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第1章 工程材料 1.1.2 非金属材料及复合材料的发展 1.1.3 新材料的发展趋势 1.2 固体材料的性能 1. 强度和塑性 材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。 2) 塑性 3) 强度 2. 硬度 表1-1 常用硬度指标测试方法和适用范围 3. 冲击韧度 4. 疲劳强度 图1-6 疲劳曲线 5. 断裂韧度 6. 金属的高温力学性能 从9·11事件看高温蠕变 1.3 金属的结构 2. 晶格、晶胞和晶格常数 3. 晶向与晶面 图1-10 立方晶系中一些主要晶面的晶面指数 4. 常见的晶格类型 1) 体心立方晶格 2) 面心立方晶格 3) 密排六方晶格 5. 晶体结构的致密度 1.3.2 实际金属的晶体结构 2. 晶格缺陷 2) 线缺陷 3) 面缺陷 1.4 金属的结晶 2. 纯金属的结晶过程 视频2 金属的结晶 3. 金属结晶后晶粒的大小 2) 变质处理 1.4.2 金属的同素异构性 1.4.3 金属铸锭的组织 32 图1-20表示纯金属的结晶过程。液态金属中存在有序排列的原子小集团，随液态金属原子的热运动，这些原子小集团时聚时散，当温度低于理论结晶温度时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶核”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向以不同的速度长大，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最快，生成晶体的主干，又称一次晶轴，如图1-21中的Ⅰ。在晶体主干长大的过程中，又不断生出了分枝，如图1-21中的Ⅱ、Ⅲ，其形态如同树枝，故称为“枝晶”，如图1-21所示。如果在结晶的过程中，有足够的液体金属填满各枝晶间的空隙，则凝固后，枝晶就不会显露出来。因此，往往是在金属的表面上才可以显示出它的外形，如图1-22所示。 图1-21 枝晶示意图 图 1-22 锑锭表面的树枝状晶体 图1-20 纯金属结晶过程示意图 33 34 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，其晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。单位时间、单位体积内形成的晶核数称为“形核率”，用符号N表示；单位时间内晶核长大的平均线速度称为“长大速度”，用符号G表示。形核率N愈高，晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。 铸造生产中，常用以下方法细化液态金属结晶的晶粒。 1) 增加过冷度 图1-23是实际测得的液态金属结晶时过冷度ΔT 与形核率N、长大速度G的关系。由图可见，随过冷度的增加，形核率和长大速度均增加。当过冷度较大时，形核率比长大速度增长得快，并当达到一定的过冷度ΔT时，各自达到一个最大值。在连续冷却过程中，冷却速度愈大，则过冷度愈大，形核率愈高，而长大速度相对较小，液态金属凝固后得到细小晶粒；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒粗大。 图1-23 过冷度ΔT与形核率N、长大速度G的关系 * 材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一，对生产力的发展有深远的影响。历史上曾把当时使用的材料，当作历史发展的里程碑，如“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一。周朝是青铜器的极盛时期，到春秋战国时代，已普遍应用铁器。直到19世纪中叶，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的工程材料。 科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。 人类早在6 000年以前就发明了金属冶炼，公元前4000年，古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5 000年以前，就用含镍7.5％的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。 1 1.1 概述 1.1.1 金属材料的发展 铸铁的发展经历了5 000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪－18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。 19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2006年，全世界的钢产量由2.1亿吨增加到12.39亿吨。而我国2006年钢产量达到4.19亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量一倍，跃居全球钢产量首位。 在黑色金属发展的同时，非铁金属也得到发展。人类自1866年发明电解铝以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属