第二章 机械工程材料的分类和性能

机械工程是一门利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程是工学研究生教育一级学科，工程研究生教育一个领域。

金属的晶体结构与塑性变形

• 金属的晶体结构
  • 晶体学基础
    • 晶格
      • 描述原子排列方式的空间格架
    • 晶胞
      • 晶格中能代表晶格特征的最小几何单元
    • 晶格常数
      • 晶胞的棱边长度a、b、c
    • 致密度
      • 晶胞中原子本身所占有的体积与晶胞体积之比
    • 配位数
      • 晶体结构中与任一原子处于等距离并且相距最近的原子数目
    • 晶面
      • 晶体中由一系列原子所组成的平面
        • 1）以晶胞的三个棱边为坐标轴，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位；
        • 2）把所求晶向平移，使其通过原点；
        • 3）以相应晶格常数为单位，求出直线上任取一点的坐标值；
        • 4）将三个坐标值约成互质整数，并用方括号【】括起。
      • 晶面指数标定方法
        • 1）以晶胞的三个棱边作为坐标轴，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位建立坐标系。坐标原点应位于待标定晶面之外，以免出现零截距；
        • 2）以相应晶格常数为单位，求出待定晶面在各坐标轴上的截距；
        • 3）取各截距的倒数；
        • 4）将三个倒数值约成互质整数，并用圆括号（）括起。
    • 晶相
      • 任意两个原子之间的连线所指的方向
  • 三种典型的金属晶体结构
    • 体心立方晶格
    • 面心立方晶格
    • 密排立方晶格
    • 晶面密度
    • 晶相密度
  • 金属的实际晶体结构
    • 点缺陷——空位和间隙原子
      • 当晶体中某些原子获得足够高的能量，就可以客服周围原子的束缚，而离开原来的平衡位置，形成的空结点位称为空位
      • 材料中存在着一些其他的元素或杂质，他们可以占据间隙位置，而形成间隙原子；也可能占据原来原子的位置
    • 线缺陷——位错
      • 指晶体空间三维方向上两个方向的尺寸都很小，另一个方向的尺寸相对很大的晶体缺陷
    • 面缺陷——晶界、亚晶界
      • 指晶体中存在的一个方向上的尺寸很小、另两个方向上的尺寸很大的缺陷，金属晶体中的面缺陷主要包括晶界和亚晶界
    • 晶体的各向异性
      • 在实际金属内部，缺陷的存在会对金属晶体结构的性能产生较大的影响，并且由于晶体中不同晶面和晶向上的原子排列紧密程度不同，因而晶体在不用方向上表现出不同的物理、化学和力学性能，此特性称为晶体的各向异性
• 金属的结晶
  • 金属的结晶过程
    • 冷却曲线与过冷度
    • 结晶过程
      • 晶核的形成
        • 自发形核
        • 非自发形核
      • 晶体的成长
        • 在晶核形成之后，液相中的原子或原子集团通过扩散，不断地依附于晶核表面上面液相中移动，并且晶核半径增大，这个过程称为晶体长大
    • 晶粒大小的控制
      • 晶粒大小对力学性能的影响
      • 晶粒大小的控制
  • 同素异构转变
    • 在固态下随温度变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变
• 金属的塑性变形与再结晶
  • 金属塑性变形的实质
    • 当外力增大到使金属的内应力超过该种金属的曲阜点之后，即使外力停止作用，金属的变形也不会消失，这种变形称为塑性变形
  • 塑性变形对金属组织结构的影响
    • 晶粒变形
    • 亚结构的细化
    • 变形织构
  • 塑性变形对金属性能的影响
    • 加工硬化
      • 塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度增加，而塑性和韧性降低，这一现象称为加工硬化或形变强化
      • 在工业生产中的意义
        • 1）是提高金属强度、硬度和耐磨度的重要手段之一
        • 2）是某些工件或半成品能够成形的重要因素
        • 3)可以提高工件或构件在使用过程中的安全性
    • 物理性能与化学性能变化
    • 产生残余内应力
      • 宏观内应力
      • 微观内应力
      • 晶格畸变
  • 回复和再结晶
    • 回复
      • 指在加热温度较低时，由于金属中点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化
    • 再结晶
      • 当塑性变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒
    • 晶粒长大
      • 指随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大这一现象
  • 金属的热加工
    • 消除铸态组织缺陷，提高力学性能
    • 形成热加工纤维组织（流浅）
• 自然界中一切固态物质，按照其内部原子（或分子）排列状况，分为晶体和非晶体两大类。所谓晶体就是原子呈规则排列的物体，具有固定熔点和各向异性等特性。