第1章 金属材料的性能与结构

1、第1章 金属材料的性能与结构 1.1 金属材料的性能1.2金属的晶体结构1.3合金的相结构 1.1 金属材料的性能 金属材料是金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰；其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物理化学性能、工艺性能、经济性能等。 1.1.1 金属材料的力学性能 1、金属材料受力后会有什么反应？2、金属的力学性能的指标一般有哪些？怎样获得这些指标？3、金属材料为什么会发生断裂？ 金属材料承受载荷的能力就是材料的力学性能，是材料的基本性能。一般情况下，金属材

2、料对所受力的反应分三种情况：1、金属材料受力后会有什么反应？1、当受力达到一定值后，金属材料断裂； 2、受力较前者稍小，使金属发生永久（塑性）变形；3、金属材料受到的力较小时，只是发 生弹性变形。 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 金属的力学性能的指标一般有弹性、强度、硬度、塑性和韧性等。一些性能指标可通过拉伸试验机对一定尺寸的试样进行拉伸获得 。 根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，测定该材料的拉伸曲线，在拉伸曲线上可以确定强度、塑性、弹性等力学性能指标。 L0LFFA图1-1 试样拉伸前后标距和截面变化示意图 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？

3、 怎样获得这些指标？ 强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能 。 由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 强度指标一般用单位面积材料所承受的载荷即应力表示，见式： AF 工程中常用的强度指标有弹性极限e、屈服强度s、抗拉强度b ，可以从下面的拉伸曲线上清楚地看出。2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？图1-2 单轴拉伸曲线示意图bse拉伸应力 （）sbe应变（%） MPa2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些

4、指标？ 塑性塑性是指金属材料在外力作用下，发生永久变形而不破坏的能力。在工程中常用塑性指标来判断金属材料的可成形性，常用伸长率和断面收缩率来表征。 伸长率伸长率指试样在拉伸过程中，拉断标距长度的延长值（见图1-1）与原始标距长度的比值，即： 00lll （1-2）2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 断面收缩率断面收缩率指试样拉伸断裂后，试样断面收缩值（即原始横截面面积与试样拉断后颈缩处的截面积的差值）与原始横截面面积的比，用表示。见式1-3. 00AAA （1-3） 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指

5、标？ 材料在弹性范围内，由于受力而发生形状或尺寸的变化，应力与应变服从虎克定律，即：EGKp E、G、K分别为正弹性模量（杨氏模量）、切变模量和体积模量。材料在受力时抵抗弹性变形的能力，或材料弹性变形的难易程度就是弹性模量弹性模量。 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是材料表面在小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力。 目前实际工程中，最常用测定硬度的方法是压入硬度法，硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法和动载压入法。在静载压入法中又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。2、金属的力学性能的指标一般有哪些？

6、怎样获得这些指标？工件工件FD压头压头dh图1-3 布氏硬度原理示意图 )d-D-D(DF(kgf)2HB22)d-D-D(DF(N)2102. 0HB22或 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度测试而改用洛氏硬度方法计量。 0 图1-4洛氏硬度测试示意图 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？图1-5 维氏硬度仪中压头和压痕示意图 21891. 0dFHV 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性冲击韧性。 通常采用一定尺寸和形状的金属试样在规

7、定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所吸收的冲击功表征材料的韧性 2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？图1-6 冲击试验示意图G1 h1 h2FAkk2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？3、金属材料为什么会发生断裂？ 实际上，许多机器零件都是受到循环载荷的作用，在这种载荷条件下，机械零件即使受到的外界应力低于屈服强度，零件也会被破坏，而产生疲劳损伤。这种损伤是指金属材料在长期循环变动载荷作用下（应力一般情况下均小于屈服强度s），材料内部的微观缺陷会逐渐发展，在几乎没有发生塑性变形情况下，就突然发生断裂的现象。 图1-7 疲劳断口

8、的特征示意图 1区疲劳源2区裂纹扩展区3区瞬时断裂区3、金属材料为什么会发生断裂？ 一般把试样在重复或交变应力作用下在规定的周数内不发生断裂所能承受的最大应力为疲劳强度极限疲劳强度极限3、金属材料为什么会发生断裂？1.1.2 金属材料的物理性能和化学 性能 1. 金属材料的物理性能 （1）密度(比重) （2）熔点 （3）热膨胀系数 （4）磁性 （5）电学性能 （6）导热性 2. 金属材料的化学性能 金属材料的化学性能是指在常温或高温下，抵抗各种介质侵蚀，保证其正常使用的能力。它主要包括抗氧化性氧化性、耐耐腐蚀性腐蚀性和热稳定性热稳定性等。 1.1.2 金属材料的物理性能和化学 性能 金属材料的

9、工艺性能是指其能够承受各种加工、处理而不发生损坏的能力。 1. 可锻性1.1.3 金属材料的工艺性能2. 可铸造性3. 可焊接性4. 切削加工性5. 金属材料的可热处理性能1.1.4 金属材料的经济性能 金属材料的经济性能主要体现在由于该材料的应用而带来的经济价值，其包括材料的成本、加工成本、维护成本、增值效益等。用材的相对稳定性，材料在制造过程中的利用率，材料的工艺性能等都将影响由材料制得零件的总成本，进而影响其经济性。 1.2 金属的晶体结构 按原子排列规则程度的不同可分为晶体和非晶体。晶体晶体是组成物质的原子按一定规则成周期性重复排列。金属材料在固态下通常都是晶体。 要了解金属材料的内部

10、结构，首先必须了解晶体的结构即原子排列方式，其中包括：晶体中原子是如何相互作用并结合起来的；原子的排列方式和分布规律；各种晶体的特点及差异等。1.2.1 金属 近代物理理论研究表明，核外电子最外层电子的能量高，与原子核结合得弱，容易脱离原子核对它的束缚，这样的电子通常称为价电子价电子。金属原子的结构特点是其最外层的电子数很少，一般为12个。处于聚集状态的金属原子，将它们的大部分价电子贡献出来，为其整个集体（聚集体）所公有，称之为电子云或电子气。 这些价电子或自由电子，不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围运动着。贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们

11、依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键金属键，它没有方向性和饱和性。 根据金属键的性质，可以解释固态金属的一些性质。1.2.1 金属 在固态金属中，吸引力与排斥力的大小以及它们的结合能量都随原子间距离的变化而发生改变。这样就存在一个原子间距，此时原子间相互排斥力与吸引力相等，原子处于稳定平衡状态，该原子间距即为平衡距离，这时原子之间的结合能为最低，系统此时最稳定。 1.2.1 金属1.2.2 金属的晶体结构1晶体结构的基本知识2. 常见金属的晶体结构3. 晶面指数和晶向指数 在晶体中，原子按一定的规律周期性地重复排列着。 从固体至液体或从液体至固体的转变是

12、突变的。1晶体结构的基本知识 晶体的另一个特点是在不同的方向上测量其性能（如导电性、热膨胀性、塑性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异，称之为各向异性或异向性。1晶体结构的基本知识 由于金属键没有方向性和饱和性，可以假设金属晶体中的原子都是固定的刚球，晶体就是由这些刚球堆垛而成，即为原子堆垛模型原子堆垛模型。 原子堆垛模型 为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常将构成晶体的原子忽略，而将其抽象为几何点，称之为阵点阵点，所有阵点的外部环境都相同。由这些阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵空间点阵。为了方便起见，人们人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格晶格

13、。1晶体结构的基本知识 由于晶体原子排列呈周期性，因此，可以从晶格中选取一个能够完全反应晶格中原子排列特征的最小的几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞晶胞 。1晶体结构的基本知识晶格 晶胞 1晶体结构的基本知识XYZabca图1-9 晶胞的晶格常数和轴间夹角的表示法晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c（将此称为晶格常数）及棱边夹角 表示，如图1-9所示 。、 、1晶体结构的基本知识2. 常见金属的晶体结构 (1)体心立方结构（bcc） 图1-10 体心立方晶胞示意图晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90，构成立方体。 通常用两个参数来表征晶胞中原子排

14、列的紧密程度：一个是配位数，另一个是致密度。 所谓配位数配位数是指晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。体心立方结构的配位数为8. 若把原子看做刚性圆球，原子排列的紧密程度也可用原子所占体积与晶胞体积之比表示，这就是致密度致密度或密集系数密集系数 。2. 常见金属的晶体结构VnVK1K为晶体的致密度体心立方晶胞中的原子半径r= 34a 晶胞的棱边长度（晶格常数）为a，则其致密度为： 1VnV33423ra3342334aaK= = 0.68 2. 常见金属的晶体结构(2)面心立方结构（fcc） 在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子。 图1-11

15、面心立方晶胞示意图2. 常见金属的晶体结构面心立方晶胞中的原子数为 4。 原子半径 r = a 。面心立方结构的配位数为12。它的致密度可以计算出来： K= 0.74241VnV2. 常见金属的晶体结构(3)密排六方结构（hcp） 在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体，上下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。 图1-12 密排六方结构示意图2. 常见金属的晶体结构晶胞中的原子数为6 密排六方结构的晶格常数有两个：一是正六边形的边长a，另一个是上下底面之间的距离c，c与a之比为轴比。 对于典型的密排六方金属，其原子半径为a/2，致密度： K= = = = 0.741VnV3246

16、333823ara3346323 2aa262. 常见金属的晶体结构3. 晶面指数和晶向指数在晶体结构中，由一系列原子所组成的平面称为晶面晶面，任意两个原子连线所指的方向称为晶向晶向。 通常以uvw表示晶向指数的普遍形式，若晶向指向坐标为负方向时，则坐标值中出现负值，这时在晶向指数的这一数字之上冠以负号。2. 常见金属的晶体结构 1)以晶胞的三条相互垂直的棱边，建立坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位。 2)从坐标轴原点引一射线平行于待定晶向。3)在所引有向直线上任取一点，求出该点在X、Y、Z轴上的坐标值。（1）晶向指数 晶向指数的确定步骤如下： 4)将三个坐标值按比

17、例化为最小简单整数，依次写入方括号，即得所求晶向指数。2. 常见金属的晶体结构（2）晶面指数 晶面指数的确定步骤如下： 1)以晶胞的三条相互垂直的棱边，建立坐标轴X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距。以棱边长度（即晶格常数）为坐标轴单位长度。2)求出待定晶面在各轴上的截距。3)取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号内，即为所求的晶面指数。2. 常见金属的晶体结构 晶面指数的一般表示形式为（hkl）。如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上加一负号。 图1-13 （112）晶面说明 2. 常见金属的晶体结构1.2.3实际金属的晶体结构1、实际晶体结构是什么

18、样的？2、晶体缺陷对晶体有什么样的影响？（性能）为什么要研究它？3、有哪些晶体缺陷？实际金属的晶体结构总不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整区域,这就是晶体缺陷晶体缺陷1、实际晶体结构是什么样的？2、晶体缺陷对晶体有什么样的影响？（性能）为什么要研究它？一般来说，金属中这些偏离其规定位置的原子数目很少。但是，这些晶体缺陷在扩散、相变等材料转变过程中扮演着重要角色，进而极大地影响材料的性能。可见，研究晶体的缺陷具有重要的实际意义。 3、有哪些晶体缺陷？（1）点缺陷点缺陷 其特征是在三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空位、间隙原子、杂质原子等。（2）线缺陷线缺陷 其特征是在两个方

19、向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对较大。属于这一类的主要是位错。(3）面缺陷面缺陷 其特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对较大，例如晶界、亚晶界、相界等。(1) 点缺陷常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子。421图1-14 点缺陷示意图1）原子克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁移到其他位置，在原位置上出现了空结点，这就是空位。2）处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。 3）原来基体平衡位置上的原子被异类原子所替代，这类原子称为置换原子。 不管是哪类点缺陷，都会引起周围原子偏离平衡位置而造成晶格畸变，从而对材料的性能产生影响 (1) 点缺陷（2）线缺陷晶体

20、中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达到几百乃至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。 其中最简单、最基本的类型有两种：一种是刃型位错刃型位错，另一种是螺型位错。 设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错。 图1-15 刃型位错示意图 (a) 刃型位错模型 (b)正、负刃型位错（2）线缺陷从刃型位错模型中可以看出其具有以下几个重要特征： 1）刃型位错有一额外半原子面。2）位错线是一个细长具有一定宽度的晶格畸变区域；对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压

21、应力，滑移面之下受到拉应力；负刃型位错与此相反。 （2）线缺陷3）位错线与晶体的滑移方向垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。（2）线缺陷图1-16 螺型位错示意图设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面ABCD发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了位错AB。在Aa的右侧，晶体的上下两部分相对错动了一个原子间距，上下两层相邻原子之间发生了错排的现象。这一地带的原子排列被扭曲成了螺旋形。由于位错线附近的原子是按螺旋形排列的，所以这种位错线AB被称为螺型位错螺型位错。（2）线缺陷螺型位错具有以下重要特征： 1）螺型位错没有额外半原子面。（2）线缺陷2）螺型位错线是一个具有一定宽度

22、的细长的晶格畸变区域，其中只有切应变，而无正应变。3）位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直。（2）线缺陷LV单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度位错密度， 即位 错 密 度4321强度mMPam-2图1-17 晶体强度与位错密度关系 （3）面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。 1）晶体表面晶体表面 晶体表面是指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面。影响表面能的因素：外部介质的性质、裸露晶面的原子密度、晶体表面的曲率。2）晶界晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶

23、粒间界，或简称晶界。3）亚晶界亚晶界 每个晶粒内的原子排列并不是绝对规则整齐的，往往能观察到这样的亚结构，彼此间存在极小的位相差，这些晶块成为亚晶粒，这些亚晶粒之间的界面称为亚晶粒间界，简称亚晶界。 4）相界相界 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。相界的结构有三类，即共格界面、半共格界面和非共格界面。 。 （3）面缺陷1.3 合金的相结构合金不同的相具有不同的金属晶体结构，虽然相的种类极为繁多，但根据相的晶体结构特点可以将其分为固溶体和金属化合物两大类。 1.3.1固溶体1. 固溶体的分类 2. 固溶体的结构3. 固溶体的性能1. 固溶体的分类合金的组元之间以不同比例相互混合后形成的

24、固相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体固溶体，这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。 （1）按溶质原子在晶格中所占位置分类1）置换固溶体置换固溶体 是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体 。1. 固溶体的分类2）间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中 。1. 固溶体的分类溶质原子溶剂原子 图1-18 固溶体的两种类型a）置换固溶体 b）间隙固溶体 a ） b） （2）按固溶度分类1）有限固溶体有限固溶体 在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解了，这一溶解极限称为溶解度

25、或固溶度，这种固溶体就称为有限固溶体。 2）无限固溶体无限固溶体 溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶体的溶解度可达100%，这种固溶体就称为无限固溶体。 1. 固溶体的分类（3）按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类1）无序固溶体无序固溶体 溶质原子统计地或随机地分布于溶剂的晶格中，它或占据着与溶剂原子等同的一些位置，或占据着溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序性或规律性，这类固溶体叫做无序固溶体。2）有序固溶体有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体就叫有序固溶体。 1. 固溶体的分类（1）晶格畸变晶格畸变 由于溶质与溶剂的原子大小不同，在形成固溶体时，必然在溶质原子附近的局部范围内造成晶格畸变。（2）偏聚与有序偏聚与有序 溶质原子在固溶体中的分布，总是在一定程度上不是完全无序状态，存在着分布的不均匀性。 （3）有序固溶体有序固溶体具