第一章力學(xué)性能2012

第一章材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，又稱(chēng)材料的機(jī)械性能。金屬材料的主要機(jī)械性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等。1.1金屬材料的性能1.1.1金屬材料的力學(xué)性能材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。通常外力稱(chēng)為載荷/負(fù)荷。1.1.2金屬材料的其它性能簡(jiǎn)介（物理、化學(xué)、工藝）1.1.1金屬材料的力學(xué)性能

（機(jī)械性能）1．彈性和剛度2．強(qiáng)度3．塑性4．硬度5．沖擊韌性ak6．?dāng)嗔秧g性KI7．疲勞強(qiáng)度1、拉伸試驗(yàn)拉伸機(jī)上，緩慢加載曲線(xiàn)分為四階段：1．階段I（oe）――彈性變形階段Fe--不產(chǎn)生永久變形的最大抗力2．階段II（es）段――屈服變形

Fs----產(chǎn)生微量永久變形時(shí)抗力）3．階段III（sb）段FbFb――均勻塑性變形階段4．階段IV(BK)段

――局部集中塑性變形低碳鋼拉伸圖2.彈性和剛度金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形。當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來(lái)形狀的性能稱(chēng)為彈性。這種隨外力消除而消除的變形，稱(chēng)為彈性變形

應(yīng)力---應(yīng)變?chǔ)摇纽?F/A0ε=L/L0材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=σ/ε稱(chēng)為彈性模量，單位為MPa。彈性模量E標(biāo)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(duì)它影響很小。需要注意的是，材料的剛度不等于機(jī)件的剛度，機(jī)件的剛度除與材料的剛度有關(guān)外，還與機(jī)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3.強(qiáng)度在外力作用下，材料抵抗塑性變形和破斷的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。常用的強(qiáng)度性能指標(biāo)主要是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

（σs、σ0.2）(σb)抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗扭曲強(qiáng)度抗剪切強(qiáng)度1)屈服強(qiáng)度（σs、σ0.2）材料產(chǎn)生微量塑形變形時(shí)的強(qiáng)度屈服強(qiáng)度，記為σs，F(xiàn)s/A0單位MPa對(duì)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象的材料，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用試樣標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，以σ0.2表示2)抗拉強(qiáng)度σb材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，用σb表示，F(xiàn)b/A0單位MPa。4.塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力，稱(chēng)為塑性工程上常用延伸率（δ

）和斷面收縮率（ψ

）作為材料的塑性指標(biāo)1)延伸率δ試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量稱(chēng)為延伸率，用符號(hào)δ表示，即式中：L0——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。L0δ=L1-L0*100％2)斷面收縮率ψ試樣被拉斷后橫截面積的相對(duì)收縮量稱(chēng)為斷面收縮率，用符號(hào)ψ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A0-AA0100%ψ=材料的δ和ψ值越大，塑性越好5.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(qiáng)度越高，硬度也越高工程上常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、(HBS)洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)等(1)

布氏硬度HBS布氏硬度的測(cè)量方法用一定載荷P，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測(cè)材料的表面，保持一定時(shí)間后卸去載荷，測(cè)量被測(cè)試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積F，其單位面積所受載荷稱(chēng)為布氏硬度。布氏硬度值HB=P/F布氏硬度的單位為N/mm2HB=0.1022P丌D(D-D2-d2)當(dāng)測(cè)試壓頭為淬火鋼球時(shí)，只能測(cè)試布氏硬度小于450的材料，以HBS表示當(dāng)測(cè)試壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，可測(cè)試布氏硬度為450~650的材料，以HBW表示在測(cè)定材料的布氏硬度時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料的種類(lèi)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(shí)間等布氏硬度試驗(yàn)是由瑞典的布利涅爾（J.B.Brinell）于1900年提出來(lái)的（2）

洛氏硬度HR洛氏硬度的測(cè)量方法將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料的表面，根據(jù)壓痕深度來(lái)確定硬度值根據(jù)壓頭的材料及所加的負(fù)荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種①HRA硬、薄試件②

HRB輕金屬，未淬火鋼③

HRC較硬，淬硬鋼制品洛氏硬度操作簡(jiǎn)便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤(pán)上讀出，所以得到更為廣泛的應(yīng)用其缺點(diǎn)是：由于壓痕小，測(cè)量誤差稍大，因此常在工件不同部位測(cè)量數(shù)次取平均值洛氏硬度是由美國(guó)的洛克威爾（S.P.Rockwell和H.M.Rockwell）于1919年提出來(lái)的3)維氏硬度HV維氏硬度的測(cè)量原理與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為一相對(duì)面夾角為136°金剛石正四方棱錐體，所加負(fù)荷為5~120kgf（49.03~1176.80N）它所測(cè)定的硬度值比布氏、洛氏硬度精確，壓入深度淺，適于測(cè)定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測(cè)定過(guò)程比較麻煩維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度。維氏硬度試驗(yàn)是由英國(guó)的史密斯（R.L.Smith）和桑德蘭德（G.E.Sandland）于1925年提出來(lái)的。6.沖擊韌性ak有些機(jī)件在工作時(shí)要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)的錘桿、沖床的沖頭、汽車(chē)變速齒輪、飛機(jī)的起落架等瞬時(shí)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，因此在選擇制造該類(lèi)機(jī)件的材料時(shí)，必須考慮材料的抗沖擊能力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ak指標(biāo)來(lái)度量試驗(yàn)時(shí)，沖擊功的數(shù)值可從沖擊試驗(yàn)機(jī)的刻度標(biāo)盤(pán)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:ak=Ak/F，單位為J/cm2。有些國(guó)家（如美、英、日等國(guó)）直接用沖擊吸收功

Ak作為沖擊韌性指標(biāo)材料的ak

值愈大，韌性就愈好；材料的ak

值愈小，材料的脆性愈大通常把a(bǔ)k

值小的材料稱(chēng)為脆性材料研究表明，材料的ak

值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值或范圍時(shí)，ak

值會(huì)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(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)溫度稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對(duì)于寒冷地區(qū)的橋梁、車(chē)輛等機(jī)件用材料，必須作低溫（一般為–40℃）沖擊彎曲試驗(yàn)，以防止低溫脆性斷裂7.疲勞強(qiáng)度工程上一些機(jī)件工作時(shí)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(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)一定循環(huán)周次后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)之為疲勞

零件的疲勞斷裂過(guò)程可分為裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展和瞬間斷裂三個(gè)階段1)疲勞的概念2)疲勞強(qiáng)度

當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)周次無(wú)窮多也不發(fā)生斷裂，稱(chēng)此應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限

交變應(yīng)力大小σ斷裂循環(huán)周次Ｎ疲勞曲線(xiàn)疲勞曲線(xiàn)表明，隨著應(yīng)力σ的減小，循環(huán)次數(shù)Ｎ在增加，當(dāng)應(yīng)力σ降到一定值后，σ－Ｎ曲線(xiàn)趨于水平，這就意味著材料在此應(yīng)力作用下無(wú)限次循環(huán)也不會(huì)產(chǎn)生斷裂，此應(yīng)力稱(chēng)為材料對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限，用σ-l表示，單位為MPa

常用鋼材的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108鋼的疲勞強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的40一50％，有色金屬約為抗拉強(qiáng)度25—50％影響疲勞強(qiáng)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(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性及熱膨脹性等2．化學(xué)性能（1）耐腐蝕性(酸、堿、氧化）（2）高溫抗氧化性3．工藝性能材料的工藝性能是其機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)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、切削加工性等。最佳硬度HB160/230第2章材料的結(jié)構(gòu)

2.1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)2.3非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)2.1.1.晶體的基本概念晶體是指原子有規(guī)則（有序）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2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點(diǎn)，并用許多假想的直線(xiàn)連接起來(lái)，這樣得到的三維空間幾何格架，稱(chēng)為晶格，組成晶格的最基本幾何單元稱(chēng)為晶胞。晶格可以看成由晶胞堆積而成晶格中各邊線(xiàn)的交點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)；晶格中各種不同方位的原子面，稱(chēng)為晶面。晶胞的形狀和大小是用晶粒的棱邊長(zhǎng)度a、b、c和棱邊的夾角α、β、γ來(lái)表示的，晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c稱(chēng)為晶格常數(shù)，其大小以?（埃）為單位（1?=1×10-10m）當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角α=β=γ=90°時(shí)，這種晶胞稱(chēng)為：簡(jiǎn)單立方晶胞具有簡(jiǎn)單立方晶胞的晶格叫做：簡(jiǎn)單立方晶格。2.1.2典型的金屬的晶格類(lèi)型在金屬元素中，除少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)具有簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的晶格類(lèi)型有三種：（1）體心立方晶格（2）面心立方晶格（3）密排立方晶格(1)體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，原子分布在立方體的各結(jié)點(diǎn)和中心處，，所以體心立方晶胞中的原子數(shù)目為

2

個(gè)。屬于這類(lèi)晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo等。（1）體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo

等晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2體心立方晶胞面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，原子分布在立方體的各結(jié)點(diǎn)和各面的中心處，面心立方晶胞中的原子數(shù)目為個(gè)4。屬于這類(lèi)晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag

等面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4密排立方晶格在由12個(gè)原子所構(gòu)成的正六面體的上下兩個(gè)六邊形的中心各有一個(gè)原子，在上下底中間有三個(gè)原子，其晶格常數(shù)用正六邊形邊長(zhǎng)a和立方體的高c來(lái)表示，每個(gè)晶胞所包含的原子數(shù)為6個(gè)。屬于這類(lèi)晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn

等晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74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例如：體心立方晶格每個(gè)晶胞2個(gè)原子致密度為在定性評(píng)定晶體中原子排列的緊密程度時(shí)，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?chē)o鄰的最近且等距離的原子數(shù)。顯然，配位數(shù)越大，原子排列也就越緊密BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞

晶體學(xué)參數(shù)

原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度

FCCa=b=c,a=b=g=90o

28

68%

BCCa=b=ca=b=g=90o

412

74%

HCP

a=bc/a=1.633,a

=b

=90o,g=120o

a/2612

74%2.1.3晶面指數(shù)和晶向指數(shù)XYZabc晶面通過(guò)原子中心的二維平面晶向通過(guò)原子中心的許多表示不同方位的直線(xiàn)XYZabc各種晶面和晶向定出一定的符號(hào)，以表示出它們?cè)诰w中的方位或方向。晶面的這種符號(hào)叫“晶面指數(shù)”，晶向的符號(hào)叫“晶向指數(shù)”。[110][110][111][100]

XYZ

立方晶系中的三個(gè)重要晶向

對(duì)于一個(gè)晶向指數(shù)，表示的不是一個(gè)具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值大小相等，符號(hào)相反，則這兩組晶向相互平行但是方向相反。

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(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個(gè)坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距（2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)；（3）再將這三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)，即為晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般形式用（hkl）表示。例如：OX、OY、OZ三坐標(biāo)截距為1、2、--；三截距倒數(shù)是：1、1/2、0化為最小整數(shù)后的晶面指數(shù)為（210）一個(gè)晶面指數(shù)（hkl）不是指一個(gè)晶面，而是指一組相互平行的晶面。這些晶面的指數(shù)相同，或數(shù)字相同，或正負(fù)號(hào)相反晶面族｛

hkl

｝包括（100）、（010）、（001）（不平行）晶向指數(shù)的確定方法是：（1）以格中某一原子為原點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個(gè)坐標(biāo)軸，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線(xiàn)，使其平行于所求的晶向；（2）求出該直線(xiàn)上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)來(lái)；（3）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號(hào)，即為所求的晶向指數(shù)，其一般形式為[uvw]。立方晶系原子排練的高度對(duì)稱(chēng)，存在原子排練完全相同，彼此不平行的晶向—晶向族，記〈uvw〉族，如〈100〉=[100]、[010]、[001]、3）晶面及晶向的原子密度在各種晶格中，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和晶向的原子密度晶向原子密度：晶向單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)；晶面原子密度：晶面單位面積上的原子數(shù)。4.晶體的各向異性晶體的這種“各向異性”的特點(diǎn)是它區(qū)別于非晶體的重要標(biāo)志之一許多晶體物質(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(gè)道理。如制作變壓器的硅鋼片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我們可通過(guò)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。計(jì)算結(jié)果表明，不同晶向/晶面，其原子分布密度不同→結(jié)合力不同→性能不同（單晶體的各向異性）單晶體：晶體內(nèi)部原子規(guī)則排練位向不發(fā)生變化的晶體。

各向異性

多晶體：由無(wú)數(shù)位向不同的微小單晶體/晶粒組成的晶體。

各向同性

金屬晶體的特性①金屬有確定的熔點(diǎn)。②金屬晶體有各向異性（單晶體）。③晶體排列有規(guī)則的、周期的長(zhǎng)程有序（納米級(jí)）。④具有規(guī)則的外形。第3章材料相變基礎(chǔ)

3.1金屬的結(jié)晶過(guò)程3.1.1純金屬的結(jié)晶1.金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷現(xiàn)象2.金屬結(jié)晶時(shí)的能量條件3.結(jié)晶的過(guò)程4.影響晶核的形成和成長(zhǎng)速率的因素（1）過(guò)冷度的影響（2）未熔雜質(zhì)的影響凝固與結(jié)晶凝固：物質(zhì)從液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程。結(jié)晶：通過(guò)凝固形成晶體物質(zhì)的過(guò)程。兩者聯(lián)系：均表示物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程。兩者區(qū)別：1、凝固：大概念，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是晶體/非晶體；結(jié)晶：小概念，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是晶體；2、凝固：一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，如玻璃；結(jié)晶：有嚴(yán)格的平衡結(jié)晶溫度，如金屬1.金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)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(wú)限緩慢冷卻條件下的結(jié)晶溫度。而實(shí)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(kāi)始結(jié)晶，實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷，即△T＝T0－T1過(guò)冷度冷速↑→ΔT↑→Tn↓特定金屬的過(guò)冷度不是一個(gè)定值，它隨冷卻速度的變化而變化，冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度也就越低。2.結(jié)晶時(shí)的能量條件物質(zhì)中能夠自動(dòng)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（Ｇ）”。自由能可表示為：

G=U-TS式中：Ｕ為系統(tǒng)內(nèi)能，即系統(tǒng)中各種能量的總和；Ｔ為熱力學(xué)溫度；Ｓ為熵（系統(tǒng)中表征原子排列混亂程度的參數(shù)）對(duì)于固態(tài)金屬：Ｇ固＝U固-TS固液態(tài)金屬：Ｇ液＝U液-TS液T>T0時(shí)，Ｇ液<Ｇ固，固→液（熔化）T<T0時(shí)，Ｇ液>Ｇ固，液→固（結(jié)晶）要使液體進(jìn)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（△Ｇ＝Ｇ液－Ｇ固＞０），即具有一定的結(jié)晶推動(dòng)力才行過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件，

ΔT↑→ΔＧ↑→結(jié)晶傾向↑

3.結(jié)晶的過(guò)程液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程分為晶核形成和晶核的成長(zhǎng)兩個(gè)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(lái)稱(chēng)為自發(fā)晶核。二是由液態(tài)金屬中一些外來(lái)的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)而形成的，稱(chēng)為外來(lái)晶核當(dāng)液體冷卻到結(jié)晶溫度后，一些短程有序的原子團(tuán)開(kāi)始變得穩(wěn)定，成為極細(xì)小的晶體，稱(chēng)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(lái)，形成晶體。晶體在各個(gè)方向生長(zhǎng)的速度是不一致的，在長(zhǎng)大初期，小晶體保持規(guī)則的幾何外形，但隨著晶核的長(zhǎng)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(zhǎng)大，從而形成晶軸，稱(chēng)為一次晶軸；晶軸繼續(xù)長(zhǎng)大，且長(zhǎng)出許多小晶軸，二次晶軸、三次晶軸、…，成樹(shù)枝狀，當(dāng)金屬液體消耗完時(shí)，就形成晶粒。金屬樹(shù)枝晶固體金屬：長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)液體金屬：成分起伏→瞬時(shí)近程有序結(jié)構(gòu)→結(jié)晶核心/晶核→長(zhǎng)大結(jié)晶本質(zhì)：金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)過(guò)渡到另一種排列狀態(tài)的過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大:平面長(zhǎng)大、樹(shù)枝狀長(zhǎng)大冰的樹(shù)枝晶由每個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體稱(chēng)為晶粒，晶粒之間的接觸面稱(chēng)為晶界。晶粒的外形是不規(guī)則的。因此，金屬實(shí)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(duì)金屬的性能影響很大。因?yàn)榫ЯＰt晶界就多，而晶界增強(qiáng)了金屬的結(jié)合力。因此，一般金屬的晶粒越小，強(qiáng)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(diǎn)，以增加晶核數(shù)目，而細(xì)化晶粒一般金屬的晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好。4.影響晶核的形成和成長(zhǎng)速率的因素影響晶核的形成率和成長(zhǎng)率的最重要因素是:結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度(自發(fā)晶核）液體中的不熔雜質(zhì)（外來(lái)晶核）1)過(guò)冷度的影響金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大，其過(guò)冷度便愈大，不同過(guò)冷度⊿T對(duì)晶核的形成率N（晶核形成數(shù)目/s?mm3）和成長(zhǎng)率G（mm/s）的影響如圖即在一般工業(yè)條件下（圖中曲線(xiàn)的前半部實(shí)線(xiàn)部分），結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大或過(guò)冷度愈大時(shí)，金屬的晶粒度便愈細(xì)重要的結(jié)論：過(guò)冷度對(duì)晶核的形成率和成長(zhǎng)率的這些影響，主要是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過(guò)程中有兩個(gè)相反的因素同時(shí)在起作用其中之一即如前所述的晶體與液體的自由能差（⊿Ｇ），它是晶核的形成和成長(zhǎng)的推動(dòng)力另一相反因素便是液體中原子遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)（D），這是形成晶核及其成長(zhǎng)的必需條件，因?yàn)樵拥臄U(kuò)散系數(shù)太小的話(huà)，晶核的形成和成長(zhǎng)同樣也是難以進(jìn)行的。圖1-21中曲線(xiàn)的后半部分，因?yàn)樵诠I(yè)實(shí)際中金屬的結(jié)晶一般達(dá)不到這樣的過(guò)冷度，故用虛線(xiàn)表示，但近年來(lái)通過(guò)對(duì)金屬液滴施以每秒上萬(wàn)度的高速冷卻發(fā)現(xiàn)，在高度過(guò)冷的情況下，其晶核的形成率和成長(zhǎng)率確能再度減小為零，此時(shí)金屬將不再通過(guò)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)的影響這些未熔的雜質(zhì)，當(dāng)其晶體結(jié)構(gòu)在某種程度上與金屬相近時(shí)，常可顯著地加速晶核的形成，使金屬的晶粒細(xì)化。在金屬結(jié)晶時(shí)，從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來(lái)有效地細(xì)化金屬的晶粒，以達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的，這種細(xì)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”。晶粒度：八級(jí)，一級(jí)最粗、八級(jí)最細(xì)

細(xì)化晶粒的方法液態(tài)：1）變質(zhì)處理2）增大過(guò)冷度固態(tài)：4）熱處理5）壓力加工再結(jié)晶3）機(jī)械的振動(dòng)和攪拌3.1.5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(shí)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(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)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(guò)程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變。鐵在1394℃以上時(shí)具有體心立方晶格，稱(chēng)為δ-Fe；冷卻至1394~912℃之間，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц穹Q(chēng)為γ-Fe；繼續(xù)冷卻至912℃以下又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱(chēng)為α-Fe。

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體2.晶體缺陷（1）點(diǎn)缺陷（2）線(xiàn)缺陷（3）面缺陷1.多晶體晶界：晶粒與晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。，單晶體：晶體內(nèi)部原子規(guī)則排練位向不發(fā)生變化的晶體。各向異性多晶體：由無(wú)數(shù)位向不同的微小單晶體/晶粒組成的晶體。各向同性晶粒的尺寸很小，如鋼鐵材料的晶粒尺寸一般為10-1~10-3mm左右，必須在顯微鏡下才能觀(guān)察到。在顯微鏡下才能觀(guān)察到的金屬中晶