金属材料新版

第2章金属材料湖南人文科技学院化学与材料科学系湖南人文科技学院化学与材料科学系2.1金属的晶体构造2.2实际金属中的晶体缺点2.3金属材料的性能2.4金属材料的分类与性质2.5铁碳合金2.6钢的热解决2.7工业用钢2.8非铁金属及其合金重要内容：湖南人文科技学院化学与材料科学系一、晶体与非晶体固态物质根据其内部粒子排列特性，可分为晶体和非晶体。晶体是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶，食盐，金属等。晶体的特点：普通含有规则的外形；有固定的熔点；各向异性。

非晶体内部粒子呈无规则的堆积，玻璃是一种典型的非晶体，往往将非晶体的固态物质（简称非晶态物质）称为玻璃体。2.1金属的晶体构造为什么单晶体呈现各向异性，而多晶体普通呈现各向同性？答：1）单晶体沿不同方向的导热，导电性质或导光性质不同，称为各向异性。2）单晶体的物质整个就是一种单一构造的大晶粒，如NaCl，NaOH等；多晶体是由许多小晶粒构成的整体，在整个物体内，这些晶粒的排列方向是杂乱无章的（如陶瓷）。3）单晶体中（一种巨大晶粒）含有各向异性是由于晶粒中的原子的排列周期性和疏密程度不同造成的成果。而多晶体中的每个晶粒即使有各向异性，但是在宏观上，全部晶粒排列的杂乱无章造成了各个方向上的各向异性互相抵消，体现出来的成果就是各向同性。4）而非晶体体现出各向同性是由于：非晶体的原子排列极没有规律性，并且有诸多缺点，因此宏观上体现为各向同性。晶体与非晶体的区别:①前者熔化时含有固定的熔点，而后者却存在一种软化温度范畴，没有明显的熔点；②前者各向异性，而后者却为各向同性。非晶体晶体湖南人文科技学院化学与材料科学系二、晶体构造和空间点阵（1）晶体构造晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。（2）阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。（3）点阵在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）。湖南人文科技学院化学与材料科学系晶格（4）晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。（5）晶胞构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，能够用晶胞来描述其排列特性晶胞原子堆垛模型（6）晶面点阵中的结点所构成的平面。（7）晶向点阵中的结点所构成的直线。晶向晶面（8）晶格常数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A来表达（1A=10-8cm）若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简朴立方晶胞。含有简朴立方晶胞的晶格叫做简朴立方晶格。三、金属中常见的三种晶体构造（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心尚有一种原子。晶格常数a=b=c，普通只用a表达。湖南人文科技学院化学与材料科学系在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周边八个晶胞所共有。事实上每个体心立方晶胞中仅含有8×1/8+1＝2。属于这种体心立方晶格的金属有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、Mo、W、V等。（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一种原子。晶格常数a=b=c，普通只用a表达。因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有8×1/8+6×1/2＝4个原子。属于这种晶格的金属有：Fe(>912℃,γ-Fe)、Al、Cu、Ni、Pb等。湖南人文科技学院化学与材料科学系（3）密排六方晶格密排六方晶格由12个原子构成的简朴六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一种原子，并且简朴六方体中心尚有3个原子。晶格常数a＝b≠c，c/a=1.633密排六方晶格晶胞中所含原子数6×1/6×2+2×1/2+3＝6个原子。属于这种晶格的金属有Be、Mg、Zn、Cd等。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格湖南人文科技学院化学与材料科学系四、晶面指数和晶向指数（一）晶面指数的拟定⑴设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为对应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需拟定的晶面在三坐标轴上的截距；⑵将所得三截距之值变为倒数；⑶再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号即为晶面指数。普通表达形式：（hkl)。

湖南人文科技学院化学与材料科学系PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，∞；截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）AGE面：截距1，1，1；倒数1，1，1，晶面指数（111）DBEG面：截距1，1，∞；倒数1，1，0，晶面指数（110）DCFG面：截距1，∞，∞；倒数1，0，0，晶面指数（100）湖南人文科技学院化学与材料科学系值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一种晶面，而是泛指该晶格中全部那些与其相平行的位向相似的晶面。在一种晶格中，如果某些晶面，即使它们的位向不同，但原子排列相似。如（100）、（010）及（001）等，这时若不必要予以区别时，可把这些晶面统用{100}表达。即：（hkl)这类符号系指某一拟定位向的晶面指数；而{hkl}则可指全部那些位向不同而原子排列相似的晶面指数。湖南人文科技学院化学与材料科学系（二）晶向指数1.通过坐标原点引始终线，使其平行于所求的晶向；2.求出该直线上任意一点的三个坐标值；3.将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数;4.普通形式[uvw]。如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP,其上任一点的坐标（110）,这样所求AB的晶向指数即为[110]；OB：本身过原点不必作平行线，其上任一点的坐标（111），其晶向指数[111]；OC：其上任一点C的坐标（100），其晶相指数[100]。同理：OD晶向指数[010],OA为[001]。同样[100]代表方向相似的一组晶向,而<100>则代表方向不同但原子排列相似的晶向。湖南人文科技学院化学与材料科学系单晶体：晶体内部的晶格位向完全一致。在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相似。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。多晶体：事实上由多个晶粒构成的晶体构造称为“多晶体”。2.2实际金属中的晶体缺点一、单晶体与多晶体对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，造成各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；多晶体对每个小晶粒含有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，体现的是各小晶粒的平均性能，不含有“各向异性”的特点。单晶体多晶体二、晶体缺点在金属中还存在着多个各样的晶格缺点，按其几何形式的特点，分为以下三类：1.点缺点原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺点。点缺点示意图当晶格中某些原子由于某种因素（如热振动等），脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺点，点缺点的存在会引发周边的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。点缺点产生因素：湖南人文科技学院化学与材料科学系2.线缺点位错：原子排列的不规则区在空间一种方向上的尺寸很大，而在其它两个方向上的尺寸很小。

“刃型位错”：由于相对滑移的成果上半部分多出二分之一原子面，多出半原子面的边沿仿佛插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。线缺点示意图湖南人文科技学院化学与材料科学系“螺旋位错”湖南人文科技学院化学与材料科学系3.面缺点原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。晶体表面：指与真空或多个外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触的界面。

晶界相界面（异种晶粒间的界面）：含有不同晶体构造的两相之间的分界面。大角度晶界（相邻晶粒的位向差不不大于10°）小角度晶界（相邻晶粒的位向差不大于10°）湖南人文科技学院化学与材料科学系孪晶：完全共格且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而处在镜面对称位置的一对晶粒。孪晶示意图湖南人文科技学院化学与材料科学系2.3金属材料的性能本小节重要内容：一、金属的塑性变形二、塑性变形对金属组织和性能的影响三、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化一、金属的塑性变形1、金属变形的三个阶段弹性变形，塑性变形，断裂三个阶段。弹性变形与塑性变形的区别：当外力去除后，前者能恢复到原来的形状和尺寸，而后者只能恢复弹性变形，最后留下永久变形。2、单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本方式——滑移和孪生

（1）滑移在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。湖南人文科技学院化学与材料科学系※滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引发晶格位向的变化。※

滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。

滑移的特点：※

滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。湖南人文科技学院化学与材料科学系（2）孪生金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。湖南人文科技学院化学与材料科学系

定义：是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面或孪生面）与晶向（孪生方向）产生一定角度的均匀切变过程。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生.孪生的特点：湖南人文科技学院化学与材料科学系金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。2、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒构成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。多晶体的塑性变形也是通过滑移和孪生的方式进行的。湖南人文科技学院化学与材料科学系二、塑性变形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属性能的影响※

产生加工硬化金属发生塑性变形，随变形度的增大，其强度和硬度明显提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板，冷拔钢丝等。湖南人文科技学院化学与材料科学系（2）塑性变形对金属组织的影响※

形成纤维状组织※形成亚构造※

产生形变织构湖南人文科技学院化学与材料科学系（3）使金属晶体缺点增多，并产生残存应力。残存应力的存在会造成材料及工件产生变形、开裂、耐蚀性下降等有害影响。消除方法：适宜的热解决。三、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化1、回复回复使塑变后金属的强度、硬度和塑性、韧性变化不大，但残存应力大大减少。变化应用工业上运用回复过程对变形金属进行去应力退火来减少残存应力，保存加工硬化效果。湖南人文科技学院化学与材料科学系指冷变形后的金属在加热温度较低时，通过原子的短距离移动，使晶体内的点缺点和位错发生迁移而引发的某些亚构造和性能的变化过程。回复2、再结晶变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶。变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显减少，塑性和韧性大大提高，残存应力完全消除，加工硬化现象被消除。应用工业上运用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于背面的变形加工。湖南人文科技学院化学与材料科学系3、再结晶温度及影响因素再结晶温度：通过大量变形（变形度不不大于70％）的金属在约1小时的保温时间内，能够完毕再结晶（再结晶体积分数不不大于95％）的最低加热温度。影响再结晶温度的重要因素：1）变形程度2）金属的纯度3）原始晶粒的尺寸4）加热时间和加热速度湖南人文科技学院化学与材料科学系4、再结晶晶粒的长大晶粒长大是自发过程，使晶界减少，能量减少，组织更为稳定。晶粒长大是由晶粒的互相兼并完毕，这种兼并是通过晶界的逐步移动进行。湖南人文科技学院化学与材料科学系5、再结晶晶粒大小的控制变形程度原始晶粒尺寸杂质和合金元素变形温度退火温度湖南人文科技学院化学与材料科学系2.4、金属材料的分类与性质一、金属材料的分类二、金属材料的性质2.5铁碳合金一、铁碳合金的组元及基本相（1）纯铁（2）渗碳体渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，Fe3C碳的质量分数为6.69％，属于正交体系，含有金属特性。相对与石墨来说是一亚稳定相，一定条件下将分解为铁和石墨。Fe3C→3Fe+C（石墨）（3）铁碳合金的基本相①铁素体碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表达。碳在α-Fe中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但含有良好的塑性、韧性。③高温铁素体碳溶于体心立方晶格δ-Fe的所形成的间隙固溶体。用δ表达。②奥氏体碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表达。④渗碳体渗碳体是一种含有复杂晶体构造的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，渗碳体既是组元，又是基本相。⑤珠光体用符号P表达，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械混合物。

⑥莱氏体用符号表示，奥氏体和渗碳体所组成的机械混合物。二、铁碳合金的分类

根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：2）钢0.0218%＜ωc＜2.11%，又可分为：亚共析钢0.0218%＜ωc＜0.77%；共析钢ωc=0.77%；过共析钢0.77%＜ωc＜2.11%。1）工业纯铁ωc＜0.0218%。3）白口铁2.11%＜ωc＜6.69%，又可分为下列三种：亚共晶白口铸铁2.11%＜ωc＜4.3%；共晶白口铸铁ωc=4.3%；过共晶白口铸铁4.3%＜ωc＜6.69%。2.6钢的热解决热解决（heattreatment）：重要是把金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺。目的：变化金属材料内部的组织构造，同时消除钢材经锻造、锻造、焊接等热加工工艺造成的多个缺点，细化晶粒、消除偏析，使组织和性能更加均匀，从而使工件的性能发生预期的变化。一、钢的加热转变大多数热解决工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化，加热时形成的奥氏体的质量，对冷却转变过程及组织、性能有极大的影响。1.影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度—随加热温度的提高，碳原子扩散速度增大，奥氏体化速度加紧。（2）加热速度—加热速度越快过热度越大，发生转变的温度越高，转变所需时间就越短。（3）化学成分的影响—碳质量分数增加时，渗碳体量增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加紧。钴、镍等加紧奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；（4）原始组织—原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快。2.奥氏体的晶粒度及其影响因素钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组织和性能。生产中普通采用原则晶粒度等级图，由比较的办法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度普通分8级，1~4级为粗晶粒度，5~8级为细晶粒度。钢加热到930±10℃，保温3-8小时，冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。可表达奥氏体晶粒长大的倾向。影响奥氏体晶粒度的因素：①加热温度和保温时间温度高，时间长增进奥氏体晶粒长大。③钢的成分碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多。②加热速度④钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有助于得到本质细晶粒钢。二、钢的冷却转变等温解决—将钢快速冷却到临界点下列给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。持续冷却—将钢以某种速度持续冷却，使其在临界点下列变温持续转变。

冷却方式：

三、钢的退火和正火1、退火将组织偏离平衡状态的钢加热到适宜温度，保温一定时间，然后缓冷却（普通为随炉冷却），以获得靠近平衡状态组织的热解决工艺叫做退火。据解决的目的和规定不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。退火的目的：（1）消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化；（2）消除铸、锻件存在的带状组织，细化晶粒和均匀组织；（3）减少硬度，改善组织，方便于切削加工；（4）改善高碳钢中碳化物形态和分布。2、正火钢材或钢件加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，保温适宜时间后，在静止空气中冷却的热解决工艺称为正火。正火与退火的重要差别在于冷却速度快些，得到的珠光体组织细小，因此强度、硬度较高。（1）对于大锻件、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织；（2）低碳钢正火，可提高硬度，改善切削加工性；（3）对某些中碳钢或中碳低合金可改善综合力学性能；（4）可消除过共析钢的网状碳化物。正火的目的：四、钢的淬火和回火1、淬火将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热解决工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化办法。2、回火钢件淬火后，为了消除内应力并获得所规定的组织和性能，将其加热到Ac1下列某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热解决工艺叫回火。淬火钢普通不适宜直接使用，必须进行回火。这是由于第一淬火后得到的是性能很脆的马氏体，并存在有内应力，容易产生变形和开裂；第二，淬火马氏体和残存奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，造成零件尺寸的变化，而这对精密零件是不允许的，第三，为了获得规定的强度，硬度，塑性和韧性，以满足零件的使用规定。根据回火温度的高低，普通将回火分为三种：（1）低温回火（150℃-250℃）低温回火的目的—是减少淬火应力，提高工件的韧性，确保淬火后的高硬度和高耐磨性。如模具、刃具等。（2）中温回火（350℃-500℃）中温回火的目的—使钢含有高的弹性极限和屈服强度，同时也含有一定的韧性。如弹簧、锻模等。（3）高温回火（500℃-650℃）

高温回火的目的：调质解决，硬度20-35HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。2.7工业用钢本节重要内容：一、碳钢的分类二、碳钢的牌号与用途三、碳钢的缺点四、合金钢一、碳钢的分类1.按碳的质量百分数分：低碳钢（C：≤0.25％）中碳钢（C：0.25％≤C≤0.6％）高碳钢（C：＞0.6％）2.按钢的质量分（重要是杂质硫、磷的含量）：普通碳素钢（S≤0.055％，P≤0.045％)优质碳素钢（S≤0.040％，P≤0.040％)高级优质碳素钢（S≤0.030％，P≤0.035％)含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性减少。3.按用途分：碳素构造钢：重要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等。碳素工具钢：重要用于刀具、模具、量具等。二、碳钢的牌号与用途1、普通碳素构造钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。数字表达最低屈服强度。

Q195、Q215、Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。Q255、Q275可轧制成型钢、钢板等。2、优质碳素构造钢：钢号以碳的平均质量万分数表达。如20＃、45＃等。20＃表达含C：0.20%（万分之20）。重要用于制造多个机器零件3、碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表达，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表达含C：0.9%（千分之9）。用途：重要用于制造多个刀具、量具、模具等4、铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中碳的平均质量分数（以万分数表达）。如ZG25，表达含C：0.25%。用途：重要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。三、碳钢的缺点1、基本相（F、Fe3C）性能差；

2、淬透性（指钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力）低；

3、回火稳定性差，使用温度不能超出200℃；

4、没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨等。1、合金钢的分类四、合金钢2、合金构造钢的应用3、合金工具钢的应用4、特殊性能钢的应用含有特殊的物理和化学性能的钢叫特殊性能钢，涉及不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。2.8非铁金属及其合金铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金轴承合金铝及铝合金铝及铝合金的特点1.密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3，仅为铁的1/4。2.优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。3.加工性能好。锻造性能好、易于塑性变形，经热解决后还含有很高的强度。纯铝名称纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，会使性能下降铝及铝合金铝合金及其强化铝中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。铝合金通过冷成型和热解决，其抗拉强度可达成500～600Mpa，相称于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的重要构造材料。固溶强化异相强化弥散强化沉淀强化提高强度的办法晶界强化加工强化复合强化铝合金的种类变