金属材料分类课件

参考书目[1]邓文英、郭晓鹏，金属工艺学（第四版）（上、下），北京：高等教育出版社，2000[2]戴枝荣，工程材料及机械制造基础（1）——工程材料，北京：高等教育出版社，2019[3]张万昌，工程材料及机械制造基础（2）——热加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000[4]吴桓文，工程材料及机械制造基础（3）——机械加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000[5]傅水根，机械制造工艺基础，北京：清华大学出版社，2019[6]王俊彪，材料的先进成形技术，北京：高等教育出版社，2019[7]翁世修、吴振华，机械制造技术基础，上海：上海交通大学出版社，2019[8]卢秉恒，机械制造技术基础，北京：机械工业出版社，2019[9]吉卫喜，机械制造技术，北京：机械工业出版社，2019[10]施江澜，材料成形技术基础，北京：机械工业出版社，2019[11]宋昭祥，机械制造基础，北京：机械工业出版社，2019[12]孔德音，机械加工工艺基础，北京：机械工业出版社，2019参考书目1材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料工程材料金2零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验

应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验3毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法机械加工方法毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成4

一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。

预先热处理：

为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工5金属材料分类课件6第一篇金属材料导论第一篇金属材料导论7主要内容1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金属及合金的晶体结构1.3合金的结构1.4二元合金状态图主要内容1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金8§1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1.1金属材料的主要性能§1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线9一、静载单向静拉伸应力――应变曲线

1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样：长试样：L10

ΔLF0

低碳钢拉伸曲线

脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：ΔLF0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，11纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变ε其中：σ=F/S

表示材料抵抗变形和断裂的能力

ε＝（L1-L0）/L03.曲线分为四阶段：

1）阶段I（ope）――弹性变形阶段

p:Fp

，e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）

op段：△L∝P

直线阶段

pe段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2）阶段II（ess’）段――屈服变形

S:屈服点

Fs3）阶段III（s’b）段――均匀塑性变形阶段

b:

Fb

材料所能承受的最大载荷纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变12

4）阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形－－颈缩铸铁、陶瓷：只有第I阶段中、高碳钢：没有第II阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1．刚度和弹性刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε杨氏弹性模量

GPa,MPa

本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。

弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Fp/Ao

应力――应变保持线性关系的极限应力值

4）阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形－－颈缩13弹性极限：σe=Fe/Ao

不产永久变形的最大抗力。2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。

条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。

s0.2弹性极限：σe=Fe/Ao

不产永久变形s0.2143.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

延伸率

延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)

断面收缩率

ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

>时，无颈缩，为脆性材料表征；

<时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。断裂后拉伸15§1.2材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度

§1.2材料的硬度1．布氏硬度16压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在417符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序182．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种①HRA

硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC

较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计2．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用19维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度20维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。

维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬21§1.3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak。§1.3冲击韧性22ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J23疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。§1.4疲劳强度

（80%的断裂由疲劳造成）周次σ疲劳强度σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作§1.4疲劳强度周次σ24轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形25§1.5材料的断裂韧性

1．问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.

2．应力场强度因子K

前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。

I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹

Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。Y=

I§1.5材料的断裂韧性I：单位厚度，无限大263．断裂韧性

对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。

当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。

KI＝KIC时，裂纹处于临界状态

KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。3．断裂韧性当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生274．应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC

，制定零件工作是否安全K≥KIC，失稳扩展。（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。5.Titanic沉没原因I4．应用5.Titanic沉没原因I28金属材料分类课件29思考题1将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？2疲劳破坏有什么危害？在什么情况下发生疲劳破坏，产生原因是什么？如何提高零件的疲劳强度？思考题1将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变302.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。1.三种常见的金属的晶格类型：

体心立方面心立方密排六方1.2金属的晶体结构2.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体31一、晶体与非晶体1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。

非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2.区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性金属的结构晶态非晶态Si2O的结构一、晶体与非晶体1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。32二、金属的晶体结构1.金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。1）理想晶体——实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）二、金属的晶体结构33晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直343）晶胞的描述

晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c4)晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交单斜三斜5）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。3）晶胞的描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ4)晶系：352.三种典型的金属晶体晶胞(1）体心立方晶胞晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等2.三种典型的金属晶体晶胞(1）体心立方晶胞晶格常数：a(a36（2）面心立方晶胞

晶格常数：a原子个数：4配位数：

12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等（2）面心立方晶胞晶格常数：a原子个数：437(3)密排六方晶胞

晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等

(3)密排六方晶胞晶格常数：底面边长a和高c，原子个38体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面39三．实际金属的晶体结构

理想晶体+晶体缺陷——实际晶体

实际晶体——单晶体和多晶体

单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性1．晶体缺陷实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分(1)点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化

三．实际金属的晶体结构1．晶体缺陷40空位

晶格结点处无原子置换原子

晶格结点处为其它原子占据间隙原子

原子占据晶格间隙空位间隙原子大置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位

晶格结点处无原子空位间隙原子大置换原子小41

刃型位错螺型位错(2)线缺陷(位错)

二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。刃型位错42刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ㅗ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ㅜ”表示。刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶43位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属中的位错密度为104~1012/cm2。位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从-关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。位错密度：单位体积内所44电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率45(3)面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等

晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5-10个原子间距，位向差一般为20-40°。位向差很小（10’-2°)的小晶块为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。(3)面缺陷晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度46四、金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方概念：

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。

意义：

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。四、金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温47

合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。Al-Cu两相合金1.3铁碳合金的基本组织

组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。合金是指由两种或两种以上元素组48所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。铁碳合金中的组织分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类。所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界491、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质1、固溶体50分类1）按溶质原子的位置分置换固溶体

其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.间隙固溶体

溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，原子半径较小。2）按溶解度分有限固溶体无限固溶体3）按分布有序度分有序固溶体无序固溶体固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。

分类512、金属化合物

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的Fe3C2、金属化合物铁碳合金中的Fe3C523、机械混合物

机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。机械混合物各相保持原有的晶格，因此，机械混合物的性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还于各相的形状、大小和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。（1）珠光体

由铁素体和渗碳体组成的机械混合物（2）莱氏体

分为高温莱氏体和低温莱氏体。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为高温莱氏体；由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体。3、机械混合物机械混合物是由结晶过程所形成的53一、金属的结晶

1.结晶与凝固的区别

2.纯金属的冷却曲线和过冷现象

3.纯金属的结晶过程

4.金属晶粒的大小与控制雾凇1.4铁碳合金状态图一、金属的结晶雾凇1.4铁碳合金状态图54（一）结晶与凝固的区别

凝固：L→S

S可以是非晶

结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程

一次结晶：L→S晶态

二次结晶：S→S晶态（二）纯金属的冷却曲线和过冷现象

1.结晶驱动力

ΔF≤0（不是过冷度ΔT）自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0

体系中各种能量的总和叫做内能→U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）（一）结晶与凝固的区别55

a.当温度T>T0时，Fs>FL,

液相稳定

b.当温度T<T0时，Fs<FL,

固相稳定

c.当温度T=T0时，Fs=FL,

平衡状态

T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态2.冷却曲线与过冷度1）冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。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a.当温度T>T0时，Fs>FL,

液相稳定纯金属562）过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。2）过冷与过冷度57（三）纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。界面自由能体积自由能晶胚晶核rrcΔG*自由能变化ΔG（三）纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程界面自由能体积自由能58晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶592、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图2、晶核的形成方式非均匀形核示意图603、晶核的长大方式

晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。

实际金属的结晶主要以树枝状长大。

这是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…，树枝间最后被填充。平面长大3、晶核的长大方式平面长大61树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶62

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。（四）金属晶粒的大小与控制

1.晶粒度工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。（四）金属晶粒的大小与控制工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒632.决定晶粒度的因素

晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。

单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度过冷度对N、G的影响

叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。2.决定晶粒度的因素过冷度对N、G的影响叫长大速度(G64过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷度ΔT太高，D降低——N降低、G降低所以，过冷度ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化3.控制晶粒度的因素①提高过冷度过冷度ΔT提高，N提高、G提高3.控制晶粒度的因素65②变质处理又称孕育处理。

即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。③振动，搅拌等

对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。②变质处理又称孕育处理。66思考题1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？2为什么晶粒越细小其力学性能越好？3如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？思考题1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？267二、二元合金相图的基本知识

1.相图的基本概念相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。二、二元合金相图的基本知识1.相图的基本概念68

多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。

相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不69

几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。2、相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常70（1）配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。（2）在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。（3）将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。

Cu-Ni合金相图（1）配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的713、杠杆定律当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：

⑴确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。3、杠杆定律72在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。⑵确定两平衡相的相对重量

设合金(x)的总重量为1，液相(x1)重量为QL，固相(x2)重量为Q。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线73则QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。则QL+Q=1式中的x2-x、74因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：或oobbxx1x2QLQ因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：或oobbxx175上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三相区不能使用。上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在76合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4、枝晶偏析合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但77在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析781

铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。三、铁碳合金状态图的建立铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。1铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶792两种反应1148℃（1）共晶反应

一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c

共晶反应的产物即莱氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2两种反应1148℃（1）共晶反应一定80（2）共析反应

一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A2.11%c

727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体

P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c（2）共析反应一定成分的固相在一定的温度下同813

铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm3铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔82

铁碳合金相图中主要特性点的含义

铁碳合金相图中主要特性点的含义83

相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁84

典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%—0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.1185

A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分86过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析87L’d—变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析L’d—变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析88谢谢！谢谢！89金属材料分类课件90参考书目[1]邓文英、郭晓鹏，金属工艺学（第四版）（上、下），北京：高等教育出版社，2000[2]戴枝荣，工程材料及机械制造基础（1）——工程材料，北京：高等教育出版社，2019[3]张万昌，工程材料及机械制造基础（2）——热加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000[4]吴桓文，工程材料及机械制造基础（3）——机械加工工艺基础，北京：高等教育出版社，2000[5]傅水根，机械制造工艺基础，北京：清华大学出版社，2019[6]王俊彪，材料的先进成形技术，北京：高等教育出版社，2019[7]翁世修、吴振华，机械制造技术基础，上海：上海交通大学出版社，2019[8]卢秉恒，机械制造技术基础，北京：机械工业出版社，2019[9]吉卫喜，机械制造技术，北京：机械工业出版社，2019[10]施江澜，材料成形技术基础，北京：机械工业出版社，2019[11]宋昭祥，机械制造基础，北京：机械工业出版社，2019[12]孔德音，机械加工工艺基础，北京：机械工业出版社，2019参考书目91材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料工程材料金92零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验

应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验93毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法机械加工方法毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成94

一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。

预先热处理：

为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工95金属材料分类课件96第一篇金属材料导论第一篇金属材料导论97主要内容1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金属及合金的晶体结构1.3合金的结构1.4二元合金状态图主要内容1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金98§1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1.1金属材料的主要性能§1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线99一、静载单向静拉伸应力――应变曲线

1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样：长试样：L100

ΔLF0

低碳钢拉伸曲线

脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：ΔLF0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，101纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变ε其中：σ=F/S

表示材料抵抗变形和断裂的能力

ε＝（L1-L0）/L03.曲线分为四阶段：

1）阶段I（ope）――弹性变形阶段

p:Fp

，e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）

op段：△L∝P

直线阶段

pe段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2）阶段II（ess’）段――屈服变形

S:屈服点

Fs3）阶段III（s’b）段――均匀塑性变形阶段

b:

Fb

材料所能承受的最大载荷纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变102

4）阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形－－颈缩铸铁、陶瓷：只有第I阶段中、高碳钢：没有第II阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1．刚度和弹性刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε杨氏弹性模量

GPa,MPa

本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。

弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Fp/Ao

应力――应变保持线性关系的极限应力值

4）阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形－－颈缩103弹性极限：σe=Fe/Ao

不产永久变形的最大抗力。2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。

条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。

s0.2弹性极限：σe=Fe/Ao

不产永久变形s0.21043.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

延伸率

延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)

断面收缩率

ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

>时，无颈缩，为脆性材料表征；

<时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。断裂后拉伸105§1.2材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度

§1.2材料的硬度1．布氏硬度106压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在4107符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序1082．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种①HRA

硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC

较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计2．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用109维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度110维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。

维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬111§1.3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak。§1.3冲击韧性112ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J113疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。§1.4疲劳强度

（80%的断裂由疲劳造成）周次σ疲劳强度σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作§1.4疲劳强度周次σ114轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形115§1.5材料的断裂韧性

1．问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.

2．应力场强度因子K

前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。

I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹

Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。Y=

I§1.5材料的断裂韧性I：单位厚度，无限大1163．断裂韧性

对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。

当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。

KI＝KIC时，裂纹处于临界状态

KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。3．断裂韧性当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生1174．应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC

，制定零件工作是否安全K≥KIC，失稳扩展。（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。5.Titanic沉没原因I4．应用5.Titanic沉没原因I118金属材料分类课件119思考题1将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？2疲劳破坏有什么危害？在什么情况下发生疲劳破坏，产生原因是什么？如何提高零件的疲劳强度？思考题1将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变1202.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。1.三种常见的金属的晶格类型：

体心立方面心立方密排六方1.2金属的晶体结构2.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体121一、晶体与非晶体1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。

非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2.区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性金属的结构晶态非晶态Si2O的结构一、晶体与非晶体1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。122二、金属的晶体结构1.金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。1）理想晶体——实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）二、金属的晶体结构123晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直1243）晶胞的描述

晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c4)晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交单斜三斜5）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。3）晶胞的描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ4)晶系：1252.三种典型的金属晶体晶胞(1）体心立方晶胞晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等2.三种典型的金属晶体晶胞(1）体心立方晶胞晶格常数：a(a126（2）面心立方晶胞

晶格常数：a原子个数：4配位数：

12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等（2）面心立方晶胞晶格常数：a原子个数：4127(3)密排六方晶胞

晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等

(3)密排六方晶胞晶格常数：底面边长a和高c，原子个128体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面129三．实际金属的晶体结构

理想晶体+晶体缺陷——实际晶体

实际晶体——单晶体和多晶体

单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性1．晶体缺陷实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分(1)点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化

三．实际金属的晶体结构1．晶体缺陷130空位

晶格结点处无原子置换原子

晶格结点处为其它原子占据间隙原子

原子占据晶格间隙空位间隙原子大置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位

晶格结点处无原子空位间隙原子大置换原子小131

刃型位错螺型位错(2)线缺陷(位错)

二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。刃型位错132刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ㅗ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ㅜ”表示。刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶133位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属中的位错密度为104~1012/cm2。位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从-关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。位错密度：单位体积内所134电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率135(3)面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等

晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5-10个原子间距，位向差一般为20-40°。位向差很小（10’-2°)的小晶块为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。(3)面缺陷晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度136四、金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方概念：

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。

意义：

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。四、金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温137

合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。Al-Cu两相合金1.3铁碳合金的基本组织

组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。合金是指由两种或两种以上元素组138所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。铁碳合金中的组织分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类。所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界1391、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质1、固溶体140分类1）按溶质原子的位置分置换固溶体

其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.间隙固溶体

溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，原子半径较小。2）按溶解度分有限固溶体无限固溶体3）按分布有序度分有序固溶体无序固溶体固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。

分类1412、金属化合物

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的Fe3C2、金属化合物铁碳合金中的Fe3C1423、机械混合物

机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。机械混合物各相保持原有的晶格，因此，机械混合物的性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还于各相的形状、大小和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。（1）珠光体

由铁素体和渗碳体组成的机械混合物（2）莱氏体

分为高温莱氏体和低温莱氏体。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为高温莱氏体；由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体。3、机械混合物机械混合物是由结晶过程所形成的143一、金属的结晶

1.结晶与凝固的区别

2.纯金属的冷却曲线和过冷现象

3.纯金属的结晶过程

4.金属晶粒的大小与控制雾凇1.4铁碳合金状态图一、金属的结晶雾凇1.4铁碳合金状态图144（一）结晶与凝固的区别

凝固：L→S

S可以是非晶

结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程

一次结晶：L→S晶态

二次结晶：S→S晶态（二）纯金属的冷却曲线和过冷现象

1.结晶驱动力

ΔF≤0（不是过冷度ΔT）自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0

体系中各种能量的总和叫做内能→U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）（一）结晶与凝固的区别145

a.当温度T>T0时，Fs>FL,

液相稳定

b.当温度T<T0时，Fs<FL,

固相稳定

c.当温度T=T0时，Fs=FL,

平衡状态

T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态2.冷却曲线与过冷度1）冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。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a.当温度T>T0时，Fs>FL,

液相稳定纯金属1462）过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。2）过冷与过冷度147（三）纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。界面自由能体积自由能晶胚晶核rrcΔG*自由能变化ΔG（三）纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程界面自由能体积自由能148晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶1492、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图2、晶核的形成方式非均匀形核示意图1503、晶核的长大方式

晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。

实际金属的结晶主要以树枝状长大。