选材、加工处理和研制新材料时，都必须紧紧围绕这条主线来进行。本章重点要求掌握物质的聚集状态与原子、分子间作用力和热运动之间的关系；掌握晶体与非晶体之间的差别：熟悉四种结合键的特性、相应晶体物质的主要性能及固体材料的分类。现将其综合在表1三中：表1-1固体材料小结结合键材料名称构成物质主要性能金属十金属（或非金高导电、导热性，正的电阻温度系数，塑性金属材料以金属键为主属)良好。金属与非金属（通常陶瓷材料以离子键为主高硬度、高脆性、高稳定性。为氧的化合物良好的耐蚀性与绝缘性，高强度、良好塑共价键十分子键高分子材料有机化合物的案合性、比重轻复合两种或两种以上材高强度、刚度。高比弹性模量，耐高温、耐混合键材料料的组合疲劳、耐蚀、耐。第二章金属的结构一、内容提要金属材料是目前应用最广泛的工程材料。本章涉及的是金属材料学中最基本、最简单知识。1.固态金属的特性：1、良好的导电、导热性。2、良好的塑性。3、不透明、有光泽。4、正的电阻温度系数。金属的这些特性都是由金属键的性质决定的。2、晶体的特性与结构：晶体内部的原子（或离子）在三维空间的规则排列，使之具有：a。确定的熔点；b。各向异性、而非晶体中，原子是散乱排列的，故不具备以上特性。X射线结构分析表明，绝大多数金属均为体心立方、面心立方和密排六方这三种典型的结构。其基本的结构参数见表2一1：三类常见晶格小结1
1 工程材料学习指导 第一章 概 论 一、内容提要 本章简要地介绍了人类特别是我们祖先使用材料的发展进程，明确了工程材料学的研究 对象和主要任务。 物质存在的形式取决于其内部原子（离于）的排列方式、电于构造及运动状态。工程材 料学的任务就是研究材料的化学成分、组织结构与性能之间的关系及选材的一般规律，这 是贯穿本课始终的一条主线。我们在进行机械设计、选材、加工处理和研制新材料时，都 必须紧紧围绕这条主线来进行。 本章重点要求掌握物质的聚集状态与原子、分子间作用力和热运动之间的关系；掌握晶 体与非晶体之间的差别；熟悉四种结合键的特性、相应晶体物质的主要性能及固体材料 的分类。现将其综合在表 l 三中： 表 1－1 固体材料小结 第二章 金属的结构 一、内容提要 金属材料是目前应用最广泛的工程材料。本章涉及的是金属材料学中最基本、最简单知识。 1．固态金属的特性： 1、良好的导电、导热性。2、良好的塑性。 3、不透明、有光泽。 4、正的电阻温度系数。 金属的这些特性都是由金属键的性质决定的。 2、晶体的特性与结构： 晶体内部的原子（或离子）在三维空间的规则排列，使之具有：a．确定的熔点；b．各 向异性、而非晶体中，原子是散乱排列的，故不具备以上特性。 X 射线结构分析表明，绝大多数金属均为体心立方、面心立方和密排六方这三种典型的 结构。其基本的结构参数见表 2－l： 三类常见晶格小结
原子半径配位数金属名称晶格类型品格特征品胞原子数致密度%CrMo体心a-b-cwVa2868α-β-y立方a-Fe4B.C.C.=90°8-FeAl Cu面心a-b-ca1274Ni立方a-β-y4y-FeF.C.C=90°密排a-b+cMgCdta1274α-Bm9006六方ZnBeH.C.P7=120°3.金属晶体中的晶面与晶向：金属的许多性能及金属中发生的许多现象都与晶面和晶向有密切关系。因此，分析和表达晶格中晶面和晶向的特点是十分重要的。4·晶体缺陷与性能：在实际金属晶体中，不可避免地存在着各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷、它们的共同特点是破坏了晶格的完整性，造成晶格畸变，并直接影响晶体的性能1）点缺陷：主要有晶格空位和间隙原子两种，它们通过对原子移动的微观过程的影响而影响金属的性能。2）线缺陷：主要形式是两类位错。它使得金属滑移容易进行，从而降低了金属的强度。但当金属中的位错密度很高时，由于位错运动阻力的增大，金属的强度反而提高。3）面缺陷：主要形式是晶界和亚晶界，它们除提高金属的塑性变形抗力、提高强度与硬度外，还能使变形分散在各晶粒内部，因此提高塑性与韧性5·金属中的扩散扩散是指原子超过平均原子间距的迁移现象。影响扩散的主要因素是温度、结构、表面及晶体缺陷。扩散影响金属内部组织转变的微观过程，从而影响其性能。扩散在金属的固态转变中也有十分重要的意义。在本章中，应重点掌握晶体结构的各种基本概念：金属的三种典型晶格（体心、面心和密排六方），立方晶系中晶面、晶向指数的表示方法；实际金属中的三类晶体缺陷（点、线和面缺陷）：固态金属中的两种主要扩散机制（空位及间隙扩散）和影响扩散的主要因素。第三章金属的结晶一、内容提要金属结晶的基本规律是研究金属内部组织转变的基础。结晶过程中生核长大的概念及结晶的规律，在固态相变中也具有普遍意义。结晶过程的推动力是液相和固相之间要有自由能差、即结晶过程需要过冷。过冷是金属结晶的必要条件、结晶的结果是形成由许多晶粒（相互间位向不同的单晶体）所组成的多晶体物质。由于细晶粒材料具有较好的常温力学性能，因而细化晶粒就成为结晶过程中控制组织以提高使用性能的一个重要手段。通过提高过冷度和进行变质处理，可以使晶粒细化。1．在自发生核条件下，过冷度越大，结晶过程的推动力就越大，生核速率N和长大线速度G均增大，但N比G增大的要快。在实际金属的过冷范围内，控制NG这个比值，就可以控制结晶后晶粒的大小（即晶粒度）。因此可以通过增大过冷度送到细化晶粒的目的。2.在非自发生核条件下，可以按“结构相似、大小相当”的原则，利用杂质或加入变2
2 3．金属晶体中的晶面与晶向： 金属的许多性能及金属中发生的许多现象都与晶面和晶向有密切关系。因此，分析和表 达晶格中晶面和晶向的特点是十分重要的。 4·晶体缺陷与性能： 在实际金属晶体中，不可避免地存在着各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷、它们的 共同特点是破坏了晶格的完整性，造成晶格畸变，并直接影响晶体的性能。 l）点缺陷：主要有晶格空位和间隙原子两种，它们通过对原子移动的微观过程的影响 而影响金属的性能。 2）线缺陷：主要形式是两类位错。它使得金属滑移容易进行，从而降低了金属的强度。 但当金属中的位错密度很高时，由于位错运动阻力的增大，金属的强度反而提高。 3）面缺陷：主要形式是晶界和亚晶界，它们除提高金属的塑性变形抗力、提高强度与 硬度外，还能使变形分散在各晶粒内部，因此提高塑性与韧性。 5·金属中的扩散 扩散是指原子超过平均原子间距的迁移现象。影响扩散的主要因素是温度、结构、表面 及晶体缺陷。扩散影响金属内部组织转变的微观过程，从而影响其性能。扩散在金属的固 态转变中也有十分重要的意义。 在本章中，应重点掌握晶体结构的各种基本概念；金属的三种典型晶格（体心、面心和 密排六方），立方晶系中晶面、晶向指数的表示方法；实际金属中的三类晶体缺陷（点、线 和面缺陷）；固态金属中的两种主要扩散机制（空位及间隙扩散）和影响扩散的主要因素。 第三章 金属的结晶 一、内容提要 金属结晶的基本规律是研究金属内部组织转变的基础。结晶过程中生核长大的概念及结 晶的规律，在固态相变中也具有普遍意义。 结晶过程的推动力是液相和固相之间要有自由能差、即结晶过程需要过冷。过冷是金属 结晶的必要条件、结晶的结果是形成由许多晶粒（相互间位向不同的单晶体）所组成的多晶 体物质。由于细晶粒材料具有较好的常温力学性能，因而细化晶粒就成为结晶过程中控制组 织以提高使用性能的一个重要手段。通过提高过冷度和进行变质处理，可以使晶粒细化。 1．在自发生核条件下，过冷度越大，结晶过程的推动力就越大，生核速率 N 和长大线 速度 G 均增大，但 N 比 G 增大的要快。在实际金属的过冷范围内，控制 NG 这个比值，就 可以控制结晶后晶粒的大小（即晶粒度）。因此可以通过增大过冷度达到细化晶粒的目的。 2．在非自发生核条件下，可以按“结构相似、大小相当”的原则，利用杂质或加入变
质剂，以增加晶核数量或阻碍晶核长大，达到提高形核率、控制晶核长大，从而细化晶粒的目的。3.当金属铸锭凝固时，由于表层与内部冷却条件的不同，铸锭组织出现表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。通过改变熔化温度、浇注温度、注速度等浇注条件和铸锭模尺寸与材料等因素，可以改变柱状晶区与中心等轴晶区的相对大小，得到所需的铸锭组织。4.在金属的实际结晶条件下，由于过冷度较大与杂质的存在，多是以树枝晶的形式长大的。本章重点要求掌握结晶过程中生核和长大的概念，特别最非自发生核和树枝状长大的观点；掌握过冷度的概念，过冷度对结晶过程的影响规律及获得细晶的方法。第四章金属的塑性变形与再结晶一、内容提要塑性变形是金属在外力作用下表现出来的一种行为。塑性变形不仅改变金属的外形。而且使金属内部组织和结构发生相应变化。经塑性变形后的金属在随后的加热过程中，内部组织也发生一系列变化，这些都对性能有明显的影响：1.单晶体与多晶体塑性变形的比较：单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和季生。在滑移时，实际测定的滑移应力要比理论计算值小3一4个数量级，这种差异是位错运动造成的。多晶体塑性变形时，由于晶界和晶粒的作用，增大了对塑性变形的抗力。细晶粒金属材料晶界多，故强度较高，塑性、韧性也比较好。2.塑性变形时组织和性能的变化：塑性变形造成晶格歪扭、晶粒变形和破碎，出现亚结构，甚至形成纤维组织。当变形量很大时，还会产生变形织构现象。当外力去除后，金属内部还存在残余内应力。更为重要的是：塑性变形使位错密度增加，从而使金属的强度、硬度增加而塑性、韧性下降，即产生加工硬化。3.变形金属在再加热时组织和性能的变化：变形金属被再加热时，随加热温度的升高，将发生回复、再结晶与晶粒长大等过程。再结晶后，金属形成新的无畸变的并与变形前相同晶格形式的等轴晶粒，同时位错密度降低，加工硬化现象消失，金属性能全面恢复到变形前的水平。再结晶的开始温度主要取决于变形度。变形度越大，再结晶开始温度越低。大变形度（70～80%）的再结晶温度与熔点的关系为：T再（K）一0.4T熔（K）再结晶后的晶粒大小与加热温度和预先变形度有关。加热温度越低或预先变形度越大，其再结晶后晶粒越细。但要注意临界变形度的情况。对于一般金属，当变形度为2～10%时，由于变形很不均匀，会出现晶粒的异常长大，导致性能急剧下降。本章涉及的基本知识内容较多，重点要掌握拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标塑性变形的机制；加工硬化的本质及实际意义；再结晶的概念和应用；冷热加工的区别等。3
3 质剂，以增加晶核数量或阻碍晶核长大，达到提高形核率、控制晶核长大，从而细化晶粒 的目的。 3．当金属铸锭凝固时，由于表层与内部冷却条件的不同，铸锭组织出现表层细晶区、 柱状晶区和中心等轴晶区。通过改变熔化温度、浇注温度、浇注速度等浇注条件和铸锭模 尺寸与材料等因素，可以改变柱状晶区与中心等轴晶区的相对大小，得到所需的铸锭组织。 4．在金属的实际结晶条件下，由于过冷度较大与杂质的存在，多是以树枝晶的形式长 大的。 本章重点要求掌握结晶过程中生核和长大的概念，特别最非自发生核和树枝状长大 的观点；掌握过冷度的概念，过冷度对结晶过程的影响规律及获得细晶的方法。 第四章 金属的塑性变形与再结晶 一、内容提要 塑性变形是金属在外力作用下表现出来的一种行为。塑性变形不仅改变金属的外形。而 且使金属内部组织和结构发生相应变化。经塑性变形后的金属在随后的加热过程中，内部组 织也发生一系列变化，这些都对性能有明显的影响： 1．单晶体与多晶体塑性变形的比较： 单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生。在滑移时，实际测定的滑移应力要比理 论计算值小 3—4 个数量级，这种差异是位错运动造成的。多晶体塑性变形时，由于晶界和 晶粒的作用，增大了对塑性变形的抗力。细晶粒金属材料晶界多，故强度较高，塑性、韧性 也比较好。 2．塑性变形时组织和性能的变化： 塑性变形造成晶格歪扭、晶粒变形和破碎，出现亚结构，甚至形成纤维组织。当变形 量很大时，还会产生变形织构现象。当外力去除后，金属内部还存在残余内应力。 更为重要的是：塑性变形使位错密度增加，从而使金属的强度、硬度增加而塑性、韧 性下降，即产生加工硬化。 3．变形金属在再加热时组织和性能的变化： 变形金属被再加热时，随加热温度的升高，将发生回复、再结晶与晶粒长大等过程。再 结晶后，金属形成新的无畸变的并与变形前相同晶格形式的等轴晶粒，同时位错密度降低， 加工硬化现象消失，金属性能全面恢复到变形前的水平。 再结晶的开始温度主要取决于变形度。变形度越大，再结晶开始温度越低。大变形度 （70～80％）的再结晶温度与熔点的关系为： T 再（K）一 0．4T 熔（K） 再结晶后的晶粒大小与加热温度和预先变形度有关。加热温度越低或预先变形度越大， 其再结晶后晶粒越细。但要注意临界变形度的情况。对于一般金属，当变形度为 2～10％时， 由于变形很不均匀，会出现晶粒的异常长大，导致性能急剧下降。 本章涉及的基本知识内容较多，重点要掌握拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； 塑性变形的机制；加工硬化的本质及实际意义；再结晶的概念和应用；冷热加工的区别 等
第五章二元合金相图一、内容提要由于合金具有强度高、硬度高、韧性好、耐磨、耐蚀、耐热等优良性能，因此在工程上使用的金属材料极大多数是合金、二元合金是最简单、最基本的合金。二元相图是研究二元合金的成分、组织、性能之间关系的有力工具。本章介绍了如下四种最基本的简单相图与反应类型。反应类型相图特征反应式定义恒温恒溢下，一种固相同时析出两种不B共析反应Y.a+pa同成分的固相的反应恒温恒温下，一种液相与一种固相相互包晶反应La+a-p.作用生成一种新的固相的反应反应类型相图特征反应式义种液相在变温过程中转变为L-a勾品反应种固相的反应恒温Y恒温下，一种波相同时结晶出两种共品反应La,+β不同成分的固相的反应本章的重点内容为：1.匀晶转变过程及特点。固溶体结晶的特点是：1）在一定的过冷度下，通过生核、长大两个过程进行结晶；2）变温进行：3）结晶时，两相成分发生变化；4）在两相区，两相的重量比符合杠杆定律：5）快冷时易出现枝晶偏析：2．杠杆定律及其应用。杠杆定律表示平衡状态两个平衡相的重量之间的关系，可利用它来计算两个平衡相分别占总合金的重量百分数，即各相的相对重量，亦可用它来确定组织中各组织组成物的相对重量。在运用杠杆定律时要注意以下几点：1）只适用于平衡状态：2）只适用于两相区：3）杠杆的长度为两平衡相的成分点之间的距离，杠杆的支点为合金成分，杠杆的位置由所处的温度决定。3.共晶相图中典型合金的结晶过程。4.合金性能与相图之间的关系。5.弄清下列概念：组元、相、组织、组织组成物。4
4 第五章 二元合金相图 一、内容提要 由于合金具有强度高、硬度高、韧性好、耐磨、耐蚀、耐热等优良性能，因此在工程 上使用的金属材料极大多数是合金、二元合金是最简单、最基本的合金。二元相图是研究二 元合金的成分、组织、性能之间关系的有力工具。本章介绍了如下四种最基本的简单相图与 反应类型。 本章的重点内容为： 1．匀晶转变过程及特点。固溶体结晶的特点是： l）在一定的过冷度下，通过生核、长大两个过程进行结晶； 2）变温进行； 3）结晶时，两相成分发生变化； 4）在两相区，两相的重量比符合杠杆定律； 5）快冷时易出现枝晶偏析： 2．杠杆定律及其应用。杠杆定律表示平衡状态两个平衡相的重量之间的关系，可利 用它来计算两个平衡相分别占总合金的重量百分数，即各相的相对重量，亦可用它来确定 组织中各组织组成物的相对重量。在运用杠杆定律时要注意以下几点： l）只适用于平衡状态； 2）只适用于两相区； 3）杠杆的长度为两平衡相的成分点之间的距离，杠杆的支点为合金成分，杠杆的位 置由所处的温度决定。 3．共晶相图中典型合金的结晶过程。 4．合金性能与相图之间的关系。 5．弄清下列概念：组元、相、组织、组织组成物
第六章铁碳含金相图一、内容提要铁碳合金是工业中应用最广泛最重要的工程材料，铁碳相图是研究铁碳合金的成分、相和组织的转变规律及其性能之间关系的重要工具。本章是本课程的重点章，要求熟练掌握下列内容。二、熟记铁碳相图，1.能默画出铁碳相图，记住重要的点的温度、成分和意义（B，C，E，F，P，S点），以及一些重要线的意义（ECF、PSK、GS、ES线）。2.弄清铁碳合金中各种相（L、高温F、a、F、Fe3C）的本质和特征。3.运用铁碳相图，分析典型成分的铁碳含金的结晶过程（用冷却曲线表示），计算室温平衡组织中组成相及组织织成物的相对重量。FeC合金组织组减相%组帜姐成物%炖铁100%FF100%F+PF,PP%=6%×100%,F%=1-P%亚共新钢共析P100%FeC1×-6.89-77×100%,P+Fec.P,Fec.过共析钢-1FeC-%P%-L%--2.1×100%,FesC%=×100%F,F亚共品白FesC,X-2:l1=0.7P+FeC.+P.FesC,.IF%-1-FeC%口铸快X(1-L/%)p%=1-L/%-FeaC1共晶白口100%1L特快过共品白FeC1%-×100%，/+FesC4,FeC,口停饮L1%=1FeC. %4.熟练画出铁碳合金室温平衡组织示意图，正确标出各组织组成物，熟悉各种组织的特征。如：过共析钢（T12）室温平衡组织为P十Fe3CI，其组织特征是：白色网状Fe3C包围在层片状P周围，5铁碳合金的成分一组织一性能之间的关系。对于亚共析钢，根据碳含量可求出组织组成物的相对重量，进而可估算其性能（强度、硬度、塑性）。6.各种碳钢的编号及应用7.弄清一些重要概念：同素异构转变、a一Fe、铁素体、奥氏体、珠光体、低温莱氏体、共析渗碳体，二次渗碳体第七章钢的热处理一、内容提要热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要机件都离不开这种或那种形式的热处理。本章内容丰富，理论联系实际，具有重要的应用价值，也是《工程材料》课程的重点内容之一。本章的主要内容可分为热处理原理和热处理工艺两部分。5
5 第六章 铁碳含金相图 一、内容提要 铁碳合金是工业中应用最广泛最重要的工程材料，铁碳相图是研究铁碳合金的成 分、相和组织的转变规律及其性能之间关系的重要工具。本章是本课程的重点章，要求熟练 掌握下列内容。 二．熟记铁碳相图， 1．能默画出铁碳相图，记住重要的点的温度、成分和意义（B，C，E，F，P，S 点），以及一些重要线的意义（ECF、PSK、GS、ES 线）。 2．弄清铁碳合金中各种相（L、高温 F 、a、F 、Fe3C）的本质和特征。 3．运用铁碳相图，分析典型成分的铁碳含金的结晶过程（用冷却曲线表示），计 算室温平衡组织中组成相及组织织成物的相对重量。 4．熟练画出铁碳合金室温平衡组织示意图，正确标出各组织组成物，熟悉各种组 织的特征。如：过共析钢（T12）室温平衡组织为 P＋Fe3CI，其组织特征是：白色网状 Fe3C 包围在层片状 P 周围， 5 铁碳合金的成分一组织一性能之间的关系。对于亚共析钢，根据碳含量可求出组 织组成物的相对重量，进而可估算其性能（强度、硬度、塑性）。 6．各种碳钢的编号及应用 7．弄清一些重要概念：同素异构转变、a－Fe、铁素体、奥氏体、珠光体、低温莱 氏体、共析渗碳体，二次渗碳体 第七章 钢的热处理 一、内容提要 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表 面组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一 种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要机件都离不开这种或那种形式的热处 理。本章内容丰富，理论联系实际，具有重要的应用价值，也是《工程材料》课程的重点内 容之一。 本章的主要内容可分为热处理原理和热处理工艺两部分