金屬材料的基礎(chǔ)知識

1、機械工程材料緒論一、歷史 新石器時代的仰韶文化已開始煉制和應(yīng)用黃銅 商周時期，青銅冶煉、鑄造技術(shù)已達到很高的水平商代晚期，青銅業(yè)進入了鼎盛時期。最能反映這個時期青銅冶鑄技術(shù)水平的，是1939年在河南安陽出土的司母戊鼎。它重達875公斤，帶耳，高133厘米，橫長110厘米，寬78厘米，它是我國到目前為止發(fā)掘出最大的青銅器，也是世界上最大的古青銅器，它造型瑰麗、渾厚，鼎外布滿花紋。司母戊鼎的鑄造，若沒有規(guī)模巨大和相當高超的采礦、冶煉、制范、熔鑄等技術(shù)，是不可想象的，它的鑄造充分體現(xiàn)了我國古代勞動人民的高度智慧。距今3000多年 秦公一號墓出土的鐵鏟、鐵杈，比世界上發(fā)現(xiàn)最早的鐵器工具要早1800年

2、1972年，在我國河北省藁城縣臺西村出土了一把商代鐵刃青銅鋮，其年代約在公元前十四世紀前后，在青銅鋮上嵌有鐵刃，該鐵刃就是將隕鐵經(jīng)加熱鍛打后，和鋮體嵌鍛在一起的。二、現(xiàn)在在機械制造業(yè)中，金屬材料是目前使用量最大、使用范圍最廣的材料。金屬材料分為鋼鐵材料和有色金屬材料兩大類。金屬材料有著優(yōu)良的使用性能和加工工藝性能。隨著科學技術(shù)的進步，非金屬材料以其具有一些金屬材料所不具備的性能特點（如耐蝕性、絕緣、消聲、質(zhì)輕、生產(chǎn)率高、成本低等）而得到迅速發(fā)展。金屬材料與非金屬材料有著各自的優(yōu)缺點，將兩種各有所長的材料組合在一起，揚長避短，這就構(gòu)成了復(fù)合材料。按基體材料的不同，可將復(fù)合材料分為高分子基、金屬基

3、、和陶瓷基復(fù)合材料三、目前在新材料和新材料構(gòu)件制造技術(shù)出現(xiàn)了以下一些新的突破點 輕合金材料 發(fā)展輕量化合金材料技術(shù)，建立鋁、發(fā)展輕量化合金材料技術(shù)，建立鋁、鎂合金半固態(tài)與擠壓鑄造、鎂合金超鎂合金半固態(tài)與擠壓鑄造、鎂合金超塑性成型與鈦合金成型技術(shù)、高溫鋁塑性成型與鈦合金成型技術(shù)、高溫鋁合金粉末與鋁基復(fù)材，開發(fā)高熱傳導(dǎo)合金粉末與鋁基復(fù)材，開發(fā)高熱傳導(dǎo)率鋁基碳鐵復(fù)合材料、發(fā)泡鋁板成型率鋁基碳鐵復(fù)合材料、發(fā)泡鋁板成型與軌道車輛輕量化技術(shù)與軌道車輛輕量化技術(shù) 金屬基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù) 以以SiCSiC長纖維增強的長纖維增強的TiTi基復(fù)合材料（基復(fù)合材料（TiMMCTiMMC）具有比強度高、比剛度高，

4、使用溫度高）具有比強度高、比剛度高，使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點。例如德國研及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點。例如德國研制的制的SCS-6 SiC/IMI834SCS-6 SiC/IMI834復(fù)合材料的抗拉強復(fù)合材料的抗拉強度高達度高達2200MPa2200MPa，剛度達，剛度達220GPa220GPa，而且具有，而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在700700溫度暴露溫度暴露2000h2000h后，力學性能不降低。主要應(yīng)用于未后，力學性能不降低。主要應(yīng)用于未來發(fā)動機中的構(gòu)件來發(fā)動機中的構(gòu)件 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù) 連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（CM

5、CCMC）耐溫）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂行為，高，密度低，具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀。其對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀。其中，連續(xù)纖維增韌碳化硅復(fù)合材料包括中，連續(xù)纖維增韌碳化硅復(fù)合材料包括C/SiCC/SiC和和SiC/SiCSiC/SiC兩種。兩種。C/SiCC/SiC和和SiC/SiCSiC/SiC的的密度分別為密度分別為1.81.82.1g/cm32.1g/cm3和和2.42.42.6g/cm32.6g/cm3，SiCSiC基基CMCCMC的最高工作溫度為的最高工作溫度為16501650，C/SC/Si iC C和和SiC/SiCSiC/SiC

6、可分別在有限壽可分別在有限壽命和長壽命條件下使用。主要應(yīng)用于高性命和長壽命條件下使用。主要應(yīng)用于高性能航空發(fā)動機的渦輪能航空發(fā)動機的渦輪 碳/碳復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù) 碳碳/ /碳復(fù)合材料（碳復(fù)合材料（C/CC/C）的最顯著的優(yōu)點是）的最顯著的優(yōu)點是耐高溫（耐高溫（1800180020002000）和低密度（約）和低密度（約1.9g/cm31.9g/cm3）。美、法、俄等研制的）。美、法、俄等研制的C/CC/C復(fù)合復(fù)合材料部件有：燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴材料部件有：燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導(dǎo)向葉片、整體渦輪盤、渦輪管、渦輪和導(dǎo)向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環(huán)等。美國將整體渦輪盤在外環(huán)等。美

7、國將整體渦輪盤在17601760進行進行了地面超轉(zhuǎn)試驗。了地面超轉(zhuǎn)試驗。C/CC/C構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)包括碳纖維預(yù)制體的設(shè)計與制備、包括碳纖維預(yù)制體的設(shè)計與制備、C/CC/C的致的致密化技術(shù)和密化技術(shù)和C/CC/C防氧化涂層的設(shè)計與制造防氧化涂層的設(shè)計與制造 第一章 金屬材料的基本知識 工程材料可分為：金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料 金屬材料在現(xiàn)代生產(chǎn)及人們的日常生活中占有極其重要的地位。金屬材料的品種繁多、性能各異，并能通過適當?shù)墓に嚫淖兤湫阅堋＝饘俨牧系男阅苡刹牧系某煞?、組織及加工工藝來確定。掌握各種材料的性能對材料的選擇、加工、應(yīng)用，以及新材料的開發(fā)都有著非常重要的

8、作用。1.1 金屬材料的性能1.1.1 金屬材料的力學性能1.1.2 金屬材料的其它性能簡介1.1.1 金屬材料的力學性能1彈性和剛度2強度3塑性4硬度5沖擊韌性 a k6斷裂韌性KI7疲勞強度. 彈性和剛度 金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形。當外力去掉后能恢復(fù)其原來形狀的性能稱為彈性。這種隨外力消除而消除的變形，稱為彈性變形 材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=/稱為彈性模量，單位為MPa。彈性模量E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。E值的大小主要取決于各種材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。 需要注意的是，材料的剛度不等于機件的剛度，

9、機件的剛度除與材料的剛度有關(guān)外，還與機件的結(jié)構(gòu)有關(guān) 提高零件剛度的方法有增加橫截面面積改變截面形狀選用彈性模量較大的材料2. 強度 在外力作用下，材料抵抗塑性變形和破斷的能力稱為強度。常用的強度性能指標主要是屈服強度和抗拉強度 1) 屈服強度（s、0.2） 當曲線達到B點時，曲線出現(xiàn)應(yīng)變增加而應(yīng)力不變的現(xiàn)象稱為屈服。屈服時的應(yīng)力稱為屈服強度，記為s，單位MPa 對沒有明顯的屈服現(xiàn)象的材料，國家標準規(guī)定用試樣標距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力值作為該材料的屈服強度，以0.2表示 2) 抗拉強度b 材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強度或強度極限，用b表示，單位MPa。在圖1.1-1中的D點

10、所對應(yīng)的應(yīng)力值即為b 屈服強度與抗拉強度的比值s/b稱為屈強比 屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載荷或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即 斷裂。但若屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。3. 塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力，稱為塑性 工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標 1) 延伸率 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號表示，即 式中：L0試樣原始標距長度； L1試樣拉斷后的標距長度。%100001LLL2) 斷面收縮率 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號表示，即 式中： A0試樣原始的橫截面積； A1試樣拉斷處的橫截面積

11、 %100110AAA 材料的和值越大，塑性越好 用表示塑性更接近材料的真實應(yīng)變 4. 硬度 硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力 硬度也反映材料抵抗其它物體壓入的能力 通常材料的強度越高，硬度也越高 工程上常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等 1) 布氏硬度HBS（W） 布氏硬度的測量方法如圖1.1-2所示。用一定載荷P，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，測量被測試試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積F，其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度值HB=P / F 布氏硬度的單位為kgf/mm2 當測試壓頭為淬火鋼球時，只

12、能測試布氏硬度小于450的材料，以HBS表示 當測試壓頭為硬質(zhì)合金時，可測試布氏硬度為450650的材料，以HBW表示 在測定材料的布氏硬度時，應(yīng)根據(jù)材料的種類和試樣的厚度，選擇球體材質(zhì)、球體直徑D、施加栽荷P和載荷保持時間等 布氏硬度試驗是由瑞典的布利涅爾（J.B.Brinell）于1900年提出來的 2) 洛氏硬度HR 洛氏硬度的測量方法如圖1.1-3所示 將標準壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料的表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值 根據(jù)壓頭的材料及所加的負荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種 洛氏硬度操作簡便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應(yīng)用 其缺點是：

13、由于壓痕小，測量誤差稍大，因此常在工件不同部位測量數(shù)次取平均值 洛氏硬度是由美國的洛克威爾（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell）于1919年提出來的 3) 維氏硬度HV 維氏硬度的測量原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為一相對面夾角為136金剛石正四方棱錐體，所加負荷為5120kgf（49.031176.80N） 它所測定的硬度值比布氏、洛氏硬度精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測定過程比較麻煩 圖1.1-為維氏硬度測試示意圖 在用規(guī)定的壓力P將金剛石壓頭壓入被測試件表面并保持一定時間后卸去載荷，測量壓痕投影的

14、兩對角線的平均長度d，據(jù)此計算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕表面積上平均壓力（P/S），以此作為被測材料的維氏硬度值 其計算公式如下： 維氏硬度試驗是由英國的史密斯（R.L.Smith）和桑德蘭德（G.E.Sandland）于1925年提出來的。 228544. 168sin2dPdPSPHV 5. 沖擊韌性 a k 沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用沖擊吸收功Ak和沖擊韌性a k指標來度量 有些機件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機的起落架等 瞬時沖擊引起的應(yīng)力和應(yīng)變要比靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變大得多，因此在選

15、擇制造該類機件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力 為了討論材料的沖擊韌性a k值，常采用一次沖擊彎曲試驗法 由于在沖擊載荷作用下材料的塑性變形得不到充分發(fā)展，為了能靈敏地反映出材料的沖擊韌性，通常采用帶缺口的試樣進行試驗 標準沖擊試樣有兩種，一種是夏比形缺口試樣，另一種是夏比形缺口試樣 同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其形試樣的a k值明顯大于形試樣的a k，所以這兩種試樣的值a k不能相互比較 試驗時，將試樣放在試驗機兩支座上，如圖1.1-7所示。將一定重量G的擺錘升至一定高度H1，如圖1.1-8所示，使它獲得位能為GH1；再將擺錘釋放，使其刀口沖向圖1.1-7箭頭所指試樣缺口的背面；沖斷

16、試樣后擺錘在另一邊的高度為H2，相應(yīng)位能為GH2，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所消耗的功，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收功Ak，即Ak = GH1GH2，單位為J。 試驗時，沖擊功的數(shù)值可從沖擊試驗機的刻度標盤上直接讀出 沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積F獲得沖擊韌性值ak ，即a k =Ak/ F，單位為J/cm2。有些國家（如美、英、日等國）直接用沖擊吸收功 Ak作為沖擊韌性指標 材料的a k 值愈大，韌性就愈好；材料的a k 值愈小，材料的脆性愈大 通常把a k 值小的材料稱為脆性材料 研究表明，材料的a k 值隨試驗溫度的降低而降低。當溫度降至某一數(shù)值或范圍時

17、，a k 值會急劇下降，材料則由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機件用材料，必須作低溫（一般為40）沖擊彎曲試驗，以防止低溫脆性斷裂6. 斷裂韌性KI 有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠低于s的情況下突然發(fā)生低應(yīng)力脆斷。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴展 材料中存在裂紋時，在裂紋尖端就會產(chǎn) 生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場，按斷裂力學分析，應(yīng)力場的大小可用應(yīng)力強度因子KI來描述，其單位為MPa m1/2，

18、腳標表示型裂紋強度因子 KI值的大小決定于裂紋尺寸（2a）和外加應(yīng)力場，它們之間的關(guān)系由下式表示： KY 式中：Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾 何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù) 為外加應(yīng)力場，單位為MPa； a為裂紋長度的一半，單位為mm a 由上式可見，隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當KI增大到某一定值時，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴展，材料快速發(fā)生斷裂。這個應(yīng)力強度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示。它反應(yīng)材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力，是強度和韌性的綜合體現(xiàn) KIC可通過試驗來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)7. 疲勞強度1) 疲勞的概念

19、 工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強度，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞 零件的疲勞斷裂過程可分為裂紋產(chǎn)生、裂紋擴展和瞬間斷裂三個階段 2) 疲勞強度 當零件所受的應(yīng)力低于某一值時，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強度或疲勞極限 材料的疲勞強度通過實驗得到 用實驗得到的交變應(yīng)力大小和斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系繪制出圖1.19所示的之間的關(guān)系曲線，即疲勞曲線 疲勞曲線表明，隨著應(yīng)力的減小，循環(huán)次數(shù)在增加，當應(yīng)力降到一定值后，曲線趨于水平，這就意味著材料在此應(yīng)力作用下無限次循環(huán)也不會產(chǎn)生斷裂，此應(yīng)力稱為材料對稱彎曲疲勞極

20、限，用-l表示，單位為Ma 在疲勞強度的實驗中，不可能把循環(huán)次數(shù)作到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作為基數(shù)，超過這個基數(shù)就認為不再發(fā)生疲勞破壞 常用鋼材的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強度鋼的循環(huán)基數(shù)為108 影響疲勞強度的因素甚多,其中主要有循環(huán)應(yīng)力特性、溫度、材料的成分和組織、表面狀態(tài)、殘留應(yīng)力等 鋼的疲勞強度約為抗拉強度的40一50，有色金屬約為抗拉強度2550 1.1.2 金屬材料的其它性能1物理性能材料的物理性能包括密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性及熱膨脹性等 （1）密度密度是指單位體積材料的質(zhì)量抗拉強度與密度之比稱為比強度；彈性模量與密度之比稱為比彈性模量在飛機和宇宙飛船上

21、使用的結(jié)構(gòu)材料，對比強度的要求特別高。（2）熔點 熔點是指材料的熔化溫度 材料的熔點越高，高溫性能就越好 （3）熱膨脹性 材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)來al來表示 它表示材料溫度每變化1時引起的材料長度上相對膨脹量的大小 對于精密儀器或機器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個非常重要的性能指標；在有兩種以上材料組合成的零件中，常因材料的熱膨脹系數(shù)相差大而導(dǎo)致零件的變形或破壞 （4）導(dǎo)熱性 熱量會通過固體發(fā)生傳遞，材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）來表示，表示當物體內(nèi)的溫度梯度為1/m時，單位時間內(nèi)，單位面積的傳熱量，其單位為W/（mK） 材料導(dǎo)熱性的好壞直接影響著材料的使用性能，如果零件材料的導(dǎo)熱性太差，

22、則零件在加熱或冷卻時，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差，膨脹不同，就會產(chǎn)生變形或裂紋。熱交換器等傳熱設(shè)備的零部件一般常用導(dǎo)熱性好的材料（如銅、鋁等）來制造 通常，金屬及合金的導(dǎo)熱性遠高于非金屬材料 （5）導(dǎo)電性 材料的導(dǎo)電性一般用電阻率（）來表示，電阻率表示單位長度、單位面積導(dǎo)體的電阻，其單位為m。電阻率越低，材料的導(dǎo)電性越好 根據(jù)電阻率數(shù)值的大小可把材料分為：超導(dǎo)體：0導(dǎo)體：10-8-10-5m半導(dǎo)體：10-5-107m絕緣體：107-1020m通常金屬的電阻率隨溫度的升高而增加，而非金屬材料則與此相反2化學性能（1）耐腐蝕性 耐腐蝕性是指材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力 材料的耐蝕性常用每年腐蝕深度（滲蝕

23、度）Ka（mm/a）表示 對金屬材料而言，其腐蝕形式主要有兩種，一種是化學腐蝕，另一種是電化學腐蝕 化學腐蝕是金屬直接與周圍介質(zhì)發(fā)生純化學作用，例如鋼的氧化反應(yīng) 電化學腐蝕是金屬在酸、堿、鹽等電介質(zhì)溶液中由于原電池的作用而引起的腐蝕（2）高溫抗氧化性 除了要在高溫下保持基本力學性能外，還要具備抗氧化性能 所謂高溫抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié)合牢靠的膜，從而阻止進一步氧化的特性 3工藝性能 材料的工藝性能是其機械性能、物理性能和化學性能的綜合。工藝性能的好壞，直接影響到制造零件的工藝方法和質(zhì)量以及制造成本。材料的工藝性能主要包括鑄造性、可鍛性、焊接性、切

24、削加工性等。（1）鑄造性 鑄造性是指澆注鑄件時，材料能充滿比較復(fù)雜的鑄型并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力 對金屬材料而言，評價鑄造性能好壞的主要指標有流動性、收縮率、偏析傾向等 流動性好、收縮率小、偏析傾向小的材料其鑄造性也好。一般來說，共晶成份的合金鑄造性好(2) 可鍛性可鍛性是指材料是否易于進行壓力加工的性能可鍛性好壞主要以材料的塑性和變形抗力來衡量一般來說。鋼的可鍛性較好，而鑄鐵不能進行任何壓力加工 （3）焊接性 焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能，一般用焊接處出現(xiàn)各種缺陷的傾向來衡量 低碳鋼具有優(yōu)良持焊接性，而鑄鐵和鋁合金的焊接性就很差（4）切削加工性 切削加工性是指材料是否易

25、于切削加工的性能 它與材料種一類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性及內(nèi)部組織狀態(tài)等許多因素有關(guān) 有利切削的材料硬度為160230HB 切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光潔 1.2 金屬的晶體構(gòu)造和結(jié)晶過程1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2 金屬的結(jié)晶過程1.2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1.2.4 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體的基本概念常見純金屬的晶格類型晶格的致密度及其晶面和晶向晶體的各向異性1. 晶體的基本概念晶體是指基原子具有規(guī)則排列的物體晶體結(jié)構(gòu)是指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常

26、把原子抽象為幾何點，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架，稱為晶格，如圖1.2-1所示；晶格中各邊線的交點稱為結(jié)點；晶格中各種不同方位的原子面，稱為晶面。組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞。晶格可以看成由晶胞堆積而成 晶胞的形狀和大小是用晶粒的棱邊長度a、b、c和棱邊的夾角、來表示的，見圖1.2-1c 晶胞的棱邊長度a、b、c稱為晶格常數(shù)，其大小以（埃）為單位（1=110-10m） 當晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角=90 時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞 具有簡單立方晶胞的晶格叫做簡單立方晶格。2. 常見純金屬的晶格類型n在金屬元素中，除少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)具有簡單的晶體

27、結(jié)構(gòu)，常見的晶格類型有三種：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格 （1）體心立方晶格（2）面心立方晶格 （3）密排立方晶格 (1) 體心立方晶格(Body-centred cubic lattice，簡稱b.c.c)體心立方晶格的晶胞是一個立方體，原子分布在立方體的各結(jié)點和中心處，如圖1.2-3所示。因其晶格常數(shù)a=b=c，故只用一個常數(shù)a表示即可。該晶胞在其立方體的對角線方向上原子是緊密排列的，故由對角線長度（a）和對角線上分布的原子數(shù)量（2個），就可以計算出原子的半徑r為 a。由于晶格頂點上的原子同時為相鄰的8個晶胞所公有，所以體心立方晶胞中的原子數(shù)目為 個。屬于這類晶格的金屬有-Fe

28、、Cr、V、W、Mo、Nb等。218812188143面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，簡稱f.c.c） 面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，原子分布在立方體的各結(jié)點和各面的中心處，如圖1.2-4所示。這種晶胞中，每個面的對角線上原子緊密排列，故其原子半徑r 為 a；又因為面心中的原子為兩個晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子數(shù)目為個 。屬于這類晶格的金屬有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。424621881密排立方晶格(Close-packed hexagonal lattice，簡稱c.p.h) 密排立方晶格的晶胞與簡單六方晶胞不同，在由12個原

29、子所構(gòu)成的正六面體的上下兩個六邊形的中心各有一個原子，在上下底中間有三個原子，如圖1.2-5所示。這種晶胞中，其晶格常數(shù)用正六邊形邊長a和立方體的高c來表示，兩者的比值c/a1.663，其原子半徑r=a/2；每個晶胞所包含的原子數(shù)為 個。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。6321261123. 晶格的致密度及其晶面和晶向（1）晶格的致密度（2）晶面指數(shù)及晶向指數(shù)（3）晶面及晶向的原子密度1）晶格的致密度 晶格的致密度是指其晶胞中所包含的原子所占的體積與該晶胞體積之比 在定性評定晶體中原子排列的緊密程度時，還常應(yīng)用“配位數(shù)”這一概念。所謂配位數(shù)即指晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且等距

30、離的原子數(shù)。顯然，配位數(shù)越大，原子排列也就越緊密 2）晶面指數(shù)及晶向指數(shù) 晶體中各種方位上的原子面叫晶面；各種方向上的原子列叫晶向。在研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的細節(jié)及其性能時，往往需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點，因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號，以表示出它們在晶體中的方位或方向。晶面的這種符號叫“晶面指數(shù)”，晶向的符號叫“晶向指數(shù)”。確定晶面指數(shù)的步驟如下： （1）設(shè)晶格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個坐標軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個坐標軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距（見圖1.2-6）。 （2）將所得三截距之值

31、變?yōu)榈箶?shù)； （3）再將這三個倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號，即為晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般形式用（hkl）表示。晶向指數(shù)的確定方法是： （1）以格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個坐標軸，通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向； （2）求出該直線上任意一點的三個坐標來； （3）將三個坐標值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式為uvw。3）晶面及晶向的原子密度 所謂某晶面的原子密度指其單位面積中的原子數(shù)，而晶向原子密度則指其單位長度上的原子數(shù)。在各種晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。例如，在體心立方晶格中的各主要晶面

32、和晶向的原子密度見表1-24.晶體的各向異性 由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的性能差異，晶體的這種“各向異性”的特點是它區(qū)別于非晶體的重要標志之一 例如，體心立方的Fe晶體，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子結(jié)合力不同，因而其彈性模量E便不同。在111方向E=290000MN/m2，在100方向E=135000MN/m2。許多晶體物質(zhì)如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是這個道理。 晶體的各向異性不論在物理、化學或機械性能方面，即不論在彈性模量、破斷抗力、屈服強度，或電阻、導(dǎo)磁率、線脹系數(shù)，以及在酸中的溶解速度等許多方面

33、都會表現(xiàn)出來，并在工業(yè)上得到了應(yīng)用，指導(dǎo)生產(chǎn)，獲得優(yōu)異性能的產(chǎn)品 如制作變壓品的硅鋼片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我們可通過特殊的軋制工藝，使其易磁化的 100晶向平行于軋制方向從而得到優(yōu)異的導(dǎo)磁率等。1.2.2 金屬的結(jié)晶過程1.金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象2.金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象3.結(jié)晶的過程4.影響晶核的形成和成長速率的因素（1）過冷度的影響（2）未熔雜質(zhì)的影響1.金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象 圖中的T0為理論結(jié)晶溫度，它是液態(tài)金屬在無限緩慢冷卻條件下的結(jié)晶溫度。而實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬都是以較快的速度冷卻的，液態(tài)金屬只能在理論結(jié)晶溫度以下才開始結(jié)晶，這種實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷，

34、與T0之差為過冷度T，即TT0T1。冷卻速度越快，T越大。特定金屬的過冷度不是一個定值，它隨冷卻速度的變化而變化，冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實際結(jié)晶溫度也就越低。2. 結(jié)晶時的能量條件 為什么純金屬的結(jié)晶都具有一個嚴格不變的平衡結(jié)晶溫度呢？這是因為它們的液體和晶體兩者之間的能量在該溫度下能夠達到平衡的緣故。物質(zhì)中能夠自動向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量叫做“自由能（）”。自由能可表示為： G=U-TS 式中：為系統(tǒng)內(nèi)能，即系統(tǒng)中各種能量的總和；為熱力學溫度；為熵（系統(tǒng)中表征原子排列混亂程度的參數(shù)） 對于固態(tài)金屬和液態(tài)金屬可將它們的自由能分別用固（固U固-TS固）和液（液U

35、液-TS液）來表示。由于液體與晶體的結(jié)構(gòu)不同，同一物質(zhì)中它們在不同溫度下的自由能變化是不同的，如圖1.2-10所示，因此它們便會在一定的溫度下出現(xiàn)一個平衡點，即理論結(jié)晶溫度（T0）。低于理論結(jié)晶溫度時，由于液相的自由能（液）高于固相晶體的自由能（固），液體向晶體的轉(zhuǎn)變便會使能量降低，于是便發(fā)生結(jié)晶；高于理論結(jié)晶溫度時，由于液相的自由能（液）低于固相晶體的自由能（固），晶體將要熔化。換名話說，要使液體進行結(jié)晶，就必須使其溫度低于理論結(jié)晶溫度，造成液體與晶體間的自由能差（液固），即具有一定的結(jié)晶推動力才行 可見過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。 3. 結(jié)晶的過程 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程分為晶核形成和晶核的成

36、長兩個階段 晶核的形成，一是由液態(tài)金屬中一些原子自發(fā)地聚集在一起，按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來稱為自發(fā)晶核。二是由液態(tài)金屬中一些外來的微細固態(tài)質(zhì)點而形成的，稱為外來晶核 圖1.2-11為金屬結(jié)晶過程示意圖 當液體冷卻到結(jié)晶溫度后，一些短程有序的原子團開始變得穩(wěn)定，成為極細小的晶體，稱之為晶核。隨后，液態(tài)金屬的原子就以它為中心，按一定的幾何形狀不斷地排列起來，形成晶體。晶體在各個方向生長的速度是不一致的，在長大初期，小晶體保持規(guī)則的幾何外形，但隨著晶核的長大，晶體逐漸形成棱角，由于棱角處散熱條件比其它部位好，晶體將沿棱角方向長大，從而形成晶軸，稱為一次晶軸；晶軸繼續(xù)長大，且長出許多小晶軸，二次晶

37、軸、三次晶軸、，成樹枝狀，當金屬液體消耗完時，就形成晶粒。 由每個晶核長成的晶體稱為晶粒，晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶粒的外形是不規(guī)則的。因此，金屬實際上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體 晶粒的大小對金屬的性能影響很大。因為晶粒小則晶界就多，而晶界增強了金屬的結(jié)合力。因此，一般金屬的晶粒越小，強度、塑性和韌性就越好。生產(chǎn)上常用增加冷卻速度或向液態(tài)金屬加入某些難熔質(zhì)點，以增加晶核數(shù)目，而細化晶粒4.影響晶核的形成和成長速率的因素 影響晶核的形成率和成長率的最重要因素是結(jié)晶時的過冷度和液體中的不熔雜質(zhì)1) 過冷度的影響 金屬結(jié)晶時的冷卻速度愈大，其過冷度便愈大，不同過冷

38、度T對晶核的形成率N（晶核形成數(shù)目/smm3）和成長率G（mm/s）的影響如圖1.2-12所示 過冷度對晶核的形成率和成長率的這些影響，主要是因為在結(jié)晶過程中有兩個相反的因素同時在起作用 其中之一即如前所述的晶體與液體的自由能差（），它是晶核的形成和成長的推動力 另一相反因素便是液體中原子遷移能力或擴散系數(shù)（D），這是形成晶核及其成長的必需條件，因為原子的擴散系數(shù)太小的話，晶核的形成和成長同樣也是難以進行的。 在圖1.2-12中，我們還從晶核的形成率與成長率之間的相對關(guān)系示意地表達出了幾種不同過冷度下所得到的晶粒度的對比，從中可以得到一個十分重要的結(jié)論即在一般工業(yè)條件下（圖中曲線的前半部實線部

39、分），結(jié)晶時的冷卻速度愈大或過冷度愈大時，金屬的晶粒度便愈細 圖1.2-12中曲線的后半部分，因為在工業(yè)實際中金屬的結(jié)晶一般達不到這樣的過冷度，故用虛線表示，但近年來通過對金屬液滴施以每秒上萬度的高速冷卻發(fā)現(xiàn)，在高度過冷的情況下，其晶核的形成率和成長率確能再度減小為零，此時金屬將不再通過結(jié)晶的方式發(fā)生凝固，而是形成非晶質(zhì)的固態(tài)金屬2)未熔雜質(zhì)的影響 任何金屬中總不免含有或多或少的雜質(zhì)，有的可與金屬一起熔化，有的則不能，而是呈未熔的固體質(zhì)點懸浮于金屬液體中。這些未熔的雜質(zhì)，當其晶體結(jié)構(gòu)在某種程度上與金屬相近時，常可顯著地加速晶核的形成，使金屬的晶粒細化。因為當液體中有這種未熔雜質(zhì)存在時，金屬可以

40、沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點表面產(chǎn)生晶核，減小它暴露于液體中的表面積，使表面能降低，其作用甚至會遠大于加速冷卻增大過冷度的影響 在金屬結(jié)晶時，從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來有效地細化金屬的晶粒，以達到提高其力學性能的目的，這種細化晶粒的方法叫做“變質(zhì)處理”，所加入的難溶雜質(zhì)叫“變質(zhì)劑”或“人工晶核”。1.2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)，同一種固態(tài)的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時發(fā)生由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。此時除體積變化和熱效應(yīng)外還會發(fā)生其他性質(zhì)改變。例如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如圖1.2-14所示。鐵在1394以上時具有體心立方晶格，稱為-Fe；冷卻至1394912之間，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц穹Q為-Fe；繼續(xù)冷卻至912以下又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為-Fe。1.2.4 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1. 多晶體2. 晶體缺陷（1）點缺陷（2）線缺陷（3）面缺陷1. 多晶體 以上研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時，是把晶體看成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成，即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，