金属材料完整版课件最全教学教程整套课件全书电子教案教学课件汇总完整版电子教案全书整套课件幻灯片

1、项目一 金属材料的性能课程的性质课程性质：专业基础课研究对象：金属材料课程的含义目的 学习本课程的目的是使学生获得常用金属材料的种类、成分、组织和性能的基本知识。科学含义 研究金属材料的成分、组织结构、热处理与性能之间关系的科学。性能与成分和加工工艺的关系成分: 材料的成分不同，其内部组织结构就不同，其性能也就不同；如钢和铸铁；热处理可以使材料的性能在很大的范围内变化，如刀具的淬火；冷塑性变形可以产生加工硬化，从而改变材料的性能；金属的性能首先取决于其内部组织结构，而组织结构又取决于化学成分和加工工艺（热处理）。本课程的任务就是以金属材料的性能为核心，以培养学生的能力为目标，以金属材料的应用为

2、出发点，介绍常用金属材料的性能与成分、组织结构、加工工艺之间的关系，重点是汽车工业中常用的金属材料。课程的任务和要求课程基本要求（教学目标）1. 了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及 变化规律。2. 掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型 的汽车零部件和工具等会合理正确地选用工程材料。3. 具有正确选择一般零件热处理工艺方法的能力。工程材料其他工程材料机械工程固体材料非金属材料金属材料有色金属黑色金属钢铁材料铜、金、铝、银等高分子材料、陶瓷材料、复合材料等金属材料黑色金属如铁、钢等灰口铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢等有色金属如铜、铝等纯铜、黄铜、青铜、纯铝、铝合金、纯钛、

3、钛合金等非金属材料高分子材料如塑料、橡胶等热塑性塑料、热固性塑料、天然或合成橡胶等陶瓷材料如普通陶瓷、特种陶瓷等粘土陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷等复合材料如粒子增强复合材料、纤维增强复合材料等纤维树脂复合材料、纤维金属复合材料等第一讲 金属材料的性能 单元一 金属材料的性能 金属材料的性能包含工艺性能和使用性能。工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能以及切削加工性能等 。使用性能：物理性能、化学性能和力学性能 单元一 金属材料的性能性能使用性能工艺性能 铸造性能 锻压性能焊接性能 切削加工性能 压力加工性能 热处理工艺性能 性能使用性能工艺性能 力学性能 物理性能 化学性能 强度、硬度、塑性、

4、冲击韧性和疲劳 熔点、密度以及导电性、导热性、磁性 耐腐蚀性和抗氧化性一、金属的工艺性能1.铸造性能 铸造性能就是金属熔化成液态后，在铸造成型时所具有的一种特性。2.锻造性能 锻压性能就是金属材料在锻造和冲压过程中承受塑性变形的性能。3.焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，并满足预定寿命要求的能力。4.切削加工性能 金属材料的切削加工性能是指金属切削加工的难易程度。5. 压力加工压力加工是利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为金属压力加工，又称金属塑性加工。6.热处理工艺性能金属材料适应各种

5、热处理工艺的性能称为热处理工艺性能。二、 金属的物理性能 金属的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。1、金属的物理性能（1）密度 一般将密度小于5103Kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5103Kg/m3的金属称为重金属。（2）熔点 金属和合金熔化时所需要的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，合金的熔点取决于它的化学成分。（3）导热性 金属材料传递热量的性能称为导热性。金属的热导率越大，它的导热性就越好。（4）导电性 金属材料传导电流的能力称为导电性。电阻率是表示材料导电能力的性能指标。（5）热膨胀性 金属材料随温度变化而体积发生膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。（6）

6、磁性 金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。三、金属的化学性能 主要的化学性能有：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性 。2.抗氧化性 金属材料在加热时阻止氧化作用的能力称为抗氧化性。金属的氧化性随温度的升高而增加 。3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。四 、金属的力学性能 金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的性能，称为力学性能，或机械性能。力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳极限等。1.力学基本概念（1）载荷载荷就是物体受到

7、的外力，也称负载。按载荷作用性质可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷等三种。静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据载荷作用形式又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。（2）变形材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 （3）内力材料受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部产生的与外力相对抗的力。 注意：内力一定是在外力的作用下，材料内部所产生的相互作用力。（4）应力假

8、设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的力。即：2、强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。根据所加载荷的形式，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。 金属力学性能的测量方法1、强度、塑性的测定 抗拉强度是通过拉伸试验测定的。 （1）拉伸试棒 拉伸试棒的形状一般有圆形和矩形两类，通常采用圆形试棒。拉伸试样（GB/T228-2010）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0（2）拉伸曲线oe 弹性变形阶段 es 屈服阶段 sm强化阶段（均匀塑性变形阶段 ）mk 缩颈阶段力-伸长曲线oe：弹性变形阶段：试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载

9、荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。es：屈服阶段：当拉力超过Fe时试样除产生弹性变形，还产生部分塑性变形，若此时卸载，则试样的伸长只能部分恢复。此时外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长并开始出现明显塑性变形，力-伸长曲线上出现锯齿，称为屈服。sm：均匀塑性变形阶段 ：随塑性变形增加，试样变形抗力也逐渐增加，产生加工硬化。这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fm为试样拉伸的最大载荷。mk：缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fm后，试样局部横截面积减小，伸长量增加，形成“缩颈”。韧性断口拉伸试样的颈缩现象铸铁拉伸曲线脆性断口工程上使用的金属

10、材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，在断裂前塑性变形量很小，甚至不发生塑性变形。如灰铸铁、淬火高碳钢等。以弯曲一块钢板为例，用手稍微弯曲钢板，然后放开，则钢板会回弹恢复到原来的形状，这种在除去载荷后能自动消失的变形，称为弹性变形，而钢板恢复原状的特性称为弹性。若在钢板上施加较大力量使钢板弯曲，卸载后会出现无法恢复原状的永久变形，这种在除去载荷后不能消失的变形，称为塑性变形，钢板产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。材料具有良好的塑性，有利于对金属材料进行加工，如汽车驾驶室外壳、油箱等零部件的加工成型，因变形量很大，必须选用具有塑性较好的金属材料经冷冲压加工成型。金属材料在受到拉伸时，长

11、度和横截面积都会发生变化，因此，金属的塑性可以用拉伸时的断后伸长率和断面收缩率两个指标来衡量，可在拉伸试验中测定。 钢板弹性和塑性变形3、塑性3、塑性 金属材料的塑性通常用断后伸长率A和断面收缩率Z 来表示。（1）断后伸长率断后伸长率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度的百分比。 （2）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面面积的相对收缩值。 A、Z值越大，说明材料在断裂前产生的塑性变形量越大，材料的塑性越好！强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属

12、材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。4、硬 度硬度的含义布氏硬度洛氏硬度维氏硬度常用的表示方法硬度是指金属材料表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力，是衡量金属材料软硬程度的指标。金属材料的硬度越高，其耐磨性能越好。 在一定载荷F作用下，将一定直径D的压头（球体）压入被测材料的表面，保持规定时间后将载荷卸掉，使用读数显微镜测出压痕直径d，根据d值查平面布氏硬度值计算表可得硬度值。（1）布氏硬度 1）布氏硬度测量原理布氏硬度计2）布氏硬度的符号及表示方法布氏硬度用HBW表示，压头为硬质合金球，布氏硬度上限值为650HBW，不能高于此值，否则硬质合金球的压痕太大，误差较大。表示方法：硬度值+硬

13、度符号+试验条件。按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径；试验力；试验力保持时间（持续时间为1015s时可不标注）。例如，200HBW10/1000/30表示用直径为10mm的硬质合金球压头，在1000kgf（9.807kN）的作用下，保持30s，测得的布氏硬度值为200MPa（Mpa通常不标注）。压痕直径d越大，金属材料的布氏硬度值越低，反之越高。3）布氏硬度的特点及适用范围优点：试验时试样上的压痕面积较大，能较好地反映材料的平均硬度，测量精度高，测量误差小，数据稳定。缺点：压痕较大，不适合测量成品及薄件。适用范围：布氏硬度测试法主要适用于铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。用锥

14、顶角为120的金刚石圆锥体或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。压头压入的深度越大，金属材料的洛氏硬度值越低，反之越高。实际测量时，硬度值可以从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出。1)洛氏硬度测量原理（2）洛氏硬度洛氏硬度计根据压头的种类和总载荷的大小不同，洛氏硬度的表示方式也不同，通常有HRA、HRB、HRC三种。 常用三种洛氏硬度试验条件及应用举例 硬度符号压头类型初始试验力N主试验力N硬度值有效范围应用举例HRA120圆锥体金钢石98.07490.32088硬质合金,表面硬化零件等HRB1.588mm钢球9

15、8.07882.620100非铁金属,退火钢,合金钢等低硬度零件HRC120圆锥体金钢石98.0713732067碳钢、工具钢、合金钢等经淬火、回火处理的零件HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小表示为：硬度值+硬度符号。（无单位）例如：60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60.2）洛氏硬度表示方法洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。3）洛氏硬度特点：优点：缺点 ：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，可用于测量成品和薄件，尤其是淬火后的工件。压痕较小，测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是目前应用最广泛的硬度测试方法。可用于成品检验和薄件表面

16、硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。4）洛氏硬度应用：维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕（3）维氏硬度（HV）小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度（HV）测试计用锥面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头，以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，利用刻度放大镜测出压痕对角线长度，通过查表可得出维氏硬度值。2）表示方法 维氏硬度用符号HV表示。表示方法：硬度值+硬度符号+测试条件例如：580HV/30/20表示在30kgf载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为580MPa（Mpa通常不标注）。1）维氏硬度测量原理优点：适用范围广，测量范围为5

17、-3000HV，从极软到极硬材料都可测量，尤其适合测定表面淬硬层及化学热处理表面层等硬度;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。材料可以通过维氏硬度值直接比较大小。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。3）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。通过上述力学性能讲述，可以看出：刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标，是机械零部件首先应满足的基本要求。5、冲

18、击韧性 是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一次冲击摆锤试验冲击韧性的测定方法 一次冲击摆锤试验摆锤式冲击实验机试验原理试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收能量（K ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。( J )K冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。冷脆材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性

19、状态。这一温度称为转变温度。转变温度越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（ Tt ）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（ Tt ）可达-40以下。TITANIC建造中的Titanic 号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈

20、脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。6、疲劳强度 人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成

21、车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件桁梁出现了金属疲劳问题。6、疲劳强度（1） 疲劳破坏 零件在受到循环应力作用时，经过一定的循环周次后，在工作应力远小于抗拉强度（甚至屈服强度）的情况下突然断裂的现象称为疲劳破坏。 金属材料在交变载荷作用下所能承受的不引起断

22、裂的最大应力 ，叫疲劳强度。 各类断裂失效中，约80%是由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。（2）疲劳极限对于一般低、中强度钢，当循环次数达到107次仍不断裂时能承受的最大循环应力作为疲劳极限，在腐蚀介质作用下取N=106 ；对高强度钢取N=108；对于有色金属，应力循环次数一般取 N = 108 。S-N曲线示意图当应力低于某一值时（图中为3），材料经无限次应力循环后也不会发生疲劳断裂，这一应力值称为疲劳极限。（3）产生疲劳破坏的原因 材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中 微裂纹 裂纹扩展 破 坏 提高疲劳强度措施 材料方面降低零件的表面粗糙度值，提高表面加工质量。设计方面改善零件表面加工质量

23、，尽量减小能成为疲劳裂纹源的表面缺陷和表面损伤（擦伤、刀痕、生锈等）；工艺方面 采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火、喷丸、滚压等表面强化方法，提高零件表层的疲劳极限。四、金属材料的化学性能 前文已提到金属材料的化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。在实际应用中主要考虑金属的耐腐蚀性和抗氧化性，特别是抗腐蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。1耐腐蚀性 汽车零部件制造所用的材料以金属为主，在使用中，金属材料的腐蚀是难以避免的。汽车发动机在汽缸冷却时，燃料中的硫等很容易在缸壁上生成酸性物质，此时腐蚀很强烈。当汽缸内气温较高时，酸性物质的腐蚀会小很多，但此时因润滑油黏度随温度的升高

24、而降低，油膜不易形成，抵抗腐蚀的能力减小，使得磨损加剧。四、金属材料的化学性能 车辆金属零件腐蚀比较严重的部位是钣金件部分，如驾驶室、车厢、车壳体、车底板、挡泥板、底盘等。金属零件的腐蚀，不仅会降低其品质和寿命，还会因腐蚀造成异常损坏而引发交通事故。图1-23为被腐蚀的轴瓦、被腐蚀的汽车排气管和生锈卡死的轴承。a）被腐蚀的轴瓦 b）被腐蚀的汽车排气管 c）生锈卡死的轴承图1-23零件的腐蚀四、金属材料的化学性能 金属防腐蚀的方法很多，主要有改善金属的本质，把被保护金属与腐蚀介质隔开，或对金属进行表面处理，改善腐蚀环境以及电化学保护等。（1）改善金属的本质可在金属中添加合金元素，提高材料的耐腐蚀

25、性。如在钢中加入镍等元素制成不锈钢来防止或减缓金属的腐蚀。四、金属材料的化学性能（2）形成保护层防止金属腐蚀简单有效的方法是在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属同腐蚀介质隔开。如在汽车车身喷涂油漆等。图为使用防锈蜡对底盘进行防腐，如图1-24所示。图1-24 使用防锈蜡进行防腐四、金属材料的化学性能（3）改善腐蚀环境减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度和湿度，在腐蚀介质中添加缓蚀剂来防止和减少金属的腐蚀。（4）电化学保护法根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而减轻或防止金属腐蚀。2抗氧化性金属材料在高温时抵抗氧化腐蚀作用的能力称为抗氧化性。氧化是一种典

26、型的化学腐蚀，在高温空气、燃烧废气等氧化性气氛中，金属与氧接触发生化学反应即氧化腐蚀，腐蚀产物（氧化膜）附着在金属的表面。随着氧化的进行，氧化膜厚度继续增加，金属氧化到一定程度后是否继续氧化，直接取决于金属表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、稳定的、与基体金属结合力高，氧化膜强度较高，就能够阻止氧原子向金属内部的扩散，降低氧化速度，否则会加速氧化，使金属表面起皮和脱落等，导致零件早期失效。图1-25为被氧化腐蚀的汽车轮毂。图1-25 被氧化腐蚀的汽车轮毂谢 谢项目二 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体的特征是？金属材料常见的晶格类型有哪些？晶格缺陷有哪些？对材料性能有什么影响？w晶体概念的

27、发展古希腊人认为无色透明的石英是由过冷的冰形成的，称为“Krystallos”（洁白的冰）。英文crystal是起源于这个词。中世纪人们研究了许多矿物晶体后形成一个初步的概念：晶体是具有规则多面体外形的固体。人类认识晶体首先是从观察天然矿物的外部形态开始。蜂蜡、玻璃、松香、沥青等晶体金刚石、食盐、冰等非晶体 晶体：组成原子呈规则排列。非晶体：组成原子无规则的堆积在一起。一、金属的晶体结构固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。凡原子（或分子）按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质称为晶体，如图2-2所示。而原子（或分子）无规则聚集在一起的物质则称为非晶体，如图2-3

28、所示。1 晶体与非晶体的概念图2-2 有序排列的晶体结构 图2-3 无序排列的非晶体结构 根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。 晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围。 晶体具有各向异性， 非晶体呈各向同性。 w晶体与非晶体的区别 同一晶体在不同方向上所测得的性质表现出差异的特性。这是由于晶体内部各方向上微粒排列的情况不同所致。 注：气体、液体、无定形体都不具有各向异性，而是各向同性的。晶体在多数性质上表现为各向异性，但是不能认为无论何种晶体，无论在什么方向上都表现出各向异性。各向异性 2 晶体与非晶体的区别晶体 非晶体组成物质微粒规则排列 组成

29、物质微粒无规则排列 固定熔点 无固定熔点各向异性 各向同性 随着对晶体内部本质结构的认识加深，许多事实说明，仅从几何外形来判断是否晶体是不充分的。在自然界中，具有天然多面体外形的晶体是少数的。但实际上，晶体在自然界普遍存在的，如矿石、沙子、糖、骨骼、牙齿直到眼角膜都是晶体。赤铁矿眼角膜牙齿二 金属晶格的基本类型（1） 假设：原子为固定不动的刚性小球，原子在各个方向的排列都是很规则的，每个原子具有相同的环境1 晶体结构模型空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列晶 格：用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子（2）空间点阵、晶格空间点阵晶格为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，将构

30、成晶体的原子抽象为纯粹的几何点，称之为阵点。（3）晶胞晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，是能代表原子排列形式特征的最小几何单元晶胞在三维空间的重复构成点阵在晶格中选取能够完全反映晶格特征的最小几何单元，建立晶胞的概念根据微粒的种类和相互作用分为常见的三种晶格类型1、体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排六方晶格(一)体心立方结构体心立方晶格的晶胞是一个立方体形的，原子位于立方体的八个顶角和立方体的中心，如图2-5。属于这种结构的金属有钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）及-铁（-Fe）等35种。（2）原子个数n在体心立方晶格中，顶角上的原子为相邻的8个晶胞所共有，而

31、体心的原子为其独有，故其原子个数为（3）原子半径r在体心立方晶格中，最邻近的原子在体心对角线上，此对角线的长度等于4个原子半径，设晶胞的晶格常数为a，则体心立方晶格的原子半径为4）致密度K体心立方晶格的晶胞中包含2个原子，原子半径为 ，其致密度为所以，在体心立方晶格中只有68%的体积为原子所占据，其余32%为间隙体积。晶体间隙体积的大小对金属形成合金时的溶解度和力学性能有很大影响。(二)面心立方结构 面心立方晶格的晶胞是一个立方体形，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个面的中心，如图2-6。属于这种结构的金属有金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）、铅（Pb）、镍（Ni）及-铁（-Fe

32、）等21种。2）原子个数n在面心立方晶格晶胞8个顶角上的每个原子为8个相邻的晶胞所共有，但6个面中心的原子则只属于相邻的2个晶胞，故其原子个数为 3）原子半径r在面心立方晶格中，最邻近的原子在侧面对角线上，此对角线的长度等于4个原子半径，设晶胞的晶格常数为a，则面心立方晶格的原子半径为 4）致密度K面心立方晶格的晶胞中包含4个原子，原子半径为 ，其致密度为 所以，在面心立方晶格中有74%的体积为原子所占据，其余26%为间隙体积。(三)密排六方结构密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱形的，原子除排列于柱体的每个顶角和上、下两个底面的中心外，在正六棱柱的中心还有三个原子，如图2-7。属于这种结构的金属

33、有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、锌（Zn）等25种。2）原子个数n密排六方晶格的晶胞顶角上的原子为相邻的6个晶胞所共有，而上、下2个六边形面中心的原子为2个晶胞所共有，中间的3个原子为该晶胞所独有，故其原子个数为 3）原子半径r在密排六方晶格中，其底面中心原子与周围6个顶点上的原子是相互接触的，因此其原子半径为 4）致密度K密排六方晶格的晶胞中包含6个原子，原子半径为 ，其致密度为 所以，在密排六方晶格中有74%的体积为原子所占据，其余26%为间隙体积。金属的实际晶体结构一、多晶体结构实际上使用的金属材料，即使体积较小的材料，其内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都基本

34、一致，每个小晶体的外形呈不规则的颗粒，称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体就称为多晶体，一般金属材料都是多晶体。有时定义单晶体为晶体内部原子的排列方向完全一致；则多晶体为晶体内部原子的排列方向各不相同。a单晶体：原子或离子按一定的几何规律完成整个排列的整块晶体。 a多晶体：由许许多多单晶体微粒所形成的固体集合体。单晶体和多晶体 单晶体 多晶体根据外观分类金刚石石英萤石锆石 晶体结构缺陷 在实际晶体中、原子排列不可能那样规则和完整，往往存在着偏离理想结构的区域 实际金属的晶体缺陷对金属的性能起关键作用的是金属中的缺陷。分类： 点缺陷：其特征是在三维方向上的尺寸都很小，亦称

35、零维缺陷。例如空位、间隙原子、置换原子、杂质原子。 线缺陷：其特征是在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸很大，亦称一维缺陷。例如位错。 面缺陷：其特征是在一个方向上尺寸很小，而另两个方向上尺寸很大。例如晶界、亚晶界。一、点缺陷1. 空位能量起伏造成原子的瞬间能量超过周围原子对它的束缚能，原子脱离原位置转移到其它位置，在原位置上出现空结点，为空位。间隙原子：处于晶格间隙的原子。难以制造纯度高于99.9999%的材料；每立方米的体积有10221023个杂质原子。2. 间隙原子3置换原子占据在原来基体平衡位置上的异类原子称为置换原子。造成晶格畸变，有一定的固溶度。二、线缺陷位错：晶体中某处一列或

36、若干列原子出现的有规律的错排，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小。位错可以分刃型位错和螺型位错。 1. 刃型位错晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面又如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称为刃型位错。螺型位错三、面缺陷面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷，其主要形式就是各种类型的内界面。多数晶体物质是由许多晶粒组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0

37、.0150.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm。（a）晶界 （b）亚晶界 （c）两晶界之间的夹角 为何工业上很少使用纯金属，而多使用合金?虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金，合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化是提高纯金属性能的最主要的途径。所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。1)合金。合金指两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如

38、铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，它是以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铸铁主要由Fe、C和Si等组成的合金的总称。但值得注意的一点，如Fe与C可以组成碳钢和铸铁等铁碳合金，也可以组成Fe3C这样的金属化合物，因此金属与非金属组成的不一定就是合金。2）组元组元指组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。根据组元的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。如铁碳合金就是由铁和碳两个组元组成的二元合金。Mg-Si二元合金中的Mg2Si组元便是稳定化合物。3）合金系合金系由若干给定组元可以按不同比例配制成一系列成

39、分不同的合金，构成一个合金系统，简称合金系。如Fe-C二元合金系、Al-Cu-Mg三元合金系。4）相具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相、气相是三种不同的相。在一个标准大气压下，水的凝固点是0，在凝固点以下水会结晶为冰（固相），0的水处于冰水混合物状态（液相与固相共存），4以上的水是液相，而100的水变为水蒸气（气相）。5）组织组织用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（如图2-16、2-17）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组成组织的基本组成部分，但是，同样的相，当它们的大小、分布不同时，就会出现不同的组织。合金的性能由其组

40、织决定，而合金的组织由相组成。也就是说相是组织的基本单元，组织是相的综合体。组织是决定材料性能的一个极为重要的因素。在条件相同的条件下，不同的组织使材料表现出不同的性能。因此，在实际生产中，控制和改变材料的组织具有极为重要的意义。图2-16 钢中的渗碳体组织图 2-17 铸铁中的石墨组织固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体合金相机械混合物根据合金中各组元间相互作用不同，固态合金中的相可分为固溶体和金属化合物两类。在合金中，若组元间在液态下能够相互溶解，在固态下仍能彼此溶解且形成均匀的相则称为固溶体。固溶体中含量多的组元称为溶剂，含量少的组元称为溶质。一种组元(溶质)溶解在另一种组元(

41、溶剂，一般是金属)中，其特点是溶剂（或称基体）的点阵类型不变，即固溶体的晶体结构保持溶剂的晶体结构。1 固溶体固溶体的分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。 置换固溶体间隙固溶体置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格结点上的某些原子而形成的固溶体成为置换固溶体。按溶质原子在固体中的溶解度不同，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。大多数合金都只能有限固溶，且溶解度随着温度的升高而增加。只有当两组元晶格类型相同、原子半径相差很小时，才可以无限固溶，形成无限固溶体。当一些原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金属或化合物的溶剂中时，这些小的溶质原子不占有溶剂晶格

42、的结点位置，而存在于间隙位置，形成间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶剂元素大多是过渡族元素，溶质元素一般是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，即氢、硼、碳、氮、氧等。间隙固溶体3固溶体的性能（1）固溶强化 当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。 适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要

43、强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。（2）固溶度固溶度指金属在固体状态下的溶解度，合金元素要溶解在固态的钢中，前提是将钢加热到奥氏体化后，奥氏体晶格间的间隙较大，能够溶解更多的合金元素。（3）固溶热处理将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。（4）固溶体的物理性能随着溶质原子的溶入，金属的电阻值升高，而且固溶体的电阻值与温度关系不大，工程上应用的精密电阻和电热材料等都广泛应用固溶体合金，如热处理炉用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni电阻丝等都是固溶体合金。三、金属化合物1金属化合物的结构及分类各种元素发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金

44、属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。当形成合金的元素其电子层结构、原子半径和晶体类型相差较大时，易形成金属化合物。金属化合物的晶体类型不同于它的分组金属，自成新相。金属化合物的种类很多，其晶格类型有简单的，也有复杂的，根据化合物结构的特点，可以分为正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。2金属化合物的性能金属化合物的熔点高、硬而脆，很少单独使用。在合金中常作为强化相存在，是许多合金钢

45、、非铁金属和硬质合金的重要组成相。当一定数量的金属化合物以细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度和硬度，这种现象称为第二相强化。四、合金的组织类型合金的组织类型一般分为单相固溶体型和机械混合物型。单相固溶体是指合金的组织全部由一种固溶体相组成，工业上使用的合金大都为单相固溶体或以固溶体为基体的多相合金。机械混合物是指由两种或以上的互不相溶晶体结构（纯金属、固溶体或化合物）机械地混合而形成的显微组织。机械混合物的性能主要取决于组成它的各组成物的性能以及其数量、形状、大小和分布情况。一般组织中固溶体相的数量多，作为基体存在；而金属化合物的数量较少，以一定的形态分布于基体中。大多数

46、合金的组织都属于机械混合物型，通过调整固溶体中溶质的含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变动，以满足工程上不同的使用要求。学习任务四 金属的结晶1、金属的结晶1）水的结晶： 0以下水 冰液态 固态（分子呈不规则排列） （分子呈规则排列）2）金属的结晶：金属与合金由液态转变为固态的过程。结晶实质：原子从不规则排列的液态转变为规则排列的晶态的过程。2、凝固与结晶 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 金属材料的固态一般均为多晶体，所以金属自液态的凝固过程也称为结晶过程。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因此，

47、结晶过程也是相变过程。 纯金属在结晶时的转变温度，称为熔点。当温度高于它时，金属以液体状态存在。低于它时以固体状态存在。 液态金属冷却到熔点时是不能结晶成晶体的，只有冷到低于熔点的温度时，有一定的过冷度时才能结晶。雾凇 冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线。 T0-理论结晶温度 T1-实际结晶温度 T-过冷度 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲线冷却过程中，当液态金属的温度到达结晶温度时，由于结晶潜热的释放补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。平台延续的时间就是结晶过程所用的时间；平台所对应的温度就是结晶温度 。结晶潜热：金属结晶时从液相转变为

48、固相放出的热量。纯金属的结晶冷却曲线与过冷度To时间温度理论结晶温度T0实际结晶温度T1T1过冷是金属结晶的必要条件平衡条件：无限缓慢的冷却条件即可视为平衡条件。理论结晶温度T0：纯金属液体在平衡条件下结晶的温度。过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差：T=T0-Tn过冷度随金属的本性和纯度的不同以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化：金属不同，过冷度的大小不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低。 液态和固态金属，在不同温度下自由能的变化总是朝着能量降低的方向进行，低于熔点时液态能比固态高，因而结晶。 结晶过程是金属原子重新排列的过程，包括晶

49、核的形成和长大。T0T1 溶化结晶纯金属的结晶过程晶体长大示意图金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶 自发形核：液态金属中的原子排列不规则，但也存在着一些原子排列规则的极小原子团，时聚时散，称为晶坯。在实际结晶温度下，经孕育期时间后，有些晶坯开始稳定并长大，形成晶核。 异质形核：更为普遍的是液体中存在的高熔点固态杂质形成的晶核。 晶核形成后便向各个方向生长，同时又有新的晶核生成。直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，晶粒相接触后形成晶界。三、形核与长大液态金属形核晶核长大完全结晶结晶过程的两个阶段1、晶核的形成2、晶核的长大 晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过冷度大的方向

50、生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进，称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，称为树枝状长大。结晶晶粒大小晶粒大小对力学性能有哪些影响？细化晶粒的方法有哪些？1. 加快冷却速度2. 变质处理增加形核率3. 增加外力附加振动，使枝晶破碎，增 加形核率。晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好！四、金属结晶后的晶粒大小及控制四、金属结晶后的晶粒大小及控制1晶粒大小对金属材料性能的影响晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。金属结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于晶核

51、形成率N和长大速度G的相对大小。若晶核形成率越大，而长大速度越小，单位体积中晶核数目越多，每个晶核的长大空间越小，也来不及充分长大，长成的晶粒就越细小；反之，若晶核形成率越小，而长大速度越大，则晶粒越粗化。晶粒大小对金属性能有重要的影响。在常温下晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。多数情况下，工程上希望通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。这种用细化晶粒来提高材料强度的方法，称为细晶强化。表2-1说明了晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径/m抗拉强度/MPa伸长率（%）9716828.87018430.62521539.5226848.81.627050.7128450

52、 2细化晶粒的方法 金属结晶后单位体积内晶粒的数目取决于结晶时的形核率和晶核的长大速度。形核率是指单位时间、单位体积金属液内形成的晶核数目。 （1）增加过冷度 即加快金属液的冷却速度能使晶粒细化。这种方法只适用于中、小型铸件。 （2）变质处理 即在浇注前向金属液中加入少量形核剂（又称变质剂或孕育剂），造成大量非自发形核，使晶粒细化。 （3）振动处理 金属结晶时，对金属液进行机械振动、超声波振动或电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，提高形核率，达到细化晶粒的目的。图2-24 过冷度对晶粒大小的影响谢 谢项目三 金属的塑性变形与再结晶项目三 金属的塑性变形与再结晶 塑性变形及随后的加热对金属材料组织和

53、性能有显著的影响。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。第一节 纯金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。一、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片正应力：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。 滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。塑性变形的形式：滑移和孪生

54、。金属常以滑移方式发生塑性变形。 1、滑移变形的特点 ：（1）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格110111110111晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。.滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好。.滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。（2）滑移

55、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。 铜拉伸试样表面滑移带转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移。有利的滑移位向称为软取向；远离45的滑移系称为硬取向。滑移后，滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。（3） 滑移的同时伴随着晶体的转动在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生变化，由原来处于软取向的滑移系逐渐转向硬取向，使滑移困难的现象称为取向硬化。由原来的硬取向的滑移系逐步趋于软取向，使滑移易于进行的现象称为取向软

56、化。在滑移过程中，取向硬化与取向软化是同时进行的。2、滑移的机理滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。2、滑移的机理滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多 脚 虫 的 爬 行2、滑移的机理滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。 孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。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，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重

57、新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为孪晶，此公共晶面就称孪晶面。1、晶粒位向的影响多晶体是由位向不同的许许多多的小晶粒所组成，由于各个晶粒的位向不同，则各滑移系的取向也不同。在外加拉伸力作用下，各滑移系上的分切应力值相差很大，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置，如图3-11所示。二、多晶体金属的塑性变形图3-11 位错的塞积当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的

58、塑性变形抗力增大。当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的变形抗力提高。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，如图3-12所示。图3-12 多晶体塑性变形示意图2、晶界的影响在多晶体中，晶界处原子排列混乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3-13

59、所示。（a）变形前 （b）变形后图3-13 拉伸试样变形示意图 多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。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。 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带 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。因为金属晶粒越细，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。塑性变形的晶粒大小与金属强度关系第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、冷

60、塑性变形对金属组织的影响 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。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。a）未变形 b）变形程度小 c）变形程度大图3-15 冷塑性变形时晶粒形状变化示意图1.加工硬化 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。产生加工硬化的原因是:随变形量增加，晶粒破碎，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降。没有加工硬化, 金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能