清華大學(xué)-工程材料課件(1)

1、第1 1章 材料的結(jié)構(gòu)與性能 內(nèi)容提要： 本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。 一般介紹金屬材料的性能、高分子材料和一般介紹金屬材料的性能、高分子材料和陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)，了解金屬材料的組織及性能。和合金的結(jié)構(gòu)，了解金屬材料的組織及性能。了解高分子材料、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。了解高分子材料、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。1.11.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 1.1

2、.11.1.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子晶體中原子( (離子或分子離子或分子) )規(guī)規(guī)則排列的方式。則排列的方式。 通過金屬原子通過金屬原子( (離子離子) )的中心劃出許多直的中心劃出許多直線，形成空間格架，稱為線，形成空間格架，稱為晶格晶格。 棱邊長棱邊長a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、 a a、b b、c c 稱為稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)。 金屬的晶格常數(shù)一般為金屬的晶格常數(shù)一般為: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 晶胞晶胞老師提示老師提示 不同

3、元素組成的金屬晶體因晶格不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用X X射線射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。 晶胞：晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。能反映該晶格特征的最小組成單元。 一、三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 老師提示：老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 1. 1. 體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) ) 8 8個(gè)原子處于立方體的角上，個(gè)原子處于立方體的角上，1 1個(gè)原子處于個(gè)原子處于立方體的中心立方體的中

4、心, , 角上角上8 8個(gè)原子與中心原子緊靠。個(gè)原子與中心原子緊靠。 具有體心立方晶具有體心立方晶格的金屬有鉬格的金屬有鉬(Mo)(Mo)、鎢鎢(W)(W)、釩、釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =b b= =c, c, = = =90=90 （2 2）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) 角上的原子屬于角上的原子屬于8 8個(gè)相鄰的晶胞，中心的原個(gè)相鄰的晶胞，中心的原子屬于這個(gè)晶胞。子屬于這個(gè)晶胞。 一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為2 2個(gè)。個(gè)。 （3 3）原子

5、半徑）原子半徑 晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑一半稱為原子半徑( (r r原子原子) )。 體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)a a之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： （4 4）致密度）致密度 晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度之比稱為致密度( (也稱密排系數(shù)也稱密排系數(shù)) )。 致密度越大，原子排列緊密程度越大。致密度越大，原子排列緊密程度越大。 體心立方晶胞的致密度為：體心立方晶胞的致密度為： （5 5）空隙半徑）空隙半徑 在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。在晶

6、胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。 體心立方晶胞中有兩種空隙：體心立方晶胞中有兩種空隙： 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。且距離相等的原子數(shù)目。 配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。 體心立方晶格的配位數(shù)為體心立方晶格的配位數(shù)為8 8。 2. 2. 面心

7、立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) ) 金屬原子分布在立方體的金屬原子分布在立方體的8 8個(gè)角上和個(gè)角上和6 6個(gè)面的中心。面中心的原子與該面?zhèn)€面的中心。面中心的原子與該面4 4個(gè)角上個(gè)角上的原子緊靠。的原子緊靠。 具有這種晶格的金具有這種晶格的金屬有鋁屬有鋁(Al)(Al)、銅、銅(Cu)(Cu)、鎳鎳(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、銀、銀(Ag)(Ag)、- - 鐵鐵( -Fe, ( -Fe, 912 912 1394 )1394 )等。等。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =b b= =c,

8、 c, = = =90=90 （2 2）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) ( (個(gè)個(gè)) ) 4 4 （3 3）原子半徑）原子半徑 （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半徑）空隙半徑 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: : r r四四=0.225=0.225r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑: : r r八八=0.414=0.414r r原子原子 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 12 12 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑 3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ( HCP ) ( HCP 晶格晶格) ) 1212個(gè)金屬原子分

9、布在六方體的個(gè)金屬原子分布在六方體的1212個(gè)角上個(gè)角上, , 在上下底面的中心各分布在上下底面的中心各分布1 1個(gè)原子個(gè)原子, , 上下底面之上下底面之間均勻分布間均勻分布3 3個(gè)原子。個(gè)原子。 具有這種晶格的金具有這種晶格的金屬有鎂屬有鎂(Mg)(Mg)、鎘、鎘(Cd)(Cd)、鋅鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。 密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) 正六邊形的邊長正六邊形的邊長a a 兩底面之間的距離兩底面之間的距離c c 相鄰側(cè)面夾角相鄰側(cè)面夾角120120 側(cè)面與底面夾角側(cè)面與底面夾角9090 （2 2）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) 6 6

10、（3 3）原子半徑）原子半徑 （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半徑）空隙半徑 四面體空隙半徑四面體空隙半徑為為: : r r四四= =0.2250.225r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑為為: : r r八八= =0.4140.414r r原子原子 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 12 12老師提示老師提示 由于原子排列緊密程度不一由于原子排列緊密程度不一樣，當(dāng)金屬從面心立方晶格向體心立方樣，當(dāng)金屬從面心立方晶格向體心立方晶格轉(zhuǎn)變時(shí)晶格轉(zhuǎn)變時(shí), , 體積會(huì)發(fā)生變化。體積會(huì)發(fā)生變化。 鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體

11、積變化。化。 不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不同同, , 使它們的形變能力不同。使它們的形變能力不同。 二、晶體中的晶面和晶向 通過晶體中原子中心的平面叫做通過晶體中原子中心的平面叫做晶面晶面； 通過原子中心的直線為原子列，代表的通過原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做方向叫做晶向晶向。 晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。 晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。 1. 1. 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBAABBA為例：為例： 晶面的截距可以為負(fù)數(shù)晶面的截距可以為負(fù)數(shù), , 在指數(shù)上加負(fù)號(hào)在指數(shù)上加負(fù)號(hào), , 如如 。 若

12、某個(gè)晶面若某個(gè)晶面 的指數(shù)都乘以的指數(shù)都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 則晶面則晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指數(shù)的一般標(biāo)記晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為為( (hklhkl) )。實(shí)際表示一組原。實(shí)際表示一組原子排列相同的平行晶面。子排列相同的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空間方原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。向不同的晶面組成晶面族。 晶面族用大括號(hào)表示晶面族用大括號(hào)表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111

13、111晶面族：晶面族： 以晶向以晶向DADA為例：為例： 2. 2. 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110110 晶向晶向OB OB ： 晶向指數(shù)一般標(biāo)記為晶向指數(shù)一般標(biāo)記為 uvwuvw ， 表示一組原子排列相同的平行晶向。表示一組原子排列相同的平行晶向。111111 若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號(hào)相反號(hào)相反, , 則它們相互平行或?yàn)橥辉恿袆t它們相互平行或?yàn)橥辉恿? , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 若只研

14、究原子排列情況若只研究原子排列情況, , 則晶向則晶向110110與與 可用同一個(gè)指數(shù)可用同一個(gè)指數(shù)110110表示。表示。晶向族晶向族 原子排列情況相同而在空間位向不原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組成晶向族。同的晶向組成晶向族。 晶向族用尖括號(hào)表示晶向族用尖括號(hào)表示, , 即即 。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí)一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí), , 則則該晶面與該晶向互相垂直。該晶面與該晶向互相垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶

15、面與晶向互相垂直晶面與晶向互相垂直 3. 3. 六方晶系的晶面指數(shù)和六方晶系的晶面指數(shù)和 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 四指數(shù)方法表示晶面和晶向。四指數(shù)方法表示晶面和晶向。 水平坐標(biāo)軸選取互相成水平坐標(biāo)軸選取互相成120120夾角的三坐標(biāo)軸夾角的三坐標(biāo)軸a a1 1、a a2 2和和a a3 3, , 垂直軸為垂直軸為c c 軸。軸。 晶面表示為晶面表示為( (hkilhkil),), 晶面族為晶面族為 hkilhkil, , 晶向表示為晶向表示為 uvtwuvtw, 晶向族為晶向族為 。 六方晶系主要晶面和晶向六方晶系主要晶面和晶向 4. 4. 密排面和密排方向密排面和密排方向 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、

16、不同晶向不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。上原子排列密度不一樣。 密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。 密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。 在體心立方晶格中，在體心立方晶格中， 密排面為密排面為110110。 密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)椤?在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面為密排面為111111。 密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)?。體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶

17、面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 100 100 110 110 111 111 體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向晶向 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長度長度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長度長度) ) 三、金屬晶體的特

18、性 1. 1. 金屬晶體具有確定的熔點(diǎn)金屬晶體具有確定的熔點(diǎn) 純金屬緩慢加熱到一定溫度純金屬緩慢加熱到一定溫度, , 固態(tài)金屬熔固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過程中溫度不變。化成為液態(tài)金屬。熔化過程中溫度不變。 熔化溫度熔化溫度( (T T0 0) )稱為稱為熔點(diǎn)熔點(diǎn)。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線 非晶體材料在非晶體材料在加熱時(shí)加熱時(shí), , 固態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)為液態(tài)時(shí), , 溫度變溫度變化?；?。 2. 2. 金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性 在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子排列不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大的方式和密度不

19、同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個(gè)晶粒只含一個(gè)晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.9010105 5 MPa, MPa, 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 單晶體鐵在磁場中沿單晶體鐵在磁場中沿方向磁化容方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的易。制造變壓器用的硅鋼片的方向應(yīng)平方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。 鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶

20、面的溶解速度鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度的次序從大到小是：的次序從大到小是： 各向異性：各向異性：晶體晶體在不同的方向上的力學(xué)、在不同的方向上的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能不一樣。物理和化學(xué)等性能不一樣。 各向同性：各向同性：非晶體非晶體在各個(gè)方向上性能完在各個(gè)方向上性能完全相同，這種性質(zhì)叫非晶體的全相同，這種性質(zhì)叫非晶體的各向同性各向同性。 實(shí)際使用的金屬實(shí)際使用的金屬, , 內(nèi)部有許多晶粒組成，內(nèi)部有許多晶粒組成，每個(gè)晶粒在空間分布的位向不同，在宏觀上每個(gè)晶粒在空間分布的位向不同，在宏觀上沿各個(gè)方向上的性能趨于相同，晶體的各向沿各個(gè)方向上的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。異性顯示不出

21、來。 練習(xí)練習(xí) 寫出體心立方晶格、面心立方晶格的寫出體心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。密排面和密排方向。 四、實(shí)際金屬中的晶體缺陷 1. 1. 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 在三維尺度上都很小的的缺陷。在三維尺度上都很小的的缺陷。 （1 1）空位）空位 晶格中某結(jié)點(diǎn)上沒有原子。晶格中某結(jié)點(diǎn)上沒有原子。有利于金屬內(nèi)部原子的擴(kuò)散。有利于金屬內(nèi)部原子的擴(kuò)散。 （2 2）間隙原子）間隙原子 位于晶格間隙之中的原子位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子。叫間隙原子。 （3 3）異類原子）異類原子 純金屬中存在的其它元素。純金屬中存在的其它元素。 異類原子與金屬原子的半徑接近時(shí)異類原子與金屬原子的半徑接近時(shí), ,

22、占據(jù)占據(jù)晶格的一些結(jié)點(diǎn)晶格的一些結(jié)點(diǎn); ; 異類原子異類原子 老師提示：老師提示：點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變, , 使金使金屬的屈服強(qiáng)度、電阻率增加屬的屈服強(qiáng)度、電阻率增加, , 密度發(fā)生變化。密度發(fā)生變化。 異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多, , 位于晶格的空隙中。位于晶格的空隙中。 2. 2. 線缺陷線缺陷 指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，叫位錯(cuò)。由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。叫位錯(cuò)。由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。 （1 1）刃型位錯(cuò)）刃型位錯(cuò) 晶體的一部分出現(xiàn)一個(gè)多余晶體的一部分出現(xiàn)一個(gè)多余

23、的半原子面。如切入晶體的刀片，的半原子面。如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)線。這種刀片的刃口線即為位錯(cuò)線。這種線缺陷稱刃型位錯(cuò)。線缺陷稱刃型位錯(cuò)。 半原子面在上面的稱正刃型半原子面在上面的稱正刃型位錯(cuò)位錯(cuò), , 半原子面在下面的稱負(fù)刃半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯(cuò)。型位錯(cuò)。 （2 2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò) 晶體右邊的上部相對(duì)于下晶體右邊的上部相對(duì)于下部向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距。晶部向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距。晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。 錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起來，成螺旋狀。來，成螺旋狀。 這種線缺陷稱螺型位錯(cuò)。這種線缺陷稱螺型位錯(cuò)。 位錯(cuò)的形成：位錯(cuò)的形成： 在金屬的結(jié)晶、塑性變形

24、和相變等過在金屬的結(jié)晶、塑性變形和相變等過程中形成。程中形成。 不銹鋼中的位錯(cuò)線不銹鋼中的位錯(cuò)線 位錯(cuò)的量：位錯(cuò)的量：用位錯(cuò)線長度來表示。用位錯(cuò)線長度來表示。 位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：單位體積中位錯(cuò)線的總長度。單位體積中位錯(cuò)線的總長度。 式中：式中： 為位錯(cuò)密度為位錯(cuò)密度, , 單位為單位為m m-2-2， LL 為位錯(cuò)線總長度為位錯(cuò)線總長度, , 單位為單位為m, m, V V為體積為體積, , 單位為單位為m m3 3。 位錯(cuò)對(duì)性能的影響：位錯(cuò)對(duì)性能的影響： 金屬為理想晶體或含極少量位錯(cuò)時(shí)金屬為理想晶體或含極少量位錯(cuò)時(shí), , 金屬的屈服強(qiáng)度金屬的屈服強(qiáng)度s s 很高。很高。 當(dāng)含有一定量的位錯(cuò)

25、時(shí)當(dāng)含有一定量的位錯(cuò)時(shí), , 強(qiáng)度降低。強(qiáng)度降低。 退火金屬中位錯(cuò)密度為退火金屬中位錯(cuò)密度為 10106 68 8 cmcm-2-2 ，強(qiáng)度最低。強(qiáng)度最低。金屬的強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系金屬的強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系 形變加工時(shí)形變加工時(shí), , 位錯(cuò)密度增加位錯(cuò)密度增加, , s s 增高。增高。 3. 3. 面缺陷面缺陷 二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。 （1 1）晶界）晶界 實(shí)際金屬為多晶體。每個(gè)晶實(shí)際金屬為多晶體。每個(gè)晶?？梢暈閱尉w。所有晶粒的結(jié)粒可視為單晶體。所有晶粒的結(jié)構(gòu)相同構(gòu)相同, , 位向不同位向不同, , 位向差為幾位向差為幾十分、幾度或幾十度

26、。十分、幾度或幾十度。1Cr171Cr17不銹鋼的多晶體不銹鋼的多晶體 晶界原子排列晶界原子排列示意圖示意圖 晶界晶界 晶粒與晶粒之間的接晶粒與晶粒之間的接觸界面觸界面。 晶界在空間呈網(wǎng)狀；晶界上晶界在空間呈網(wǎng)狀；晶界上原子的排列規(guī)則性較差。原子的排列規(guī)則性較差。 （2 2）亞晶界）亞晶界 晶粒由許多位向相差很小的晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒亞晶粒( (嵌鑲塊嵌鑲塊) )組成。亞晶粒之組成。亞晶粒之間的位向差只有幾秒、幾分，最間的位向差只有幾秒、幾分，最多達(dá)多達(dá)1 12 2度。度。 亞晶界亞晶界 亞晶粒之間的邊界。亞晶粒之間的邊界。亞晶界由位錯(cuò)垂直排列成位錯(cuò)墻亞晶界由位錯(cuò)垂直排列成位錯(cuò)墻構(gòu)成

27、。構(gòu)成。老師提示老師提示 晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度。晶界越多度。晶界越多, , 晶粒越細(xì)晶粒越細(xì), , 金屬的塑性變形金屬的塑性變形能力越大能力越大, , 塑性越好。塑性越好。亞晶界亞晶界1.1.21.1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金合金 一種金屬元素同另一種或幾種其一種金屬元素同另一種或幾種其它元素它元素, , 通過熔化或其它方法結(jié)合在一通過熔化或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元：組元：組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元。組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元。 組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。組元可以是

28、金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。 二元合金：二元合金：由兩個(gè)組元組成的合金。由兩個(gè)組元組成的合金。 如鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。如鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。 合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比純金屬高許多；純金屬高許多； 某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理、化學(xué)性能。蝕等物理、化學(xué)性能。 合金的應(yīng)用比純金屬廣泛得多。合金的應(yīng)用比純金屬廣泛得多。 相：相： 在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻

29、組成部分。部分。 液態(tài)物質(zhì)為液相。液態(tài)物質(zhì)為液相。 固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)合金中有兩類基本相：固態(tài)合金中有兩類基本相： 固溶體固溶體 金屬化合物金屬化合物 一、固溶體固溶體固溶體 合金組元通過溶解形成一種成合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。同的固相。溶劑溶劑 與固溶體晶格相同的組元與固溶體晶格相同的組元溶質(zhì)溶質(zhì) 其他另一組元（含量較少）其他另一組元（含量較少） 固溶體用固溶體用、等符號(hào)表示。等符號(hào)表示。A A、B B組元組成的固溶體也可表示為組元組成的固溶體也可表示為A(B), A(B), 其中其中A A為為溶

30、劑溶劑, B, B為溶質(zhì)。為溶質(zhì)。 例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用體一般用表示表示, , 亦可表示為亦可表示為Cu(Zn)Cu(Zn)。 1. 1. 固溶體的分類固溶體的分類 （1 1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分 置換固溶體置換固溶體: :溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子結(jié)點(diǎn)上的原子; ; 間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中。之中。置換固溶體置換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 （2 2）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度

31、分 有限固溶體、無限固溶體有限固溶體、無限固溶體兩種。兩種。 固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的濃度濃度，用，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。 在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中的的極限濃度極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度溶解度。 有限固溶體有限固溶體 超過溶解度有其它相形成。超過溶解度有其它相形成。 無限固溶體無限固溶體 溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)溶解度可達(dá)溶質(zhì)溶解度可達(dá)100%100%。 （3 3）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布有否規(guī)律分）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布

32、有否規(guī)律分 無序固溶體：無序固溶體：溶質(zhì)原子無規(guī)則分布溶質(zhì)原子無規(guī)則分布 有序固溶體：有序固溶體：溶質(zhì)原子規(guī)則分布溶質(zhì)原子規(guī)則分布無序固溶體無序固溶體有序固溶體有序固溶體有序化轉(zhuǎn)變：有序化轉(zhuǎn)變：在一定條件下，一些合金的無序在一定條件下，一些合金的無序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。 2. 2. 固溶體的性能固溶體的性能 固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。 晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。度。通過形成固溶

33、體使金屬強(qiáng)度和硬通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。 在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。 如：如： 純銅的純銅的b b為為220 MPa, 220 MPa, 硬度為硬度為40 HB, 40 HB, 斷面收縮率斷面收縮率為為70%70%。 當(dāng)加入當(dāng)加入1%1%的鎳形成單相固溶體后的鎳形成單相固溶體后, , 強(qiáng)強(qiáng)度升高到度升高到390 MPa, 390 MPa, 硬度升高到硬度升

34、高到70 HB, 70 HB, 而斷而斷面收縮率仍有面收縮率仍有50%50%。 固溶體綜合機(jī)械性能很好固溶體綜合機(jī)械性能很好, , 常作為結(jié)構(gòu)常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。合金的基體相。 固溶體與純金屬相比固溶體與純金屬相比, , 物理性能有較大物理性能有較大的變化的變化, , 如電阻率上升如電阻率上升, , 導(dǎo)電率下降導(dǎo)電率下降, , 磁矯磁矯頑力增大。頑力增大。 二、金屬化合物 合金組元相互作用形成的晶格類型合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物即為金屬化合物, , 或稱或稱中間相中間相。 金屬化合物一般熔點(diǎn)較高金屬化合物一般熔點(diǎn)

35、較高, , 硬度高硬度高, , 脆性大。脆性大。 合金中含有金屬化合物時(shí)合金中含有金屬化合物時(shí), , 強(qiáng)度、硬強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高度和耐磨性提高, , 而塑性和韌性降低。而塑性和韌性降低。 1. 1. 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物 嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。 由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電負(fù)性相差較大由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電負(fù)性相差較大的兩元素組成，可用確定的化學(xué)式表示。的兩元素組成，可用確定的化學(xué)式表示。 大多數(shù)金屬和大多數(shù)金屬和AA族、族、族、族、AA族元素生成族元素生成MgMg2 2SiSi、MgMg2 2SbSb3 3、MgMg2 2SnSn、CuCu2 2S

36、eSe、ZnSZnS、AlPAlP及及-SiC-SiC等。等。 性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。 2. 2. 電子化合物電子化合物 不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合于一定電子濃度不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合于一定電子濃度( (化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比) )的化合物叫的化合物叫做做電子化合物電子化合物。 由由BB族或過渡族元素與族或過渡族元素與BB族、族、AA族、族、AA族、族、AA族元素所組成。族元素所組成。 一定電子濃度的化合物相應(yīng)有確定的晶體一定電子濃度的化合物相應(yīng)有確定的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), , 并且還可溶解其組元并且還可溶解其組元, , 形成以電子化合形成

37、以電子化合物為基的固溶體。物為基的固溶體。 生成電子化合物時(shí)生成電子化合物時(shí), , 元素每個(gè)原子所貢獻(xiàn)的元素每個(gè)原子所貢獻(xiàn)的價(jià)電子數(shù)：價(jià)電子數(shù)： AuAu、AgAg、CuCu為為1 1個(gè)個(gè) BeBe、MgMg、ZnZn為為2 2個(gè)個(gè) AlAl為為3 3個(gè)個(gè) FeFe、NiNi為為0 0個(gè)個(gè)Cu-ZnCu-Zn合金中電子化合物：合金中電子化合物： 性能：性能：主要以金屬鍵結(jié)合主要以金屬鍵結(jié)合, , 具有明顯的金屬具有明顯的金屬特性特性, , 導(dǎo)電，熔點(diǎn)和硬度較高，但塑性較差，有導(dǎo)電，熔點(diǎn)和硬度較高，但塑性較差，有色金屬中重要的強(qiáng)化相。色金屬中重要的強(qiáng)化相。CuZn CuZn 體心立方晶格，電子濃

38、度體心立方晶格，電子濃度21/1421/14（3/2 3/2 ）CuCu5 5ZnZn8 8 復(fù)雜立方晶格，電子濃度復(fù)雜立方晶格，電子濃度21/1321/13CuZnCuZn3 3 密排六方晶格，電子濃度密排六方晶格，電子濃度21/1221/12（7/4 7/4 ） 3. 3. 間隙化合物間隙化合物 由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。半徑較小的非金屬元素形成的化合物。 性能：性能：具有金屬特性，有極具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度高的熔點(diǎn)和硬度, , 非常穩(wěn)定。提非常穩(wěn)定。提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性和高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)

39、性、紅硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相。中的重要組成相。間隙相（間隙相（TiC) （1 1）間隙相）間隙相 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.590.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相間隙相。 （2 2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.590.59時(shí)，形成具有時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。 如鋼如鋼中的中的FeFe3 3C C、FeFe4

40、4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、FeBFeB等。等。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物(Fe3C) Fe Fe3 3C C具有復(fù)雜的晶體具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。鐵原子可以部分結(jié)構(gòu)。鐵原子可以部分地被地被MnMn、CrCr等金屬原子等金屬原子置換置換, , 形成以間隙化合形成以間隙化合物為基的固溶體物為基的固溶體, , 如如(Fe(Fe、Mn)Mn)3 3C C、(Fe(Fe、Cr)Cr)3 3C C。 性能：性能：具有很高的熔具有很高的熔點(diǎn)和硬度點(diǎn)和硬度, , 但比間隙相稍但比間隙相稍低些低些, , 在鋼中起強(qiáng)化相作在鋼中起強(qiáng)化相作用。用。1 1.1.31.3 金屬材料的組

41、織金屬材料的組織 一、組織的概念 組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成。的各種相組成。 金屬材料的組織可以由單相組成，也可以金屬材料的組織可以由單相組成，也可以由多相組成。由多相組成。 在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織顯微組織( (簡稱簡稱組織組織) )。 二、影響組織的因素 組織取決于化學(xué)成分和工藝過程。組織取決于化學(xué)成分和工藝過程。 1 1、化學(xué)成分、化學(xué)成分 不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)晶后的室不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)

42、晶后的室溫組織不一樣。溫組織不一樣。 圖圖(a)(a)為純鐵的組織，叫為純鐵的組織，叫鐵素體鐵素體。 圖圖(c)(c)是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%0.77%的鐵碳合金的組的鐵碳合金的組織織, , 叫叫珠光體珠光體。 (a) 0.01%C (b) 0.45%C (c) 0.77%C (d) 1.2%C鐵碳合金的室溫平衡組織鐵碳合金的室溫平衡組織 2 2、工藝、工藝 金屬材料的化學(xué)成分一定時(shí)金屬材料的化學(xué)成分一定時(shí), , 工藝過程是工藝過程是組織最重要的影響因素。組織最重要的影響因素。 純鐵經(jīng)冷拔后純鐵經(jīng)冷拔后, , 等軸形狀的鐵素體晶粒等軸形狀的鐵素體晶粒變成拉長了的鐵素體晶粒。變成拉

43、長了的鐵素體晶粒。變形前變形前 變形后變形后 片狀珠光體片狀珠光體 球狀珠光體球狀珠光體 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%0.77%的鐵碳合金的鐵碳合金 室溫平衡組織為室溫平衡組織為 片狀珠光體片狀珠光體。 球化退火后組織為球化退火后組織為球狀珠光體球狀珠光體。 三、組織與性能的關(guān)系 材料的性能與組織密切相關(guān)。材料的性能與組織密切相關(guān)。 三種不同組織的灰口鑄鐵三種不同組織的灰口鑄鐵 (a)(a)組織為鐵素體和片狀石墨，組織為鐵素體和片狀石墨， b b為為150MPa150MPa (b) (b)組織為鐵素體和團(tuán)絮狀石墨，組織為鐵素體和團(tuán)絮狀石墨，b b為為350MPa350MPa (c) (c

44、)組織為鐵素體和球狀石墨，組織為鐵素體和球狀石墨， b b為為420MPa420MPa 沖擊韌度最高的是沖擊韌度最高的是(c),(c),其次為其次為(b),(b),最低的是最低的是(a)(a) 灰口鑄鐵的組織灰口鑄鐵的組織（a a） （b b） （c c） 純鐵純鐵 冷拔前抗拉強(qiáng)度為冷拔前抗拉強(qiáng)度為180 MPa180 MPa。 冷拔后（變形度為冷拔后（變形度為80%80%）抗拉強(qiáng)度為）抗拉強(qiáng)度為500 MPa500 MPa。 碳含量為碳含量為0.77%0.77%的鐵碳合金的鐵碳合金 室溫平衡組織中片狀室溫平衡組織中片狀FeFe3 3C C相相, , 切削加工時(shí)切削加工時(shí), , 刀刀具磨損很厲

45、害。具磨損很厲害。 球化退火后球化退火后, Fe, Fe3 3C C相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀, , 切削切削時(shí)對(duì)刀具的磨損較小。時(shí)對(duì)刀具的磨損較小。老師提示老師提示 金屬的組織結(jié)構(gòu)由材料的成金屬的組織結(jié)構(gòu)由材料的成分、工藝所決定。金屬材料的性能由金分、工藝所決定。金屬材料的性能由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。不同組織結(jié)屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能。構(gòu)的材料具有不同的性能。1.21.2 金屬材料的性能金屬材料的性能 金屬材料的性能：金屬材料的性能：工藝性能工藝性能 使用性能使用性能。 工藝性能工藝性能 制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性

46、能。性能。 鑄造性能鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、鍛壓性能、焊接性能、 切削加工性能、熱處理性能切削加工性能、熱處理性能 使用性能使用性能 材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。能。 力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能 一、鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力。鑄件的能力。鑄造鑄造 1. 1. 流動(dòng)性流動(dòng)性 熔融金屬的流動(dòng)能力。熔融金屬的流動(dòng)能力。 完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。 2. 2. 收縮性收縮性 鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減少的

47、現(xiàn)象。少的現(xiàn)象。 鑄件收縮不僅影響尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮鑄件收縮不僅影響尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。 鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。 3. 3. 偏析偏析 金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象。的不均勻現(xiàn)象。 偏析大使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的偏析大使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。差異，降低鑄件的質(zhì)量。1.2.1 1.2.1 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 二、鍛造性能 鍛造性鍛造性 金屬材料用鍛壓加工方法成形的金屬材料

48、用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力。適應(yīng)能力。鍛造鍛造 冷沖冷沖 金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。金屬的鍛造性能越好。 三、焊接性能 焊接性焊接性 金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 電弧焊電弧焊 氣焊氣焊 鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。 低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %0.18 %的合金鋼的合金鋼焊接性能較好。焊接性能較好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。

49、焊接性能越差。 四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度用切削后的表面粗糙度和刀具壽命來表示。和刀具壽命來表示。 金屬材料具有適當(dāng)?shù)挠捕冉饘俨牧暇哂羞m當(dāng)?shù)挠捕?170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足夠的脆性時(shí)切削性良好。和足夠的脆性時(shí)切削性良好。 改變鋼的化學(xué)成分改變鋼的化學(xué)成分( (加少量鉛、磷加少量鉛、磷) )和進(jìn)行適當(dāng)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼臒崽幚? (低碳鋼正火，高碳鋼球化退火低碳鋼正火，高碳鋼球化退火) )可提高鋼可提高鋼的切削加工性能。的切削加工性能。 銅有良好的切削加工性能。銅有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要

50、考慮其淬透性鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性, , 即鋼接受淬火的能力。即鋼接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金鋼淬透等合金元素的合金鋼淬透性比較好性比較好, , 碳鋼的淬透性較差。碳鋼的淬透性較差。 鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。 銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。 1.2.2 1.2.2 金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能 金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性、硬

51、度、韌性、疲勞強(qiáng)度 載荷的形式載荷的形式 一、強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。(a)(a)原始試樣原始試樣 （b)b)拉伸后試樣拉伸后試樣 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸曲線拉伸曲線 1. 1. 彈性極限彈性極限e e 材料保持彈性變形材料保持彈性變形, , 不產(chǎn)生永久變形的最不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力。大應(yīng)力。 2. 2. 屈服極限（屈服強(qiáng)度）屈服極限（屈服強(qiáng)度）s s 金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。 條件屈服極限條件屈服極限0.2 0.2 鑄鐵等材料

52、沒有明顯的鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象, , 用產(chǎn)生用產(chǎn)生0.2%0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值表示。殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值表示。 3. 3. 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限( (抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b b ) ) 金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。 二、塑性 斷裂前材料產(chǎn)生永久斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。變形的能力稱為塑性。 (a)(a)原始試樣原始試樣 （b)b)拉伸后試樣拉伸后試樣 1. 1. 伸長率（伸長率（） 試樣拉斷后試樣拉斷后, , 標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率。比稱為伸長率。 2. 2. 斷面收縮率（斷面收縮率（） 試樣拉斷

53、后試樣拉斷后, , 縮頸處截面積的最大縮減量與縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。 三、硬度 材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度。材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度。 即材料受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。即材料受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。鋼球壓頭鋼球壓頭用用HBSHBS表示表示硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球用用HBWHBW表示表示布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 1. 1. 布氏硬度（布氏硬度（HB)HB) 一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球在一定載荷作一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球在一定載荷作用下壓入試樣表面。測(cè)量壓痕直徑用下壓入試樣表面。測(cè)量壓痕直徑, ,

54、 計(jì)算硬度值。計(jì)算硬度值。布氏硬度計(jì)的使用布氏硬度計(jì)的使用 2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度(HRA(HRA、HRBHRB、HRC)HRC) 采用金剛石壓頭采用金剛石壓頭( (或鋼球壓頭或鋼球壓頭) )， 加預(yù)載荷加預(yù)載荷F F0 0 ，壓入深度，壓入深度h h0 0 。再加主載荷。再加主載荷F F1 1 。 卸去主載荷卸去主載荷F F1 1，測(cè)量其殘余壓入深度，測(cè)量其殘余壓入深度h, h, 用用h h與與h h0 0之差之差h h來計(jì)算洛氏硬度值。來計(jì)算洛氏硬度值。 硬度直接從硬度計(jì)表盤上讀得。硬度直接從硬度計(jì)表盤上讀得。洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) 根據(jù)壓頭的種類和根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度

55、總載荷的大小洛氏硬度常用表示方式有常用表示方式有: : HRA HRA、HRBHRB、HRCHRC洛氏硬度計(jì)的使用洛氏硬度計(jì)的使用 四、沖擊韌度（ak） 材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性沖擊韌性。 用擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定。用擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定。 測(cè)得試樣測(cè)得試樣沖擊吸收功沖擊吸收功，用符號(hào)用符號(hào)A Ak k表示。表示。 用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S S0 0 , , 得得到材料的到材料的沖擊韌度沖擊韌度a ak k。沖擊試樣沖擊試樣沖擊吸收功的測(cè)定沖擊吸收功的測(cè)定 五、疲勞強(qiáng)度 軸、齒輪、葉片、彈簧等零件，在工作軸

56、、齒輪、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種應(yīng)力稱為這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力( (也稱循環(huán)應(yīng)力也稱循環(huán)應(yīng)力) )。 在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋、或突然發(fā)生斷裂。這種過工作而產(chǎn)生裂紋、或突然發(fā)生斷裂。這種過程稱為程稱為金屬的疲勞金屬的疲勞。 交變應(yīng)力越小，材料斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次交變應(yīng)力越小，材料斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)數(shù)N越大。越大。 當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí), 試樣可以經(jīng)受無限試樣可以經(jīng)受

57、無限周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度 ( (疲勞極限疲勞極限) )，用用-1 表示。表示。 六、斷裂韌性 橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷。生低應(yīng)力脆斷。 工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。 原因：原因：構(gòu)件或零件存在裂紋。裂紋在應(yīng)力構(gòu)件或零件存在裂紋。裂紋在應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。作用下失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。斷裂韌性斷裂韌性 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 斷裂的能力。斷裂的能力。 裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)

58、力場強(qiáng)度因子稱為強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用，用K K1C1C表示，單位為表示，單位為MN/mMN/m3/23/2，它代表材料的斷裂它代表材料的斷裂韌性。韌性。裂紋尖端應(yīng)力場大小用應(yīng)力場強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力場大小用應(yīng)力場強(qiáng)度因子 表示。表示。KIY Y：系數(shù)：系數(shù) ：外加應(yīng)力：外加應(yīng)力a a：裂紋半長：裂紋半長1.2.3 1.2.3 金屬材料的理化性能金屬材料的理化性能 一、金屬的物理性能 1. 1. 密度密度 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度密度。 密度小于密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3 的金屬稱為輕金屬的金屬稱為

59、輕金屬, , 如鋁、鎂、鈦及它們的合金。用于航天航空器如鋁、鎂、鈦及它們的合金。用于航天航空器上。上。 密度大于密度大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金屬稱為重金屬的金屬稱為重金屬, , 如鐵、鉛、鎢等。如鐵、鉛、鎢等。 2. 2. 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)熔點(diǎn)。 熔點(diǎn)高的金屬稱難熔金屬，如鎢、鉬、釩熔點(diǎn)高的金屬稱難熔金屬，如鎢、鉬、釩等。制造耐高溫零件，如火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨喌取Ｖ圃炷透邷亓慵?，如火箭、?dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等零、部件。機(jī)和噴氣飛機(jī)等零、部件。 熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬

60、如錫、鉛等，可用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。可用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。 3. 3. 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率衡量導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率衡量。熱導(dǎo)率越大。熱導(dǎo)率越大, , 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性越好。銀導(dǎo)熱性最好越好。銀導(dǎo)熱性最好, , 銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。性比純金屬差。 在熱加工和熱處理時(shí)，防止材料加熱或冷卻在熱加工和熱處理時(shí)，防止材料加熱或冷卻時(shí)形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。時(shí)形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。 導(dǎo)熱性好的金屬材料制造散熱器、熱交換器導(dǎo)熱性好的金屬材料制造散熱器、熱交換器與活塞等零件。與活塞等零件。 4. 4. 導(dǎo)電性導(dǎo)電性