绪论
　　材料是人类赖以生存和发展的物质基础，与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。随着经济的飞速发展和科学技术的进步，各行业对材料的要求越来越高，材料向着高强度、高韧性、高塑性、高刚性、耐腐蚀、耐高温和多功能方向发展，同时新材料也在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机床、仪器仪表、农业、轮船、飞机、汽车、石油化工设备等机械产品的可靠性和先进性，除设计因素外，很大程度上取决于所选用材料的质量和性能。
　　1．工程材料的定义与分类
　　工程材料是指用于机械、电气、建筑、化工、航空航天等工程领域的材料。按化学成分和结合键的不同，机械行业常用材料一般分为金属材料、非金属材料两大类。
　　1)金属材料
　　金属材料是指具有金属性质的材料。除了组成原子(分子、离子)在三维空间有规则排列、熔点固定和各向同性外，还有光泽，良好的导电性、导热性、塑性，以及正的电阻温度系数。按化学成分，金属材料一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。
　　(1)黑色金属材料。
　　黑色金属材料又称为钢铁材料，即铁和碳的合金。
　　黑色金属一般分为钢和铸铁两大类，其区别是含碳量和内部组织结构的不同。按照化学成分，钢可以分为碳钢、合金钢；按照用途，钢又可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等。
铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。
　　由于黑色金属材料具有优良的力学性能和低廉的价格，所以在机械工程材料中应用较广泛。
　　(2)有色金属材料。
　　有色金属材料是指除铁和以铁为基体的合金以外的所有金属及其合金。
　　有色金属按其性质、用途、产量及其在地壳中的储量状况一般分为有色轻金属(如铝、镁等)、有色重金属(如铅、锡等)、贵金属(如金、银等)、稀有金属(如钛、钒、钼等)和半金属(如硅、硼等)五大类。
　　在有色金属材料中，铝、铜及其合金用途最广。
　　由于金属材料具有良好的综合性能，所以在机械工程材料中用途较广，用量也较大(用量占机械工程材料用量的80%以上)。
　　2)非金属材料
　　非金属材料是指由非金属元素或化合物构成的材料。
　　非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料三大类。
　　(1)高分子材料。
　　高分子材料又称聚合物材料，它的主要成分为碳和氢。
　　按用途和使用状态，高分子材料一般分为橡胶、塑料、合成纤维和胶黏剂四大类。
　　高分子材料的相对密度较小，耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等领域。
　　金属材料及热处理
　　(2)陶瓷材料。
　　陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的氧化物、氮化物、碳化物等。
　　陶瓷材料一般分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三大类。
　　陶瓷材料硬度高，耐腐蚀，绝缘性好，常用于电气、化工、航空航天等领域。
　　(3)复合材料。
　　复合材料是指把两种或两种以上的性质不同或组织结构不同的材料，以宏观或微观的形式组合在一起而构成的材料。
　　复合材料一般分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。
　　复合材料一般相对密度较小、比强度和比刚度高，发挥了组成材料的性能优点，主要用于航空航天等领域。
　　2．金属材料成分、组织、结构、性能间的规律
　　1)材料的成分
　　材料的成分是指材料中含有各种元素的质量分数。
　　每种材料有若干个牌号，每个牌号都有固定的成分。例如，45 钢含有0.45%的C，其余为Fe；40Cr 钢含有0.40%的C，1%的Cr，其余为Fe。
　　2)材料的组织
　　材料的组织是指把材料制备成试样，在显微镜下观察到的图像，又称显微组织，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。例如，钢的组织包括铁素体组织、珠光体组织、贝氏体组织、马氏体组织等，它们的硬度、塑性、韧性、耐蚀性等性能都不相同。
　　3)材料的结构
　　材料的结构是指材料原子(分子、离子)排列的“格式”。具有最小周期性的组成单元称为晶胞。不同金属的晶格类型和晶格常数均不相同，其性能也不相同。实际的金属同时存在多晶体组织以及晶体的缺陷。可以采用适当的工艺，改变组织结构，从而改善零件的使用性能。例如，可以通过冷塑性变形的方法，使组织纤维化，产生加工硬化，提高金属材料的强度和硬度。
　　4)材料的性能
　　材料的性能包括使用性能和工艺性能。
　　(1)材料的使用性能。
　　材料的使用性能是指材料在使用时表现出的性能。它包括力学性能、物理性能和化学性能。
　　① 材料的力学性能。　　
　　材料的力学性能是指材料在外力作用时表现出的性能。它包括强度、硬度、塑性、韧性等。
　　强度是指材料在外力作用下发生微量塑性变形或断裂前的最大应力，如屈服强度抗拉强度等。
　　硬度是指材料抵抗更硬物体压入表面的能力，如布氏硬度HB、洛氏硬度HR 等。
　　塑性是指材料经变形后不开裂的能力，如伸长率、断面收缩率等。
　　韧性是指材料经一定能量冲击不破坏的能力，如冲击韧性。
　　② 材料的物理性能。
　　材料的物理性能是指材料经物理现象表现出的性能。它包括熔点、导热性、导电性、密绪度、热胀性和磁性等。其中，
　　熔点是指材料的熔化温度。
　　导热性是指材料的导热能力，如铜的导热性较好。
　　导电性是指材料的导电能力，如铜的导电性较好。
　　密度是指材料单位体积的质量。
　　热胀性是指材料受热膨胀的能力。
　　磁性是指材料在磁场中被磁化的能力。
　　③ 材料的化学性能。
　　材料的化学性能是指材料在介质作用时表现出来的性能。它包括耐蚀性、耐热性和耐磨性等。
　　耐蚀性是指材料抗介质腐蚀的能力。
　　耐热性是指材料抗介质高温氧化的能力。
　　耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。
　　(2)材料的工艺性能。
　　材料的工艺性能是指材料在加工时表现出的性能。它包括铸造性、可锻性、切削加工性、焊接性和热处理工艺性等。
　　① 铸造性是指材料在铸造时所表现出来的性能，包括流动性、收缩性、偏析性等。铸铁的铸造性优于钢。
　　② 可锻性是指材料的变形不开裂能力。钢的可锻性优于铸铁。
　　③ 切削加工性是指材料的易切削能力。
　　④ 焊接性是指材料在焊接时可获得高质量焊缝的能力。
　　⑤ 热处理工艺性是指材料在热处理时获得高的热处理工艺质量的能力。
　　实践和研究表明，金属材料的成分、组织、结构和性能间有着内在规律，或者说金属材料的成分、组织、结构决定了　　材料的性能，材料的性能又决定了材料的用途。因此，生产中人们总是通过改变材料成分、组织、结构的工艺方法来改变材料的性能。其他机械工程材料也有内在的规律。
　　3．课程的性质、内容与任务
　　“金属材料及热处理”课程比较系统地介绍金属材料的成分、组织、热处理状态和性能之间的关系；常用的金属材料，特别是钢铁材料的分类、编号、性能以及各种金相组织与性能的分析；改变常用材料成分、组织、结构的工艺方法；常见工件选材用材的基本知识。通过本课程的学习，使学生可掌握机械行业常用金属材料的一般知识，尤其是掌握常用金属材料的成分、组织、结构、性能、用途及加工工艺之间的关系和规律。从而在机械设计和用材过程中能做到正确选择，避免“小材大用”；做到合理用材，避免“大材小用”；做到正确选择工件加工方法，合理制定加工工艺路线。同时，也为后续有关课程的学习奠定基础。
　　本课程是一门实践应用性很强的课程，因此要在理论联系实际上下功夫，多举例、多比较，注意培养学生分析问题和解决问题的能力，引导学生理解消化，进一步提高教学效果。学生在学习前应完成“金属工艺学”课程及其实习，在学习中应注意结合生产生活中的应用实例。
　　第1 章 金属学基础
　　金属材料的化学成分、组织类型及结构决定了材料的性能，而且金属材料的成分、组织、结构和性能间有着内在规律。改变化学成分、内部结构及组织状态能改善金属材料的性能，这就促使人们致力于金属及合金内部组织结构的研究，以寻求改善和发展金属材料的途径。本章以金属材料为例，介绍成分、组织、结构和性能间的关系及有关的基础知识。
　　1.1 金属的晶体结构
　　1.1.1 晶体与非晶体
　　固体按其原子(或分子、离子)聚集状态分为晶体和非晶体两类。
　　1)晶体
　　晶体是质点(原子、分子或离子)在三维空间按一定几何规律做周期性重复排列所形成的物体，如结晶盐、天然金刚石、水晶和所有金属等。
　　2)非晶体
　　非晶体是质点在三维空间无规律堆积在一起所形成的物体，如普通玻璃、石蜡等。
　　3)晶体与非晶体的特征与区别
　　(1)质点排列的区别：晶体质点规则排列，有规则外形(金属等除外)；非晶体质点无规则排列，无规则外形。
　　(2)熔点的区别：晶体有固定熔点；非晶体无固定熔点。
　　(3)各向性能的区别：晶体各向异性；非晶体各向同性。
　　1.1.2 理想金属的晶体结构
　　在晶体中，原子排列的规律不同，则其性能也不同，因此必须研究金属的晶体结构。特别强调，“理想金属”只是为了研究问题方便而进行的一种假设，即假设存在一种没有缺陷的单晶体的纯金属，我们称它为理想金属。
　　1．金属原子的构造与键合方式
　　1)金属原子的构造特点
　　金属原子的结构特点是，最外层的电子数很少，一般为1 或2 个，最多3 个。这些外层电子与原子核的结合力弱，很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。自由电子在阳离子间穿来穿去，为整个金属共有，形成“电子气”。金属原子因为失去电子而成为在原位置上高频振动的阳离子。
　　金属原子的构造如图1-1 所示。
　　2)金属键
　　金属晶体是靠阳离子和自由电子的吸引力，以及离子与离子、电子与电子的排斥力的平衡而结合的，这种结合形式称为金属键。
　　图1-1 金属键模型示意图
　　3)金属晶体具有的特性及其原因
　　金属晶体是金属键结合，因此金属晶体除了具有一般晶体的特点，还具有一些特性，如有光泽，有良好的导电性、导热性、塑性，有正的电阻温度系数(与非金属晶体的根本区别)。
　　(1)导电性：自由电子在电场作用下做定向移动形成电流，即导电。
　　(2)正的电阻温度系数：温度越高，阳离子在固定位置上的振动幅度和频率越大，阻碍电子通过的作用越大，即电阻越大。
　　(3)导热性：自由电子的自由运动和阳离子的振动都能传递热量，即导热。
　　(4)塑性：当金属晶体发生塑性变形，即一部分相对另一部分滑移后，阳离子与自由电子间仍然保持金属键结合。
　　(5)不透明性：自由电子吸收可见光能量。
　　(6)金属的光泽：光线照到金属上，原子内层电子吸收能量跃到外层。当外层电子又回到内层时，将以电磁波的形式放出能量，表现出金属的光泽。
　　2．金属晶体结构的基本概念
　　(1)晶体结构：晶体中原子(离子或分子)在三维空间有规律的周期性排列形式，如图1-2所示。
　　(2)晶格：把晶体中原子(离子或分子)抽象为几何点，并用假想的直线连接起来所形成的空间格子，如图1-3 所示。
　　(3)结点：晶格中表示原子(离子或分子)所在位置的几何点。
　　(4)晶胞：能够反映晶格中原子排列特征的最小几何单元，如图1-4 所示。
　　图1-2 简单立方晶体结构示意图
　　图1-3 简单立方晶格
　　图1-4 简单立方晶胞