船舶柴油机大证考试金属材料及其工艺复习资料

1、知识点34：金属材料的机械性能金属材料的机械性能也称金属材料的力学性能，它反映出金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。金属零件或构件在工作时通常承受不同性质的外力作用，相应地在零件或构件中往往同时存在着多种应力。在不同应力作用下就需要不同的力学性能指标，而各种力学性能指标都是通过相应的试验测定的。根据零件的使用温度不同，有室温和高温机械性能指标。1室温下的机械性能 金属材料的室温机械性能指标绝大部分都是在实验室通过各种实验获得的，常用的有拉伸试验、硬度试验、冲击试验和疲劳试验等。 室温下的机械性能指标包括刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度。a) 拉伸前 b)拉伸后 图1-1 标

2、准拉伸试样 图1-2 低碳钢的应力应变图 图1-2 横坐标是应变，纵坐标为应力，构成了应力应变图。对应力应变图分析： （1）oa弹性变形阶段。 （2）ak从弹性阶段后到断裂前，为塑性变形阶段。 其中分为：sc 屈服阶段；cb 强化阶段；bk 劲缩阶段。 （3）k点试样断裂。图1-2中几个重要的参数：p比例极限；s 屈服极限；b 强度极限。 不同的金属材料，其试样得到的拉伸曲线（即应力应变）曲线是不同的；塑性好的材料，在断裂前有明显的塑性变形，其断裂被称为韧性断裂；塑性差的材料断裂前没有明显的塑性变形称为脆性断裂。根据材料的应力应变曲线，可以归纳以下的力学性能。1）刚度（rigid）刚度是指金属

3、材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。衡量材料刚度的指标是指材料的弹性模量。的大小反映材料弹性变形的难易程度，材料的弹性模量值可以在相关的手册中查取。在弹性变形阶段内，弹性模量E为应力与应变之比，即E=/。越大，材料的刚度越大，即在相同的应力作用下，产生的弹性变形越小。一般机械零件大都在弹性变形状态下工作，故应具有一定刚度。材料如果刚度不足，在使用中将会由于发生过大的弹性变形而失效。材料的值取决于材料的本性，而构件或零件的刚度除与采用的材料刚度有关外，还与构件或零件的截面积有关，截面积大，刚度大，截面积小，刚度小。2）强度（strength）强度是材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的能力。零

4、件承受拉力时的强度指标有屈服强度ss和抗拉强度sb。 （1）屈服强度（yield limit）屈服强度又称屈服极限，它是屈服阶段内的最低应力，用ss表示。屈服强度是材料抵抗微量塑性变形的能力，也是材料在外力作用下刚刚开始产生塑性变形的应力。图1-3铸铁的应力应变图 (MPa)式中：Ps材料产生屈服时的外力，。Fo标准试样的原始截面积，mm2。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢有屈服现象外，大多数金属材料都没有屈服点和屈服现象。图1-3为铸铁的应力应变图，它表示铸铁没有屈服和颈缩现象。对于这些没有屈服点和屈服现象的材料，工程中通常以卸载后产生数值为0.2%的残余应变所对应的应力值作为屈服强度或名义屈服

5、极限，并用s0.2表示。s 0.2和ss都是表征金属材料产生微量塑性变形的抗力，是机械设计和选材的主要依据。 （2）抗拉强度（tensile strength）抗拉强度又称强度极限，用sb表示。抗拉强度是表示材料抵抗断裂的能力，也就是材料从开始受力到断裂为止所能承受的最大应力值。在图1-2表现为b点相应的应力。 (MPa)式中：Pb试样从开始受力到断裂为止所能承受的最大拉力，。F0标准试样的原始截面积，mm2。工程上将称为屈强比。屈强比越小，表示材料达到时还有比较大的储备强度，可以避免由于超载而突然断裂，因此工作可靠性越大，但是材料潜力未能充分发挥。一般制造弹性零件的材料应具有较高的屈强比，通

6、常。3）塑性（plasticity）塑性是材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的衡量材料塑性的指标有延伸率和断面收缩率。式中：分别为试样的原始标准长度和拉断后的标准长度，mm。F0,F1分别为试样的原始截面积和拉断之后的截面积，mm2。显然，材料的和越大，其塑性越好。塑性材料的。脆性材料的。塑性好的材料，在轧制或冷压成型时不易断裂，并能承受较大的冲击载荷。结构钢与硬铝等位塑性材料；而工具钢、灰口铸铁与陶瓷等则属于脆性材料。对于标距长度为其截面直径倍的短试样，测得的结果用表示，一般，是用标距长度为其直径10倍的长试样测得。4）硬度（hardness）硬度金属表面抵抗局部塑性变形（压

7、痕、划痕、擦伤或划破）的能力。是衡量金属材料软硬程度的指标。通常硬度越高，耐磨性越好。材料硬度的测量方法都是采用一定形状和材质的压头，在一定力的作用下压入材料表面，测定压痕面积或深度，通过计算获得硬度值。压痕越大或越深，材料的硬度值越低。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。（1）布氏硬度（brinell hardness）布氏硬度值在布氏硬度计上测定。布氏硬度是把一定直径（一般为10mm）的淬火钢球或硬质合金球，在一定压力P的作用下压入金属表面，以单位面积上的压力作为硬度值，用HB来表示，即 (MPa)式子中：P作用于压头的力，N； F压痕面积，mm2；D压

8、头球体直径，mm；d压痕直径，mm。国标（GB231-84）规定，布氏硬度值450时，采用淬火钢球压头，测定值用HBS表示；布氏硬度值450，选用硬质合金球压头，测定值用HBW表示。机械行业常用HBS测定普通碳钢、铸铁及有色金属等材料。布氏硬度测量精度较高，但因压痕较大不宜在零件工作表面或有外观要求的成品零件表面上测定。金属材料的硬度和抗拉强度之间有一定的关系，故可根据布氏硬度近似地估算出材料的抗拉强度。在一定的范围内，可以用下列经验公式换算：低碳钢 高碳钢 合金调质钢 灰铸铁 （2）洛氏硬度（rockwell hardness）洛氏硬度法测硬度以HR来表示，是根据零件表面上的压痕深度来确定硬

9、度值的。试验时，可以通过洛氏硬度计上的刻度盘直接读出洛氏硬度值。依据压头材质、形状和所加外力的不同，分别有HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度。各种洛氏硬度所用的压头、载荷及测量的范围如表1-1所示。表1-1 各种洛氏硬度的压头、载荷及适用范围符号压头类型初载荷（kgf）主载荷（kgf）测量范围HRA顶角120金刚石圆锥体1060硬质合金、渗碳工件等硬质材料HRB1.588淬火钢球10100退火钢、灰铸铁、有色金属、正火钢等较软材料HRC顶角120金刚石圆锥体10150淬火钢、白口铸铁、调质钢等较硬材料以上三种洛氏硬度测量简便、压痕小，适用范围广，以HRC应用为最普遍，但不宜测定硬脆薄层，如渗氮

10、层、渗碳层等。由于压痕小，只表示试样局部的硬度，当材质在偏析或不均匀时，测量结果重复性较差，但可以通过在不同的地方多次测量来避免。三种洛氏硬度之间不能互相比较。在中等硬度的情况下，HRC与布氏硬度之间的关系为1:10，如40HRC相当于400HRB左右。（3）维氏硬度测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，即求出单位压痕面积上的力，用HV表示，区别在于压头采用锥面夹角为136的正四棱锥体金刚石，压痕是四方锥形。测量维氏硬度所用载荷小，压痕浅，适用于测量零件薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度，对软、硬材料均使用，测量范围01000HV，但操作较麻烦。5）冲击韧性（impact toughn

11、ess）冲击韧性也称为冲击强度，是金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，并用ak表示。冲击韧性的测量是在摆锤试冲击试验机上利用冲击试验来测定的。冲击韧性值ak是冲断试样时，断口单位面积所消耗的功。ak值越大，材料的韧性越好。ak由下式求得 （J/cm2）式子中：冲击韧性值，J/cm2； 冲断试样所做的功，J； 试样端口截面积，cm2。某些材料的ak 值与温度有关，ak值随温度降低而减小，并在某一温度或温度范围时ak显著降低，这种现象称为冷脆（或脆性转变），使ak值显著减小的温度称为脆性转变温度。在脆性转变温度以下材料韧由性状态转变为脆性状态。材料的脆性转变温度越低，说明材料的 低温冲击韧性

12、越好。因此，应对在低温和严寒地区工作的构件（如船体、桥梁）或零件材料的脆性转变温度和在最低温度下应具有的最低韧性值作出规定。6）疲劳强度许多机械零件或构件（如柴油机的曲轴、连杆、弹簧、齿轮）在工作中承受大小和方向呈周期性变化的交变应力作用，虽然所承受的应力小于，甚至小于，但使用一段时间后零件会突然断裂，这种破坏现象称为疲劳破坏。材料在交变应力作用下，经过较长时间的工作而产生裂纹或突然断裂的过程称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，机械零件失效中大约80%以上属于疲劳破坏。材料在无限多次交变应力作用下而不致引起破坏的最大应力称为材料的疲劳强度，通过疲劳试验来测定。实际上，

13、材料不可能进行无限次重复试验，但从图1-7可以看出，材料承受的交变应力越小，断裂时应力循环次数越多，寿命越长，当应力小到图示时曲线接近水平，可视为试验经受无限次周期循环也不会被破坏。因此，工程上规定黑色金属在经受次，有色金属及其合金承受次的交变应力作用而不发生断裂的最大应力为疲劳强度，或称为疲劳极限。当应力是对称循环时疲劳强度用表示。通常金属材料的越高，它的疲劳强度也越高，大致具有的关系。2高温下的机械性能有些船机零件或构件长期在高温下工作（如柴油机的排气阀、涡轮增压器的涡轮叶片），仅仅满足室温下的机械性能，并不能满足他们在高温下的工作要求。工作温度越高，材料的强度越低。此外，高温下材料的强度

14、与力的作用时间长短也有关。材料长时间在高温下工作，承受一定的载荷，即使所承受的应力小于，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。蠕变的一般规律是温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，产生断裂的时间越短。通常当材料工作温度超过0.3Tm（Tm以绝对温度表示的熔点）时，蠕变表现显著。金属材料高温下的机械性能指标包括高温强度（又称热强度）和热硬性。1）高温强度高温强度是应力、应变、温度和时间综合作用的反应。其指标有蠕变极限和持久强度。（1）蠕变极限（也称蠕变强度）蠕变极限是金属材料长期在高温和载荷的作用下抵抗塑性变形的能力，用表示，单位为。意思是金属材料在一定温度T下，一定时间t内，产生一定塑

15、性变形量时所能承受的最大应力。例如，用制造的涡轮叶片，其蠕变极限为，表示在的工作温度下，工作小时，允许产生0.1%的变形量所能承受的最大应力值为。（2）持久强度（也称持久极限）持久强度是金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力，用表示，单位。意思是金属材料在一定温度T下，一定时间t内不至于断裂所能承受的最大应力。例如，表示在500温度下工作100000小时所能承受的最大断裂应力为。2）热硬性热硬性又称红硬性或高温硬度，是金属材料在高温下保持较高硬度的能力。热硬性是高温下工作的机器零件和高速切削刀具的重要机械性能指标。【习题】 1测定金属材料的力学性能，常用的试验有。A拉伸试验、硬度试验、再

16、结晶试验、冲击试验B拉伸试验、硬度试验、再结晶试验、疲劳试验C拉伸试验、硬度试验、冲击试验、疲劳试验D拉伸试验、疲劳试验、再结晶试验、冲击试验2零件在工作状态中承受载荷作用不会发生破坏，但不允许产生过量的弹性变形的衡量指标是。A硬度B塑性C强度D刚度3是金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力。A强度B塑性C刚度D冲击韧性4金属材料的塑性指标有。b；0；s；HB；k。A+B+C+D+5关于材料的硬度，下列叙述不正确的是。A洛氏硬度用HRA,HRB,HRC表示B布氏硬度用HBS和HBW表示C维氏硬度用HV表示且压痕最小D布氏、洛氏、维氏硬度计均采用金刚石压头6布氏硬度中的HBS法适用于测

17、定材料。普通碳钢；淬火钢；铸铁；工具钢；有色金属；渗碳钢。A+B+C+D+7洛氏硬度中的HRB法适用于测定材料。普通碳钢；淬火钢；铸铁；硬度合金；有色金属；工具钢。A+B+C+D+8在脆性转变温度以下材料由韧性状态转变为脆性状态， 因此， 材料的脆性转变温度越，说明材料的低温冲击韧性越。A低好B低差C高好D不一定9疲劳极限是指金属材料经历无限次交变应力循环而不破坏的最大应力，其中钢材的应力循环次数为不低于。A105B106C107D10810高温下金属材料的热强度指标表示为。Ab和bbB和Cs和-1Db和s【答案】1. C 2. D 3. A 4. C 5. D 6. C 7. D 8. A

18、9. C 10. B知识点35：金属材料的工艺及其性能（冷加工工艺、铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺）金属零件和构件从毛料到成品要经过各种冷加工、热加工，涉及多种加工方法。金属材料在生产加工过程中所表现出来的特性称为金属材料的工艺性能。材料的工艺性能是设计中选用材料的重要依据，它直接影响加工方法的确定、工艺流程的安排及产品的质量。金属材料的工艺性能主要包括以下几方面：1铸造性铸造性能是指材料铸造时获得完好铸件的能力。衡量金属材料的铸造性能指标如下：（1）流动性：是指金属材料在熔化状态下顺利充满型腔的能力。流动性越好的金属材料越能铸造出形状复杂、壁厚较薄的铸件，而且加工余量较小，不会产生浇注不足、夹

19、渣、气孔等缺陷。（2）收缩率：是液态金属在冷却过程中，铸件形状尺寸缩小的程度。收缩率越小，铸件的缩孔、缩松、变形和内应力越小。 （3）偏析倾向：是液态金属在凝固后出现的化学成分不均匀的现象。偏析倾向越小，铸件各处的成分趋于一致，因此，性能也均匀一致。常用的金属材料中灰铸铁、锡青铜和铸造铝合金等具有良好的铸造性能。2可锻性金属材料的可锻性是指其承受压力加工的能力。金属材料的可锻性取决于材料的塑性和变形抗力，材料的塑性好、易成型，变形抗力小，可锻温度范围较宽，变形时不易产生裂纹，易于获得高质量的锻件。3可焊性金属材料的焊接性能是指金属用一定的焊接方法获得优质焊缝的能力。焊接性能好的金属焊接接头强度

20、高，焊缝及焊缝邻近部位不易产生大的焊接应力而引起变形和裂纹，焊缝中不易出现气孔、夹渣和其他焊接缺陷。低碳钢和普通低合金钢具有优良可焊性，而灰铸铁和铝合金的可焊性很差。4切削加工性是指金属材料进行切削加工的难易程度。切削加工性能与材料的种类、成分、硬度、塑性、组织等有关。材料的切削加工性好，即切削加工能耗低、切屑易断、加工面的表面质量就高，且刀具寿命长，切削工效高。一般材料硬度在HB160230之间具有良好的切削加工性。5热处理性进行热处理的零件要求材料具有良好的热处理性能。经过热处理的零件要求内部晶粒细小、组织均匀、应力小、能达到性能要求。热处理性能表现为材料的淬透性、淬硬性、晶粒长大倾向及回

21、火脆性等。金属材料的性能力学性能韧性： 静态力学性能塑性： 弹形和刚度：，强度：， 动态力学性能硬度：， HR， HV常温疲劳强度：高温热强度蠕变极限：持久极限：热硬度低温脆性转变温度 物理性能密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性化学性能主要指耐腐蚀性、抗氧化性工艺性能铸造性流动性、收缩性、偏析可锻性塑性、变形抗力可焊性 焊接过程中产生裂缝的倾向焊缝使用的可靠性 热处理性淬透性、淬硬性、晶粒长大倾向、回火脆性切削加工性切削易断否、加工表面粗糙度、刀具寿命、消耗 动力【习题】1下列指标中属于金属材料的工艺性能的是。A热膨胀性B铸造性C冲击韧性D耐腐蚀性2金属材料的工艺性能包括。热硬性；铸造

22、性；可焊性；疲劳强度；锻造性；蠕变。A+B+C+D+3铸造性好的金属材料应具有性能小或好的特点。膨胀；收缩；偏析；应力；流动性；晶粒。A+B+C+D+4下列材料中的可锻性最好的是。A低碳钢B中碳钢C高碳钢D铸铁5金属材料的可锻性取决于材料的。强度；塑性；韧性；变形抗力；刚性；弹性。A+B+C+D+6下列金属材料中，焊接性最差的是。A低碳钢B中碳钢C高碳钢D铸铁7下列金属材料中，焊接性良好的是。低碳钢；中碳钢；高碳钢；普通低合金钢；灰铸铁；铝合金。A+B+C+D+8金属材料的热处理性能主要用等来衡量。淬透性；加热温度；淬硬性；晶粒长大倾向；回火脆性；疲劳强度。A+B+C+D+9金属材料的切削加工

23、性与其硬度有关，一般容易切削加工的硬度为。AHB100BHB160230CHRC40DHRC6010切削加工性与材料的等有关。种类；成分；硬度；塑性；组织。A+B+C+D+【答案】1. B 2. D 3. C 4. A 5. D 6. D 7. D 8. C 9. B 10. A知识点36：金属的晶体结构与结晶过程一、金属的晶体结构金属材料的性能不仅与材料的化学成分有关，而且与其内部排列的微观结构有关。化学成分不同的材料具有不同的性能，化学成分相同而内部微观结构不同也会有不同的性能。 1金属晶体的基本概念1）晶格 由于晶体内部原子是周期地有规则地排列。为了清楚地表明原子在空间的排列规律，人为地

24、将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心在三维方向连接起来，便形成了一个空间格子。这种用来研究晶体结构的空间格子，称为晶格或空间点阵。2）晶胞组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。 3）晶格常数晶胞的大小用晶胞各边的尺寸即长、宽、高表示，称为晶格常数，以（埃）为单位来度量（1 =110-8cm）。4）晶胞原子数是指一个晶胞中所包含的原子数。5）晶格致密度在一个晶胞体积中晶胞原子所占体积的百分数，称为晶格致密度， 即：它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度的参数。在晶体中，致密度越大，原子排列就越紧密。6）晶面和晶

25、向晶面是指晶格各个方位的原子面。由此，可以把晶体看成是由一层层晶面堆砌而成。晶向是指晶格中沿各个方向的原子排列。晶面和晶向反映了晶格各个方位面上和各个方向上原子排列的情况。也就一定程度地反映了晶体结构的规律。7）多晶体和单晶体单晶体是指晶体由一个晶粒组成，其内部原子的排列规则和排列方向完全相同，单晶体具有各向异性。 （原子排列完全一致，具有各向异性） 一般晶粒都较细小，其平均直径约为实际金属都是由无数不同方位的小晶体（晶粒）组成，所以金属是多晶体。在多晶体金属中晶粒与晶粒之间的界面称晶界（即两个不同方位晶粒之间的过渡区）。2常见金属的晶格类型金属中由于原子间通过较强的金属键结合，因此金属原子趋

26、于紧密排列，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构之外，百分之九十以上的金属晶体结构都是比较简单的，其中常见的有以下三种：1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处。体心立方晶格晶胞各边相等，即a=b=c，立体八个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，加上晶胞中心1个原子，故每个晶胞原子数为。原子彼此紧密接触排列，因此晶体对角线长度a等于四个原子半径，故原子半径所以体心立方晶格的致密度为。属于这类晶格的金属有-铁（温度在912以下的纯铁）、铬、钼、钨、钒、铌等。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞在立方体的八个角上各有一个原子，在立方体六个面的对角线的交点还有一个原

27、子，对角线长为，而对角线是由四个原子半径组成。因此。每个晶胞的原子数为。用致密度计算公式可求出K=0.74。属于面心立方晶格的金属主要有-铁（温度在9121394之间的纯铁）、铜、铝、镍、金、银等。3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞如图2-4c）所示。该晶胞为一个正六棱拄，在它的十二个顶点上各有一个原子，在上下两个正六边形的中心有一个原子，这些原子均与相临的晶胞共用。在上下两个面之间还有一个独立的原子。六边形的边长为a，显然晶胞的高度为c1.633a，。晶胞原子数为个，可以求出致密度为0.74。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、镉、铍等。3金属材料的晶格缺陷理论上金属晶体内部的原子呈现规则排列，

28、这是理想的晶体结构。在实际晶体中，或多或少存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有极其重要的影响。例如晶体的凝固、故态相变，扩散等过程都与晶体的缺陷有很大的关系，特别是其对塑性变形、强度和断裂等方面起着决定性的作用。按缺陷的几何特征可分为以下三类：1） 点缺陷点缺陷是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小（尺寸范围约为一个或几个原子间距）的缺陷。最常见的点缺陷是晶格空位、间隙原子、置换原子等。2） 线缺陷线缺陷是指在三维空间两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。位错是晶体中的某处有一列或数列发生了有规律的错排现象。位错最

29、基本的形式有刃型位错和螺型位错。3）面缺陷 面缺陷是指三维空间一维方向尺寸很小，另外两维尺寸较大的缺陷。最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。晶界、亚晶界原子排列不规则，晶格畸变较大，位错密度较高，原子处于高能状态，因此对金属材料的机械性能具有重要的影响。二、金属的结晶过程物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体，那么这种凝固就称为结晶。从广义上讲，金属原子从一种排列状态过渡到另一种有规律的排列状态的过程均属于结晶。金属从液态过渡到固态的过程叫一次结晶；金属从一种从固态结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为二次结晶，或重结晶。 在工业生产中，铸件和焊接件的性能在很大程度

30、上取决于金属的结晶过程。控制结晶过程已经成为提高金属性能的主要手段之一。1纯金属的冷却曲线和过冷度纯金属的冷却曲线是通过热分析法测定的。即将液态金属极其缓慢冷却，每隔一段时间测定一次温度，观察结晶情况，直到金属完全结晶为止。把数据描述在时间温度坐标图中，画出温度与时间的关系曲线，这条曲线称为冷却曲线，如图2-1所示曲线1。由于结晶时会释放出潜能，补偿冷却散失的热量，所以冷却曲线出现水平台阶，即结晶在恒温下进行。在无限缓慢冷却条件下的平衡结晶温度称为理论结晶温度。即金属的熔点是其理论结晶温度。结晶结束后，不再有结晶潜能释放，温度继续随时间的延长不断下降，直到室温。 图2-1 纯金属结晶时的冷却曲

31、线在实际结晶过程中冷却速度是不可能无限缓慢。图2-1曲线2表示实际的结晶过程。实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷却现象，而与之差称为过冷度。过冷度并不是一个恒定值，液态金属的冷却速度愈大，实际结晶温度就愈低，过冷度就愈大。过冷度就越大，实际结晶温度就越低。实际金属总是在过冷的情况下进行结晶的，因此过冷是金属结晶的必要条件。2纯金属的结晶过程1）结晶的基本规律金属结晶不是瞬间完成的,纯金属的结晶过程是在冷却曲线的水平段所经历的时间内发生的。结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程。当液态金属温度稍高于熔点时，在原子无规则排列的液态金属中开始出现不稳定的近程有序的微小原于团。随着

32、温度的降低，微小原子团的尺寸增大，稳定性增高。尺寸增大，稳定性增高的近程有序原于团称为晶胚。当液态金属过冷到T0以下时，某些稳定性高的晶胚进一步成长为尺寸极小、原子排列规则的小晶体，即晶核。 对一个晶粒来说，它具有严格的成核和长大两个阶段，但对整体液态金属的结晶过程来说，成核和长大始终交叉进行，所以说结晶是成核和长大并进的过程。2）晶体长大方式液态金属中晶核形成后便立即长大。晶体长大的方式主要是枝晶长大或称树枝状结晶。晶核优先沿一定方向生长形成主干，即一次晶轴。然后在主干上生出枝干，即二次晶轴。进而生长出三次、四次晶轴等，如此不断生长和分支，直至液态金属全部消失。由一个晶核长成的单晶体形成一个

33、树枝晶。多晶体金属的每个晶粒都是以树枝状结晶，直到相互触及才停止生长。在晶体长大的过程中，过冷度小，固、液态金属的自由能差E小，结晶的驱动力小，长大速度就小；反之，过冷度大，则长大速度就快。3）晶粒度对金属机械性能的影响晶粒的大小称为晶粒度。液态金属结晶后晶粒大小对金属的机械性能有重大影响，一般来说，细晶粒金属具有较高的强度和塑性。因而希望得到细晶粒组织。由于细晶粒单位体积内的晶界面积多，可阻碍位错运动；晶界上原子排列不规则，并有大量位错和富集杂质，所以晶界能量大；晶界两侧晶粒位向不同也能阻碍位错运动。所以晶粒越细，金属强度越高。4）影响晶粒度的因素结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N（单位时间

34、、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速率G（单位时间内晶核向周围长大的平均线速度）。所以，凡能促进形核率N，抑制长大速率G的因素，均能细化晶粒。5）控制晶粒度的方法（1）控制过冷度。成核率N和长大速率G决定晶粒度，而成核率N和长大速率G是随过冷度T而变化。当过冷度较小时，长大速率G较成核率N增大显著，结晶后获细晶粒；当N 和G分别达到最大值后，过冷度再继续增大，N与G反而下降。生产中采用降低浇铸温度、减小铸型温度升高的速度、提高冷却速度的方法，均可以增大过冷度，从而可使晶粒细化。见下图所示，过冷度对N和G 的影响（2）变质处理（又称孕育处理）：是利用在液态金属中加入难熔固体质点（细小变质

35、剂），使之形成大量的人工晶核(非自发晶核），从而获得细晶粒的方法。所加难熔固体质点称为孕育剂或变质剂。孕育剂的作用是促进成核，阻止晶粒长大。生产过程中利用人工晶核的方法细化晶粒的手段就是变质处理，也叫孕育处理。 （3）细化晶粒的其它方法： 采用增强金属液的运动，如电磁搅拌、机械振动和超声波处理、热处理、压力加工等方法，或促进形成晶核，或打碎正在生长的树枝晶增加晶核而达到细化晶粒的目的。3晶体的同素异构转变有些晶体结构随着外界条件（如温度、压力）的变化而具有不同类型的晶体结构。金属在固态下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构（晶）转变。同素异构转变过程，是固态下的相变过程，称为重

36、结晶，或称二次结晶，以区别于液态金属的结晶。铁、钴、钛、锡、锰等金属都具有同素异构转变现象。以不同的晶格形式存在的同一金属元素晶体称为该金属的同素异构晶体。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度有低到高依次用希腊字母等表示。纯铁在912以下具有体心立方晶格，称为；在912到1394具有面心立方晶格，称为 ；在1394到1538具有体心立方晶格，称为 ；可表示为：1394912【习题】1关于晶体，以下说法正确的是。A绝大多数固体物质都是非晶体B面心立方晶格的纯铁较体心立方晶格的纯铁强度高C多晶体各个方向上的物理、化学和力学性能基本一样D纯铁在室温时具有面心立方晶格类型2实际金属晶体多为晶体，其

37、理化和力学性能在不同方向上表现出。A单/各向同性B单/各向异性C多/各向异性D多/各向同性3912以下的纯铁的晶体结构是。A体心立方晶格B面心立方晶格C密排六方晶格D体心正方晶格4致密度为74%的晶格是。A体心立方晶格B面心立方晶格C密排六方晶格D面心立方晶格和密排六方晶格5属于面心立方晶格的金属有。A-Fe，铜B-Fe，钒C-Fe，铜D-Fe，钒6实际金属晶体存在大量的晶体缺陷，按其形态分主要有、和。A点缺陷/刃型位错/线缺陷B点缺陷/线缺陷/面缺陷C线缺陷/面缺陷/亚晶界D面缺陷/亚晶界/晶体缺陷7金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为。A共晶转变B结晶C再结晶D重结晶8

38、关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是。A过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值B实际结晶温度高于理论结晶温度C冷却速度越大，过冷度则越大D过冷度是实际液态金属结晶的必要条件9金属的结晶过程包含和。A晶核不断形成晶核长大B晶粒晶界C晶界亚晶界D晶核晶核长大10金属结晶后，其晶粒的粗细与结晶时有关。A形核率和形核速度B形核速度和形核面积C形核率和晶核长大速度D晶粒度和晶核长大速度【答案】1. C 2. D 3. A 4. D 5. D 6. B 7. D 8. B 9. A 10. C知识点37 合金与合金的相结构合金由两种或两种以上化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的，具有

39、金属特性的物质。例如：黄铜是由铜和锌组成的合金，硅铝明是由铝和硅组成的合金，碳素钢和铸铁是铁和Fe3C组成的合金等。组成合金的最基本的、独立的物质称为合金的组元，简称为元。例如铜和锌就是黄铜的组元。组元也可以是稳定的化合物，例如铁碳合金中的渗碳体Fe3C。由两种组元构成的合金称为二元合金，有三种组元构成的合金称为三元合金。合金中具有相同的化学成分、相同的结构、相同的物理化学性能并与其他部分的界面分开的组成部分称为相。例如：纯铁在1538以上时为均匀的液态，只存在一个液相L。温度降到1538以下时，不断从液相中结晶出固相-Fe，两相并存。温度降到1394结晶终了，只存在一个固相-Fe。在整个结晶

40、过程中，液相L与固相-Fe共存。通常把合金中相的晶体结构称为相结构。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。通常把显微镜下观察到的材料形态或形貌特征的组成部分总称为组织。合金的相结构大多数合金在熔融状态下，组成合金的各个组元能够互相溶解，形成均匀的液相。液态下组元完全互溶的合金，凝固之后，根据各组元之间相互作用的不同，固态合金的基本相结构为固溶体和金属化合物。此外，还有由固溶体和金属化合物等组成的机械混合物。1固溶体（solid solution）合金在固态时组元之间会互相溶解，一种组元均匀的溶解在另一组元中而形成的一种晶体称为固溶体。形成固溶体后，晶格与固溶体相同的组元称为固

41、溶体的溶剂，晶格消失的组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中所占有的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。固溶体的主要特征是：晶格仍保持溶剂组元的晶格。1）固溶体溶剂原子在晶格中所占据的部分位置，被溶质原子所替换，这样形成的固溶体称为置换固溶体。根据置换固溶体形成时，溶质原子在溶剂晶格中的最高含量（溶解度）的不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。有限固溶体的溶解度是有一定限度的，例如黄铜中锌的质量分数小于39%时，所有的锌都能溶于铜中，形成单相的固溶体，当锌的质量分数大于39%时锌就不能完全溶入，除了形成固溶体外，还出现金属化合物CuZn。无限固溶体即溶质原子能以任何比例溶入溶剂中，形成单

42、一固溶体。例如铜镍合金能形成无限固溶体。一般来说，晶格类型相同，原子直径差别小、在元素周期表中位置越靠近，则溶解度越大。2）间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体。只有当溶质原子的直径与溶剂原子直径之比小于0.59才能形成间隙固溶体。如碳、氮、氢、硼等元素都能与铁形成间隙固溶体。由于溶剂晶格中的间隙是有限的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。3）固溶强化溶质原子溶入溶剂晶格中，使固溶体晶格发生畸变，从而使材料的塑性变形抗力增大，强度、硬度提高，塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料学性能的重要途径之一，也是金属材料通过热处理达到改变材料性能的依据之

43、一。2金属化合物合金中当溶质的质量分数超过固溶体的溶解度时，合金组元间相互作用而生成的一种以化合物形式出现的新相。若化合物的特性具有明显的金属性质就称为金属化合物。例如碳钢中的Fe3C，黄铜中的CuZn。金属化合物通常具有复杂的晶体结构，金属化合物一般具有高熔点、高硬度和高脆性的特点，其塑性几乎为零，因此不能单独使用。合金中出现少量金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低材料的塑性和韧性。使金属化合物均匀的分布在基体组织上，达到强化金属的方法，是提高金属材料力学性能的重要手段之一。3机械混合物机械混合物是由两种或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质。组成机械混合物的各相之间

44、不发生作用，而是以各自独立的晶体混合而成，因此各相仍保持各自的性能特点。整个机械混合物的性能取决于构成它的各个相的性能以及各个相的数量、形状、大小和分布状况。机械混合物可以由不同的固溶体组成，如固溶体+固溶体；也可以由不同组元的晶粒组成。如A组元+B组元；或者由固溶体与化合物组成。【习题】1组成合金的最基本、独立的物质叫。A化合物B固溶体C元素D组元2关于合金，以下说法错误的是。A合金的组元可以是稳定的化合物B合金的组元通常是纯元素C合金的组元可以是混合物D合金的相结构有固溶体和金属化合物3关于合金，以下说法正确的是。A合金的组元通常是稳定的化合物B二元合金是由两种组元组成的C合金的组元决定了

45、合金的性能D合金的组元也可称为合金的相结构4关于合金，以下说法正确的是。A合金的组元也可称为合金的相结构B合金的相结构决定了合金的性能C固溶体是合金基本的相结构之一D合金的组元通常是稳定的化合物5关于合金，以下说法错误的是。A固溶体中溶质的溶解度是有限的B合金的相结构不能决定合金的性能C固溶体是合金基本的相结构之一D合金的组元通常是元素6合金中的相结构有。A固溶体/化合物/金属化合物B固溶体/机械混合物C化合物/机械混合物D固溶体/化合物7合金在固体状态的相结构大致可分为。A固溶体和化合物B固溶体和液溶体C化合物和合金D化合物和晶体8组成合金的元素，在固态下互相溶解形成均匀单一的固相称为。A晶

46、体B固溶体C化合物D共晶体9关于合金中的固溶体，以下说法错误的是。A固溶体溶质元素含量稍多时可导致固溶强化B固溶体溶质在溶剂中的溶解度是基本不变的C固溶体是合金基本的相结构之一D固溶体中溶质和溶剂可能无限相溶10关于机械混合物，以下说法正确的是。A机械混合物是合金基本的相结构之一B机械混合物决定了合金的性能C机械混合物是由两种或两种以上的相组成D机械混合物的组成相应是固溶体【答案】1. D 2. C 3. B 4. C 5. A 6. D 7. A 8. B 9. B 10. C知识点38：金属的塑性变形和再结晶 金属材料在加工和使用过程中会因受外力作用而发生变形，变形分为弹性变形和塑性变形，

47、其在外力作用下，发生不可恢复的变形为塑性变形，塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响，了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。塑性变形是强化金属（简称形变强化）的重要手段之一。1单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可分解为正应力s和切应力t 。正应力s只能引起弹性变形及断裂。只有在切应力t的作用下金属晶体才能产生塑性变形。金属塑性变形时金属在外力的作用下金属晶格先产生晶格畸变，外力继续加大时，产生晶格错动，而这种错动通常在晶体中采取滑移（sliding）和孪生(twinning) 两种形式，在多数情况下，

48、金属的塑性变形是以滑移方式进行的。1）滑移当作用在晶体上的切应力达到一定数值后，晶体一部分沿一定的晶面，向着一定的方向，与另一部分之间作相移动，这种现象叫滑移。滑移变形的特点是：（1）滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。（2）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。金属的滑移面，一般都是晶格中原子分布最密的面，滑移方向则是原子分布最密的方向，因为沿着原子分布最密的面和方向滑移的阻力最小。金属晶格中，原子分布最密的晶面和结晶方向愈多，产生滑移的可能性愈大，金属的可塑性就愈好。晶格的滑

49、移可通过位错理论来解释。滑移并不需要整个滑移面上的全部原子一齐移动，而只是在位错中心附近的少数原子发生移动。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系(sliding system)。体心立方晶格与面心立方晶格的滑移系数相同，都是 12 个，而密排六方晶格只有3个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性越好，滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而具有面心立方晶格金属的塑性好于体心立方晶格金属，具有体心立方晶格金属的塑性好于密排六方晶格金属。（3）滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。（4）滑移的同时伴随

50、着晶体的转动。转动有两种：一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。需要说明的是，滑移后，滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。（5）滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。2）孪生（又称孪动） 孪生也是在一定的切应力下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面和晶向发生转动（切变）的结果。发生切变的部分称为孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪动与滑移的主要差别是：滑移过程是渐进的，而孪动过程是突然发生的；孪动时原子位置不会产生较大的错动，因此晶体取得较大塑性变形的方式主要是滑移作用；孪动后，晶体内部出现空隙，易

51、于导致金属的破坏；孪动所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速，只有滑移过程很困难时，晶体才发生孪动。 在常见的晶格类型中，密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属一般不发生孪生变形，但在这类金属中常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。2多晶体金属的塑性变形多晶体中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似。但由于晶界的存在及各晶粒的取向不同，使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。1）晶界及晶粒位向差的影响在多晶体中，晶界原子排列不规则，当位错运动到晶界附近时，受到晶

52、界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。若要使变形继续进行，则必须增加外力，可见晶界使金属的塑性变形抗力提高。双晶粒试样的拉伸实验表明，试样往往呈竹节状，晶界处较粗，这说明晶界的变形抗力大，变形较小。由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。2）多晶体金属的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻

53、晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。3）晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。原因是金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。这是由于晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称为细晶强化(grain refining strengthening)。细晶强化是金属的重要强韧化手段之一。4）塑性变形对金属组织结构的影响金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。纤维组织能使金属的力学性能具有明