第1章材料的结构与性能-清华大学-工程材料

1、“十五”国家级规划教材工程材料第3版配套课件第第1 1章章第1 1章 材料的结构与性能 内容提要： 本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。陷和合金的结构、金属材料的组织。 一般介绍金属材料的性能、高分子材料和一般介绍金属材料的性能、高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。陶瓷材料的结构与性能。 学习目标： 本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。了解高分子材料、陶瓷材料的结构与性能。了解高分子材料、陶瓷材料的结构与性能。1.

2、11.1 金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织 1.1.11.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶体结构晶体结构 晶体中原子晶体中原子( (离子或分子离子或分子) )规规则排列的方式。则排列的方式。 通过金属原子通过金属原子( (离子离子) )的中心划出许多直的中心划出许多直线，形成空间格架，称为线，形成空间格架，称为晶格晶格。 棱边长棱边长a a、b b、c c 棱边间夹角棱边间夹角、 a a、b b、c c 称为称为晶格常数晶格常数。 金属的晶格常数一般为金属的晶格常数一般为: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1n

3、m0.7nm)0.7nm) 晶胞晶胞老师提示老师提示: :不同元素组成的金属晶体因晶格不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用化学和力学性能。金属的晶体结构可用X X射线射线结构分析技术进行测定。结构分析技术进行测定。 晶胞：晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。能反映该晶格特征的最小组成单元。 一、三种常见的金属晶体结构 老师提示：老师提示：重点内容重点内容 1. 1. 体心立方晶格体心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) ) 8 8个原子处于立方体的角上，个原子处于

4、立方体的角上，1 1个原子处于个原子处于立方体的中心立方体的中心, , 角上角上8 8个原子与中心原子紧靠。个原子与中心原子紧靠。 具有体心立方晶具有体心立方晶格的金属有钼格的金属有钼(Mo)(Mo)、钨钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)、-铁铁(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征： （1 1）晶格常数）晶格常数 a a= =b b= =c, c, = = =90=90 （2 2）晶胞原子数）晶胞原子数 角上的原子属于角上的原子属于8 8个相邻的晶胞，中心的原个相邻的晶胞，中心的原子属于这个晶胞。子属于这个晶胞。 一个体心立方晶胞所含的原子数

5、为一个体心立方晶胞所含的原子数为2 2个。个。 （3 3）原子半径）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径一半称为原子半径( (r r原子原子) )。 体心立方晶胞中原子半径与晶格常数体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a a之间的关系为：之间的关系为： （4 4）致密度）致密度 晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度之比称为致密度( (也称密排系数也称密排系数) )。 致密度越大，原子排列紧密程度越大。致密度越大，原子排列紧密程度越大。 体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞的致密度为： （5 5）空隙

6、半径）空隙半径 晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。 体心立方晶胞中有两种空隙：体心立方晶胞中有两种空隙： 四面体空隙半径四面体空隙半径: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径 （6 6）配位数）配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近且配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。距离相等的原子数目。 配位数越大，原子排列紧密程度就越大。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。 体心立方晶格

7、的配位数为体心立方晶格的配位数为8 8。 2. 2. 面心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) ) 金属原子分布在立方体的金属原子分布在立方体的8 8个角上和个角上和6 6个面的中心。面中心的原子与该面个面的中心。面中心的原子与该面4 4个角上个角上的原子紧靠。的原子紧靠。 具有这种晶格的金具有这种晶格的金属有铝属有铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍镍(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、银、银(Ag)(Ag)、- - 铁铁( -Fe, ( -Fe, 912 912 1394 )1394 )等。等。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：

8、（1 1）晶格常数）晶格常数 a a= =b b= =c c = = =90=90（2 2）晶胞原子数）晶胞原子数 ( (个个) )4 4 （3 3）原子半径）原子半径 （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半径）空隙半径 四面体空隙半径四面体空隙半径: : r r四四=0.225=0.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: : r r八八=0.414=0.414r r原子原子四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径 （6 6）配位数）配位数 1212 3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ( HCP ) (

9、 HCP 晶格晶格) ) 1212个金属原子分布在六方体的个金属原子分布在六方体的1212个角上个角上, , 在上下底面的中心各分布在上下底面的中心各分布1 1个原子个原子, , 上下底面之上下底面之间均匀分布间均匀分布3 3个原子。个原子。 具有这种晶格的金具有这种晶格的金属有镁属有镁(Mg)(Mg)、镉、镉(Cd)(Cd)、锌锌(Zn)(Zn)、铍、铍(Be)(Be)等。等。 密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征： （1 1）晶格常数）晶格常数 正六边形的边长正六边形的边长a a 两底面之间的距离两底面之间的距离c c 相邻侧面夹角相邻侧面夹角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角909

10、0 （2 2）晶胞原子数）晶胞原子数 6 6 （3 3）原子半径）原子半径 （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半径）空隙半径 四面体空隙半径四面体空隙半径为为: : r r四四= = 0.2250.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径为为: : r r八八= = 0.4140.414r r原子原子 （6 6）配位数）配位数 1212老师提示老师提示: :由于原子排列紧密程度不一样，由于原子排列紧密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时变时, , 体积会发生变化。体积会发生变化。 钢在

11、淬火时因晶格转变发生体积变化。钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。 不同晶体结构中原子排列的方式不同不同晶体结构中原子排列的方式不同, , 使它们的形变能力不同。使它们的形变能力不同。 二、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做通过晶体中原子中心的平面叫做晶面晶面； 通过原子中心的直线为原子列，代表的通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做方向叫做晶向晶向。 晶面用晶面指数表达。晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。晶向用晶向指数表达。 1. 1. 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBABBA A为例。为例。 晶面的截距可以为负数晶面的截距可以为负数,

12、 , 在指数上加负号在指数上加负号, , 如如 。 若某个晶面若某个晶面 的指数都乘以的指数都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 则晶面则晶面 与与 属于一组平行晶面。属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指数的一般标记晶面指数的一般标记为为( (hklhkl) )。实际表示一组原。实际表示一组原子排列相同的平行晶面。子排列相同的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空间方原子排列相同但在空间方向不同的晶面组成晶面族。向不同的晶面组成晶面族。 晶面族用大括号表示晶面族用大括号表示, , 即即 hklhkl 。111 111

13、 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 组成组成111111晶面族：晶面族： 以晶向以晶向DADA为例。为例。 2. 2. 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110110 晶向晶向OBOB ： 晶向指数一般标记为晶向指数一般标记为 uvwuvw ， 表示一组原子排列相同的平行晶向。表示一组原子排列相同的平行晶向。111111 若两个晶向的全部指数数值相同而符若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反号相反, , 则它们相互平行或为同一原子列则它们相互平行或为同一原子列, , 但方向相

14、反。但方向相反。 如如110110与与 。 若只研究原子排列情况若只研究原子排列情况, , 则晶向则晶向110110与与 可用同一个指数可用同一个指数110110表示。表示。 晶向族晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。同的晶向组成晶向族。 晶向族用尖括号表示晶向族用尖括号表示, , 即即 。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 在立方晶系中在立方晶系中, , 一个晶面指数与一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时一个晶向指数数值和符号相同时, , 则则该晶面与该晶向互相垂直。该晶面与该晶向互相

15、垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向互相垂直晶面与晶向互相垂直 3. 3. 六方晶系的晶面指数和六方晶系的晶面指数和 晶向指数晶向指数 四指数方法表示晶面和晶向。四指数方法表示晶面和晶向。 水平坐标轴选取互相成水平坐标轴选取互相成120120夹角的三坐标轴夹角的三坐标轴a a1 1、a a2 2和和a a3 3, , 垂直轴为垂直轴为c c 轴。轴。 晶面表示为晶面表示为( (hkilhkil),), 晶面族为晶面族为 hkilhkil, , 晶向表示为晶向表示为 uvtwuvtw, 晶向族为晶向族为 。 六方晶系主要晶面和晶向六方晶系主要晶面和晶向 4. 4. 密排面

16、和密排方向密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一样。上原子排列密度不一样。 密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。 密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。 在体心立方晶格中，在体心立方晶格中， 密排面为密排面为110110。 密排方向为密排方向为。 在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面为密排面为111111。 密排方向为密排方向为。体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面

17、心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 100 100 110 110 111 111 体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向晶向 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度( (原子数原子数/ /长度长度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度(

18、(原子数原子数/ /长度长度) ) 三、金属晶体的特性 1. 1. 金属晶体具有确定的熔点金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度纯金属缓慢加热到一定温度, , 固态金属熔固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。化成为液态金属。熔化过程中温度不变。 熔化温度熔化温度( (T T0 0) )称为称为熔点熔点。晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线 非晶体材料在加非晶体材料在加热时热时, , 固态转变为液固态转变为液态时态时, , 温度变化。温度变化。 2. 2. 金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性 在晶体中在晶体中, , 不同晶面和晶向上原子排列不同晶面和晶向上原子排列

19、的方式和密度不同，它们之间的结合力的大的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的能不同。这种性质叫做晶体的各向异性各向异性。 单晶体铁单晶体铁( (只含一个晶粒只含一个晶粒) )的弹性模量，的弹性模量， 方向上为方向上为2.902.9010105 5 MPa, MPa, 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿方向磁化容方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的易。制造变压器用的硅钢片的方向应平方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。行于

20、导磁方向，以降低变压器的铁损。 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是：的次序从大到小是： 各向异性：各向异性：晶体晶体在不同的方向上的力学、在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。物理和化学等性能不一样。 各向同性：各向同性：非晶体非晶体在各个方向上性能完在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的全相同，这种性质叫非晶体的各向同性各向同性。 实际使用的金属实际使用的金属, , 内部有许多晶粒组成，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向沿各个方向上的

21、性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。异性显示不出来。 练习练习 写出体心立方晶格、面心立方晶格的写出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。密排面和密排方向。 四、实际金属中的晶体缺陷 1. 1. 点缺陷点缺陷 在三维尺度上都很小的的缺陷。在三维尺度上都很小的的缺陷。 （1 1）空位）空位 晶格中某结点上没有原子。晶格中某结点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。有利于金属内部原子的扩散。 （2 2）间隙原子）间隙原子 位于晶格间隙之中的原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。叫间隙原子。 （3 3）异类原子）异类原子 纯金属中存在的其它元素。纯金属中存在的其它元素。 异类原子与金属原

22、子的半径接近时异类原子与金属原子的半径接近时, , 占据占据晶格的一些结点晶格的一些结点; ; 异类原子异类原子 老师提示：老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变点缺陷造成局部晶格畸变, , 使金属使金属的屈服强度、电阻率增加的屈服强度、电阻率增加, , 密度发生变化。密度发生变化。 异类原子的半径比金属原子的半径小得多异类原子的半径比金属原子的半径小得多, , 位于晶格的空隙中。位于晶格的空隙中。 2. 2. 线缺陷线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。 （1 1）刃型位错）刃型位

23、错 晶体的一部分出现一个多余晶体的一部分出现一个多余的半原子面。如切入晶体的刀片，的半原子面。如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。线缺陷称刃型位错。 半原子面在上面的称正刃型半原子面在上面的称正刃型位错位错, , 半原子面在下面的称负刃半原子面在下面的称负刃型位错。型位错。 （2 2）螺型位错）螺型位错 晶体右边的上部相对于下晶体右边的上部相对于下部向后错动一个原子间距。晶部向后错动一个原子间距。晶面发生错动。面发生错动。 错动区的原子用线连接起错动区的原子用线连接起来，成螺旋状。来，成螺旋状。 这种线缺陷称螺型位错。这种线缺陷称螺型位错

24、。 位错的形成：位错的形成： 在金属的结晶、塑性变形和相变等过在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。程中形成。不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线位错的量：位错的量：用位错线长度来表示。用位错线长度来表示。 位错密度：位错密度：单位体积中位错线的总长度。单位体积中位错线的总长度。 式中：式中： 为位错密度为位错密度, , 单位为单位为m m-2-2， L L 为位错线总长度为位错线总长度, , 单位为单位为m, m, V V为体积为体积, , 单位为单位为m m3 3。 位错对性能的影响：位错对性能的影响： 金属为理想晶体或含极少量位错时金属为理想晶体或含极少量位错时, , 金属的屈服强度金属

25、的屈服强度s s 很高。很高。 当含有一定量的位错时当含有一定量的位错时, , 强度降低。强度降低。 退火金属中位错密度为退火金属中位错密度为 10106 68 8 cmcm-2-2 ，强度最低。强度最低。金属的强度与位错密度的关系金属的强度与位错密度的关系 形变加工时形变加工时, , 位错密度增加位错密度增加, , s s 增高。增高。 3. 3. 面缺陷面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。 （1 1）晶界）晶界 实际金属为多晶体。每个晶实际金属为多晶体。每个晶粒可视为单晶体。所有晶粒的结粒可视为单晶体。所有晶粒的结构相同构相同, , 位向不同位向

26、不同, , 位向差为几位向差为几十分、几度或几十度。十分、几度或几十度。1Cr171Cr17不锈钢的多晶体不锈钢的多晶体晶界原子排列晶界原子排列示意图示意图 晶界晶界 晶粒与晶粒之间的接晶粒与晶粒之间的接触界面触界面。 晶界在空间呈网状；晶界上晶界在空间呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。原子的排列规则性较差。 （2 2）亚晶界）亚晶界 晶粒由许多位向相差很小的晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒亚晶粒( (嵌镶块嵌镶块) )组成。亚晶粒之组成。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最间的位向差只有几秒、几分，最多达多达1 12 2度。度。 亚晶界亚晶界 亚晶粒之间的边界。亚晶粒之间的边界。亚晶界由位错

27、垂直排列成位错墙亚晶界由位错垂直排列成位错墙构成。构成。老师提示老师提示: :晶界和亚晶界均可提高金属的强晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多度。晶界越多, , 晶粒越细晶粒越细, , 金属的塑性变形金属的塑性变形能力越大能力越大, , 塑性越好。塑性越好。亚晶界亚晶界1.1.21.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构合金合金: :一种金属元素同另一种或几种其一种金属元素同另一种或几种其它元素它元素, , 通过熔化或其它方法结合在一通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。起所形成的具有金属特性的物质。 组元：组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组成合金的独立的、最基本的单

28、元。 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。 二元合金：二元合金：由两个组元组成的合金。由两个组元组成的合金。 如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。 合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；纯金属高许多； 某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。蚀等物理、化学性能。 合金的应用比纯金属广泛得多。合金的应用比纯金属广泛得多。 相：相： 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其

29、它部分分开的均匀组成结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。部分。 液态物质为液相。液态物质为液相。 固态物质为固相。固态物质为固相。固态合金中有两类基本相：固态合金中有两类基本相： 固溶体固溶体 金属化合物金属化合物 一、固溶体固溶体固溶体 合金组元通过溶解形成一种成合金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分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。同的固相。溶剂溶剂 与固溶体晶格相同的组元与固溶体晶格相同的组元溶质溶质 其他另一组元（含量较少）其他另一组元（含量较少） 固溶体用固溶体用、等符号表示。等符号表示。A A、B B组元组成的固溶体也可表示为组元组成的固溶

30、体也可表示为A(B), A(B), 其中其中A A为为溶剂溶剂, B, B为溶质。为溶质。 例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用体一般用表示表示, , 亦可表示为亦可表示为Cu(Zn)Cu(Zn)。 1. 1. 固溶体的分类固溶体的分类 （1 1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分 置换固溶体置换固溶体: :溶质原子代换了溶剂晶格某些溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子结点上的原子; ; 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。之中。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 （2 2）按

31、溶质原子在溶剂中的溶解度分）按溶质原子在溶剂中的溶解度分 有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体两种。两种。 固溶体中溶质的含量即为固溶体的固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度浓度，用，用质量分数或摩尔分数表示。质量分数或摩尔分数表示。 在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的的极限浓度极限浓度即为溶质在固溶体中的即为溶质在固溶体中的溶解度溶解度。 有限固溶体有限固溶体 超过溶解度有其它相形成。超过溶解度有其它相形成。 无限固溶体无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达溶质溶解度可达100%100%。 （3 3）按溶质

32、原子在固溶体中分布有否规律分）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分 无序固溶体：无序固溶体：溶质原子无规则分布溶质原子无规则分布 有序固溶体：有序固溶体：溶质原子规则分布溶质原子规则分布无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体有序化转变：有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序在一定条件下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。固溶体可转变为有序固溶体。 2. 2. 固溶体的性能固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。变

33、形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。通过形成固溶体使金属强度和硬通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为度提高的现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。固溶强化是金属强化的一种重要形式。 在溶质含量适当时，可显著提高材料的强在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 如：如： 纯铜的纯铜的b b为为220 MPa, 220 MPa, 硬度为硬度为40 HB, 40 HB, 断面收缩率断面收缩率为为70%70%。 当加入当加入1%1%的镍形成单相固溶体后的镍形成单相固溶体后, , 强强度升高到度升高

34、到390 MPa, 390 MPa, 硬度升高到硬度升高到70 HB, 70 HB, 而断而断面收缩率仍有面收缩率仍有50%50%。 固溶体综合机械性能很好固溶体综合机械性能很好, , 常作为结构常作为结构合金的基体相。合金的基体相。 固溶体与纯金属相比固溶体与纯金属相比, , 物理性能有较大物理性能有较大的变化的变化, , 如电阻率上升如电阻率上升, , 导电率下降导电率下降, , 磁矫磁矫顽力增大。顽力增大。 二、金属化合物合金组元相互作用形成的晶格类型合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物即为金属化合物, , 或称或称中间

35、相中间相。 金属化合物一般熔点较高金属化合物一般熔点较高, , 硬度高硬度高, , 脆性大。脆性大。 合金中含有金属化合物时合金中含有金属化合物时, , 强度、硬强度、硬度和耐磨性提高度和耐磨性提高, , 而塑性和韧性降低。而塑性和韧性降低。 1. 1. 正常价化合物正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物。严格遵守化合价规律的化合物。 由元素周期表中相距较远、电负性相差较由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。大的两元素组成，可用确定的化学式表示。 大多数金属和大多数金属和AA族、族、族、族、AA族元素生族元素生成成MgMg2 2SiSi、MgMg2 2Sb

36、Sb3 3、MgMg2 2SnSn、CuCu2 2SeSe、ZnSZnS、AlPAlP及及-SiC-SiC等。等。 性能特点是硬度高、脆性大。性能特点是硬度高、脆性大。 2. 2. 电子化合物电子化合物 不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度( (化合物中价电子数与原子数之比化合物中价电子数与原子数之比) )的化合物叫的化合物叫做做电子化合物电子化合物。 由由BB族或过渡族元素与族或过渡族元素与BB族、族、AA族、族、AA族、族、AA族元素所组成。族元素所组成。 一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构结构, , 并且还可溶

37、解其组元并且还可溶解其组元, , 形成以电子化合形成以电子化合物为基的固溶体。物为基的固溶体。 生成电子化合物时生成电子化合物时, , 元素每个原子所贡献的元素每个原子所贡献的价电子数：价电子数： AuAu、AgAg、CuCu为为1 1个个 BeBe、MgMg、ZnZn为为2 2个个 AlAl为为3 3个个 FeFe、NiNi为为0 0个个Cu-ZnCu-Zn合金中电子化合物：合金中电子化合物： 性能：性能：主要以金属键结合主要以金属键结合, , 具有明显的金属具有明显的金属特性特性, , 导电，熔点和硬度较高，但塑性较差，有导电，熔点和硬度较高，但塑性较差，有色金属中重要的强化相。色金属中重

38、要的强化相。CuZn CuZn 体心立方晶格，电子浓度体心立方晶格，电子浓度21/1421/14（3/2 3/2 ）CuCu5 5ZnZn8 8 复杂立方晶格，电子浓度复杂立方晶格，电子浓度21/1321/13CuZnCuZn3 3 密排六方晶格，电子浓度密排六方晶格，电子浓度21/1221/12（7/4 7/4 ） 3. 3. 间隙化合物间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。半径较小的非金属元素形成的化合物。 性能：性能：具有金属特性，有极具有金属特性，有极高的熔点和硬度高的熔点和硬度, , 非常稳定。提非常

39、稳定。提高钢的强度、热强性、红硬性和高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。中的重要组成相。间隙相（间隙相（TiC) （1 1）间隙相）间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.590.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相间隙相。 （2 2）复杂结构的间隙化合物）复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.590.59时，形成具有时，形成具有复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物。

40、 如钢如钢中的中的FeFe3 3C C、FeFe4 4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、FeBFeB等。等。复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物(Fe3C) Fe Fe3 3C C具有复杂的晶体具有复杂的晶体结构。铁原子可以部分结构。铁原子可以部分地被地被MnMn、CrCr等金属原子等金属原子置换置换, , 形成以间隙化合形成以间隙化合物为基的固溶体物为基的固溶体, , 如如(Fe(Fe、Mn)Mn)3 3C C、(Fe(Fe、Cr)Cr)3 3C C。 性能：性能：具有很高的具有很高的熔点和硬度熔点和硬度, , 但比间隙但比间隙相稍低些相稍低些, , 在钢中起强在钢中起强化

41、相作用。化相作用。1 1.1.31.3 金属材料的组织金属材料的组织 一、组织的概念 组织由数量、形态、大小和分布方式不同组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。的各种相组成。 金属材料的组织可以由单相组成，也可以金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。由多相组成。 在金相显微镜下观察，可以看到金属材在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织显微组织( (简称简称组织组织) )。 二、影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程。组织取决于化学成分和工艺过程。 1.1.化学成分化学成分 不同碳质量分数的铁碳合

42、金在平衡结晶后的室不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样。温组织不一样。 图图(a)(a)为纯铁的组织，叫为纯铁的组织，叫铁素体铁素体。 图图(c)(c)是碳质量分数为是碳质量分数为0.77%0.77%的铁碳合金的组的铁碳合金的组织织, , 叫叫珠光体珠光体。(a)0.01%C(b)0.45%C(c)0.77%C(d)1.2%C铁碳合金的室温平衡组织铁碳合金的室温平衡组织 2. 2.工艺工艺 金属材料的化学成分一定时金属材料的化学成分一定时, , 工艺过程是工艺过程是组织最重要的影响因素。组织最重要的影响因素。 纯铁经冷拔后纯铁经冷拔后, , 等轴形状的铁素体晶粒等轴形状的铁素体

43、晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。变成拉长了的铁素体晶粒。变形前变形前变形后变形后片状珠光体片状珠光体 球状珠光体球状珠光体 碳质量分数为碳质量分数为0.77%0.77%的铁碳合金的铁碳合金 室温平衡组织为室温平衡组织为 片状珠光体片状珠光体。 球化退火后组织为球化退火后组织为球状珠光体球状珠光体。 三、组织与性能的关系 材料的性能与组织密切相关。材料的性能与组织密切相关。 三种不同组织的灰口铸铁三种不同组织的灰口铸铁 (a)(a)组织为铁素体和片状石墨，组织为铁素体和片状石墨， b b为为150MPa150MPa (b) (b)组织为铁素体和团絮状石墨，组织为铁素体和团絮状石墨，b b为为350M

44、Pa350MPa (c) (c)组织为铁素体和球状石墨，组织为铁素体和球状石墨， b b为为420MPa420MPa 冲击韧度最高的是冲击韧度最高的是(c),(c),其次为其次为(b),(b),最低的是最低的是(a)(a) 灰口铸铁的组织灰口铸铁的组织（a a） （b b） （c c） 纯铁纯铁 冷拔前抗拉强度为冷拔前抗拉强度为180 MPa180 MPa。 冷拔后（变形度为冷拔后（变形度为80%80%）抗拉强度为）抗拉强度为500 MPa500 MPa。 碳含量为碳含量为0.77%0.77%的铁碳合金的铁碳合金 室温平衡组织中片状室温平衡组织中片状FeFe3 3C C相相, , 切削加工时切

45、削加工时, , 刀刀具磨损很厉害。具磨损很厉害。 球化退火后球化退火后, Fe, Fe3 3C C相变为分散的颗粒状相变为分散的颗粒状, , 切削切削时对刀具的磨损较小。时对刀具的磨损较小。老师提示老师提示: :金属的组织结构由材料的成金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能由金分、工艺所决定。金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。不同组织结属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。构的材料具有不同的性能。1.21.2 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能：金属材料的性能：工艺性能工艺性能 使用性能使用性能。 工艺性能工艺性能 制造工艺过程中材料适应加

46、工的制造工艺过程中材料适应加工的性能。性能。 铸造性能铸造性能、锻压性能、焊接性能、锻压性能、焊接性能、 切削加工性能、热处理性能切削加工性能、热处理性能 使用性能使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能。材料在使用条件下表现出来的性能。 力学性能、物理性能、化学性能力学性能、物理性能、化学性能 一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。铸件的能力。铸造铸造 1. 1. 流动性流动性 熔融金属的流动能力。熔融金属的流动能力。 完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 2. 2. 收缩性收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减铸件在凝

47、固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。少的现象。 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。 铸造用金属材料的收缩率越小越好。铸造用金属材料的收缩率越小越好。 3. 3. 偏析偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。的不均匀现象。 偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。差异，降低铸件的质量。1.2.1 1.2.1 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 二、锻造性能 锻造性锻造性 金

48、属材料用锻压加工方法成形的金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。适应能力。锻造锻造冷冲冷冲 金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属的锻造性能越好。 三、焊接性能 焊接性焊接性 金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。 获得优质焊接接头的难易程度。获得优质焊接接头的难易程度。电弧焊电弧焊 气焊气焊 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。 低碳钢和碳的质量分数低于低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %0.18 %的合金钢焊的合金钢焊接性能较好。接性能较好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素

49、含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。和刀具寿命来表示。 金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分改变钢的化学成分( (加少量铅、磷加少量铅、磷) )和进行适当和进行适当的热处理的热处理( (低碳钢正火，高碳钢球化退火低碳钢正火，高碳钢球化退火) )可提高钢可提高钢的切削加工性能。的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、热处理工

50、艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, , 即钢接受淬火的能力。即钢接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透等合金元素的合金钢淬透性比较好性比较好, , 碳钢的淬透性较差。碳钢的淬透性较差。 铝合金的热处理要求较严。铝合金的热处理要求较严。 铜合金只有几种可以用热处理强化。铜合金只有几种可以用热处理强化。 1.2.2 1.2.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能 金属材料的机械性能，即是指金属材料在外金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。力（载荷）作用时表现出来的性能。 强度、塑性、硬度

51、、韧性、疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度 载荷的形式载荷的形式 一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 材料的强度用拉伸试验测定。材料的强度用拉伸试验测定。(a)(a)原始试样原始试样 （b)b)拉伸后试样拉伸后试样 圆形拉伸试样圆形拉伸试样拉伸试验拉伸试验拉伸曲线拉伸曲线 1. 1. 弹性极限弹性极限e e 材料保持弹性变形材料保持弹性变形, , 不产生永久变形的最不产生永久变形的最大应力。大应力。 2. 2. 屈服极限（屈服强度）屈服极限（屈服强度）s s 金属开始发生明显塑性变形的抗力。金属开始发生明显塑性变形的抗力。 条件屈服极限条件屈服

52、极限0.2 0.2 铸铁等材料没有明显的屈铸铁等材料没有明显的屈服现象服现象, , 用产生用产生0.2%0.2%残余应变时的应力值表示。残余应变时的应力值表示。 3. 3. 强度极限强度极限( (抗拉强度抗拉强度b b ) ) 金属受拉时所能承受的最大应力。金属受拉时所能承受的最大应力。 二、塑性 断裂前材料产生永久断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。变形的能力称为塑性。 (a)(a)原始试样原始试样 （b)b)拉伸后试样拉伸后试样 1. 1. 伸长率（伸长率（） 试样拉断后试样拉断后, , 标距的伸长与原始标距的百分标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。比称为伸长率。 2. 2. 断面收

53、缩率（断面收缩率（） 试样拉断后试样拉断后, , 缩颈处截面积的最大缩减量与缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。原横断面积的百分比称为断面收缩率。 三、硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。钢球压头钢球压头用用HBSHBS表示表示硬质合金球硬质合金球用用HBWHBW表示表示布氏硬度计布氏硬度计 1. 1. 布氏硬度（布氏硬度（HB)HB) 一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径用下压

54、入试样表面。测量压痕直径, , 计算硬度值。计算硬度值。布氏硬度计的使用布氏硬度计的使用 2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度(HRA(HRA、HRBHRB、HRC)HRC) 采用金刚石压头采用金刚石压头( (或钢球压头或钢球压头) )， 加预载荷加预载荷F F0 0 ，压入深度，压入深度h h0 0 。再加主载荷。再加主载荷F F1 1 。 卸去主载荷卸去主载荷F F1 1，测量其残余压入深度，测量其残余压入深度h, h, 用用h h与与h h0 0之差之差h h来计算洛氏硬度值。来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。硬度直接从硬度计表盘上读得。洛氏硬度计洛氏硬度计 根据压头的种类和根据压

55、头的种类和总载荷的大小洛氏硬度总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有常用表示方式有: : HRA HRA、HRBHRB、HRCHRC洛氏硬度计的使用洛氏硬度计的使用 四、冲击韧度（ak） 材料抵抗冲击载荷作用的能力称材料抵抗冲击载荷作用的能力称冲击韧性冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。用摆锤冲击弯曲试验来测定。 测得试样测得试样冲击吸收功冲击吸收功，用符号用符号A Ak k表示。表示。 用冲击吸收功除以试样缺口处截面积用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S S0 0 , , 得得到材料的到材料的冲击韧度冲击韧度a ak k。冲击试样冲击试样冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定 五、疲劳强度 轴、齿轮、

56、叶片、弹簧等零件，在工作轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为这种应力称为交变应力交变应力( (也称循环应力也称循环应力) )。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过程称为程称为金属的疲劳金属的疲劳。 交变应力越小，材料断裂时应力循环次交变应力越小，材料断裂时应力循环次数数N越大。越大。 当应力低于一定值时当应力低于一定值时,试样

57、可以经受无限试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲疲劳强度劳强度 ( (疲劳极限疲劳极限) )，用用-1表示。表示。 六、断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。生低应力脆断。 工作应力低于材料的屈服强度。工作应力低于材料的屈服强度。 原因：原因：构件或零件存在裂纹。裂纹在应力构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。作用下失稳扩展，导致机件破断。断裂韧性断裂韧性 : :材料抵抗裂纹失稳扩展材料抵抗裂纹失稳扩展 断裂的能力。断裂的能力。 裂纹扩展的临界状态所对应的应力场

58、裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为强度因子称为临界应力场强度因子临界应力场强度因子，用，用K K1C1C表示，单位为表示，单位为MN/mMN/m3/23/2，它代表材料的断裂它代表材料的断裂韧性。韧性。裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 表示。表示。KIY Y：系数：系数 ：外加应力：外加应力a a：裂纹半长：裂纹半长1.2.3 1.2.3 金属材料的理化性能金属材料的理化性能 一、金属的物理性能 1. 1. 密度密度 单位体积物质的质量称为该物质的单位体积物质的质量称为该物质的密度密度。 密度小于密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3

59、 的金属称为轻金属的金属称为轻金属, , 如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。 密度大于密度大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金属称为重金属的金属称为重金属, , 如铁、铅、钨等。如铁、铅、钨等。 2. 2. 熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为金属从固态向液态转变时的温度称为熔点熔点。 熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。气飞机等零、部件。 熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅

60、等，可熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。用于制造保险丝和防火安全阀零件等。 3. 3. 导热性导热性 导热性用热导率衡量导热性用热导率衡量。热导率越大。热导率越大, , 导热性导热性越好。银导热性最好越好。银导热性最好, , 铜、铝次之。合金的导热铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。性比纯金属差。 在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。 导热性好的金属材料制造散热器、热交换器导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。与活塞等零件。