《机械制造基础》-第1章

第一节

金属的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。所谓使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的力学、物理和化学性能。其中，力学性能又称机械性能，是指金属在外力作用下表现出来的性能，表示金属材料抵抗外力的能力。工艺性能是指金属材料在加工制造过程中所表现出来的性能，如铸造性、焊接性和切削加工性等。金属的工艺性能与力学性能密切相关。汽车的大多数零件是在多种应力作用下工作的，如连杆、锤杆、锻模等主要承受冲击力和循环载荷，选材时需综合考虑多项力学性能；发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是由疲劳破坏引起的，因此，主要考虑材料抵抗疲劳的能力；对于承受较大冲击力和要求耐磨性高的汽车、拖拉机变速齿轮，选材时应主要考虑抵抗磨损的能力。下一页返回第一节

金属的力学性能军用车辆由于其特殊的服役条件，对某些力学性能要求更高。我国军车为验证新车的技术性能、可靠性、地区和气候适应性及质量水平，各车型都要经过严格的“两高一低”（高温、高原、低温）试验和有关专项试验后方可定型。评定材料的力学性能指标可采用国家标准规定的试验，根据试验条件不同分为：静力学性能（如强度、塑性、硬度）、动力学性能（如冲击韧性、疲劳强度）和高温力学性能。一、静力学性能常用的静力学性能主要有强度、塑性和硬度，其中，强度和塑性由静拉伸试验测定，硬度可由压入法、划痕法或弹跳回弹法等试验测定。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能（一）强度强度是指在外力作用下材料抵抗变形与断裂的能力，是零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，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。强度是机械零、部件首先应满足的基本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的耐腐蚀强度及胶合强度等项目。强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零、部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。其中，静强度的常用指标有屈服强度、规定塑性延伸强度或规定残余延伸强度和抗拉强度等，可通过光滑试样的静拉伸试验测得。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能1.光滑试样静拉伸试验光滑试样是为了使金属材料承受单向应力的试样，以便测得的材料指标稳定，具有广泛的可比性。试样材料与尺寸依据我国国家标准GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》给定。常用试样的断面为圆形，称为圆形试样，如图1−1

所示。图中d0

为圆试样平行长度的原始直径（mm），L0

为原始标距长度（mm），S0

为试样平行长度的原始横截面积，Lu

为拉断后标距长度（mm），Su

为试样拉断后的最小横截面积。依据国标GB/T228.1—2010，拉伸试样可制成长试样（L0=10d0

）或短试样（L0=5d0）。为了研究金属材料在拉伸载荷作用下的变形和断裂过程，材料选用退火低碳钢。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能拉伸试验在拉伸试验机上进行，通过对试样缓慢施加轴向拉力，测量试样在变形过程中直至断裂的各项力学性能。试验材料的全面性能反映在拉伸曲线上，根据试验材料的特性，拉伸曲线可分为两种类型，其中以退火低碳钢为试样所得的拉伸曲线为典型类型拉伸曲线，如图1−2所示。由曲线描述可知金属变形过程分为六个阶段。1）第1阶段：弹性变形阶段（oa）弹性变形阶段有两个特点。（1）从宏观上看，力与伸长量成直线关系，弹性伸长量与力的大小和试样标距长短成正比，与材料弹性模量及试样横截面积成反比。（2）变形是完全可逆的。加力时产生变形，卸力后变形完全恢复。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能oa线段的a点是应力−应变呈直线关系的最高点，此点的应力叫理论比例极限，超过a点，应力−应变则不再呈直线关系，即不再符合虎克定律。2）第2阶段：滞弹变形阶段（ab）在此阶段，应力−应变出现了非直线关系，其特点是：当力加到b点后卸力，应变仍可回到原点，但不是沿原曲线轨迹回到原点，而是在不同程度上滞后于应力回到原点，形成一个闭合环，加力和卸力所表现的特性仍为弹性行为，只不过有不同程度的滞后，因此称为滞弹性阶段。这个阶段的过程很短，也称理论弹性阶段，当力超过b点时，就会产生微塑性应变。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能3）第3阶段：微塑性应变阶段（bc）这一阶段是材料在加力过程中屈服前的微塑性变形部分。4）第4阶段：屈服阶段（cde）这一阶段是金属材料不连续屈服的阶段，也称为间断屈服阶段，其现象是当力加至c点时，突然产生塑性变形，由于试样变形速度非常快，以致试验机夹头的拉伸速度跟不上试样的变形速度，试验力不能完全有效地施加于试样上，在这个曲线阶段上表现为力不同程度的下降，而试样塑性变形急剧增加，直至达到e点结束。当力达到c点时，在试样的外表面能观察到与试样轴线呈45°的明显的滑移带。在此期间，应力相对稳定，试样不产生应变硬化。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能c点是拉伸试验的一个重要的性能判据点，de范围内的最低点也是重要的性能判据点，分别称上屈服点和下屈服点。e点是屈服的结束点，所对应的应变是判定板材成型性能的重要指标。5）第5阶段：塑性应变硬化阶段（ef）屈服阶段结束后，试样在塑性变形下产生应变硬化，在e点的应力不断上升，在这个阶段内试样的变形是均匀和连续的，在此过程中，必须不断地连续施加力，才能使塑性变形增加，直至f点。f点通常是应力−应变曲线的最高点（特殊材料除外），此点所对应的应力是重要的性能判据。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能6）第6阶段：颈缩变形阶段（fg）当力施加至f点时，试验材料的应变硬化与几何形状导致的软化达到平衡，此时力不再增加，试样最薄弱的截面中心部分开始出现微小空洞，然后扩展连接成小裂纹，试样的受力状态由两向受力变为三向受力状态。裂纹扩展的同时，在试样表面可看到产生了缩颈变形，在拉伸曲线上，从f点到g点力是下降的，但是在试样缩颈处，由于截面积已变小，实际应力大大增加。试验达到g点试样完全断裂。许多脆性材料在拉伸过程中并不出现明显屈服现象，只有3～4阶段，如oa—弹性变形阶段；ab—滞弹变形阶段；bf—应变硬化阶段（对淬火钢，到f点断裂，对中强钢有缩颈）。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能2.强度指标（1）上屈服强度ReH（c点）：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。（2）下屈服强度ReL（e点）：屈服期间的最低应力。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，应测定规定塑性延伸强度Rp或规定残余延伸强度Rr，应采用Rp0.2或Rr0.2。Rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力；Rr0.2表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。其中，0.2表示试样施加并卸除应力后引伸计标距的延伸等于引伸计标距的0.2%。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能（3）抗拉强度Rm

（f点）：在最大力点所对应的应力。注意：最大力是指屈服阶段之后的最大力，当材料无明显屈服时，则是试验期间的最大力。强度问题十分重要，许多房屋、桥梁、堤坝等的倒塌，飞机、航天飞船的坠毁都是由于其强度不够而造成的。所以，在工程设计中，强度问题常被列为最重要的问题之一。为了确保强度满足要求，必须在给定的环境（如外力和温度）下对结构进行强度计算或强度试验，即计算出材料或结构在给定环境下的应力和应变，并根据强度理论确定材料或结构是否被破坏。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能（二）塑性塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的特性，是指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。通常金属塑性变形的能力用其断裂前产生的最大塑性变形代表其塑性指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。塑性指标也是通过光滑试样静拉伸试验测得的。（三）硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，表示材料抵抗局部塑性变形的能力。一般情况下，硬度越高，材料的耐磨性越好。金属材料的硬度多以压入法测定，常用的压入硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能二、动力学性能（一）冲击韧性汽车在高速行驶中急刹车或通过凹坑，飞机在起飞与降落时，零件常常会受到冲击载荷的作用，如果零件的韧性不好则可能发生突然的脆性断裂。机件的脆性断裂是工程技术中很难解决的一个问题。钢在低温冲击时冲击功极低，这种现象称为钢的冷脆。事实上，不仅是钢，其他金属材料都有冷脆的弊病，这与金属的晶体结构有关。冷脆的最大特征是断裂功极低，事发突然，后果大多是灾难性的破坏。容易发生冷脆事故的机械设备有：万吨级巨轮、能通过汽车的大型水轮机蜗壳、大型桥梁、海上采油平台、大型储油罐、飞船火箭等，这些设备的零件在选材时必须衡量材料的冲击韧性。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能（二）疲劳强度许多汽车零件是在重复或交变应力作用下工作的，如传动轴、连杆、弹簧等。所谓重复或交变应力，是指应力的大小和方向随时间做周期性变化。在多次重复或交变应力作用下，使金属材料在远低于金属的屈服强度时即发生断裂的现象，称为“疲劳”。试验证明，钢铁材料所受重复或交变应力σ与其断裂前所能承受的应力循环次数N有关。两者之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图1−7所示。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能三、高温力学性能（一）蠕变强度温度对金属材料的力学性能影响很大，一般随着温度升高，金属材料强度降低、塑性增加，并且在高温下载荷持续时间对力学性能影响也很大，高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的增长而降低，如20钢在450℃时的瞬时抗拉强度为33kgf/mm2

，但当试样承受23kgf/mm2的应力时，应力持续300h左右便断裂了。（二）持久强度与高温硬度蠕变强度表征了材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力，但不能反映断裂时的强度和塑性。为了使零件在高温长时间使用时不破坏，要求材料具有一定的持久强度。上一页下一页返回第一节

金属的力学性能与室温下的抗拉强度相似，持久强度是材料在高温长期载荷下抵抗断裂的能力，是在给定温度T和规定时间t内使试样发生断裂的应力。金属材料的高温硬度，对于高温轴承及某些工具材料等是重要的质量指标。高温下金属材料的硬度值随承载时间的延长而逐渐下降。获得高温硬度的试验因试验温度不同而不同：试验温度不高时，用布氏、洛氏和维氏试验法测得；试验温度较高时，多采用特制的高温硬度计；温度不超过800℃时，压头采用金刚石圆锥（维氏和洛氏）和硬质合金球（布氏和洛氏）；温度更高时，压头采用人造蓝宝石、刚玉或其他陶瓷材料。上一页返回第二节

金属的结构与结晶不同金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料在不同的条件下其力学性能也是不相同的，金属力学性能的这种差异从本质上来说，是由其内部构造所决定的。因此，掌握金属的内部构造及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要的意义。一、金属的晶体结构（一）晶体与非晶体一切物质都是由原子组成的。根据原子在物质内部聚集状态的不同，可将物质分为晶体与非晶体两大类。非晶体物质内部的原子是无规则杂乱地堆积着的，而晶体物质内部的原子是按一定规律排列的。下一页返回第二节

金属的结构与结晶在自然界中，除少数物质（如松香、玻璃、沥青、树胶等）属于非晶体外，绝大多数的固态物质都是晶体。一般情况下，固体金属都是晶体。晶体与非晶体相比，其根本区别在于它们的原子排列方式不同，因此，它们的性能也有明显的差异。例如，晶体内部在不同的方向上具有不同的性能，这种现象称为各向异性；而非晶体则不具备这一特点，它是各向同性的。（二）晶体结构的基本知识1.晶格、晶胞和晶格常数晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶如果把金属中的原子近似地看成是刚性的小球，则金属晶体就是由刚性小球按一定的几何规律堆积而成的，如图1−8（a）所示。为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以把原子简化为一个点，再假设将这些点用线条连接起来，就得到了一个有一定几何形状的空间格架，称为结晶格子，简称晶格，如图1−8（b）所示。由图1−8（b）可见，一个体积相当大的晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图1−8（c）所示。分析一个晶胞的形状及原子排列的规律，即可知道整个晶体中原子排列的规律。晶胞的大小和形状以晶胞棱边长度a、b、c及棱间夹角α、β、γ来表示，如图1−9所示。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶晶胞的棱边长度称为晶格常数，其单位用埃（Å）来表示（1Å=10−8cm）。图1−9所示为简单立方晶格的晶胞，其三个棱边相等（即a=b=c），三个棱边夹角也相等（α=β=γ=90°）。2.晶面和晶向金属晶体中，由一系列原子构成的平面称为晶面，如图1−10所示。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间的一定方向，称为晶向，如图1−11所示。由于在同一晶格中的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度的不同，原子间的结合力也不相同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶3.金属晶格的常见类型晶格描述了金属晶体内部原子的排列规律，金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。在已知的金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数金属具有以下三种简单的晶体结构。1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，如图1−12（a）所示，即在晶胞的中心和八个顶角各有一个原子，因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所共有，所以每个体心立方晶胞的原子数为1/8×8+1=2。属于这类晶格的金属有铁（α−Fe）、铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）等。这类金属的塑性较好。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，如图1−12（b）所示，即在立方晶格晶胞的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞的原子数为1/8×8+1/2×6=4。属于这类晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）、铁（γ−Fe）等。这类金属的塑性优于具有体心立方晶格的金属。3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体，如图1−12（c）所示。原子位于上下两面的中心处和12个顶点上，棱柱内部还包含着三个原子，其晶胞的实际原子数为12×1/6+2×1/2+3=6。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶属于这类晶格的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、锌（Zn）等。这类金属通常较脆。金属的晶格类型不同，其性能必然存在差异。即使晶格类型相同的金属，由于各元素的原子大小和原子间距的不同，其性能也不相同。金属的晶格类型和晶格常数发生改变时，金属的性能也会发生相应的变化。二、金属的结晶金属由液态转变为固态时的凝固过程，即晶体结构形成的过程称为结晶。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（一）纯金属的冷却曲线及过冷度一切纯金属从液态转变为固态的过程是原子从无序到有序的过程，这一过程是在一定温度下进行的，这一转变温度称为结晶温度。金属的结晶温度可以由液态金属在冷却过程中温度的变化来测得，这种测定的方法叫作热分析法。用热分析法测定金属结晶温度的步骤如下：先将金属熔化，然后让熔化金属缓慢冷却下来，同时记录下液态金属的温度随时间而变化的数据，最后将记录下来的数据在温度−时间坐标中绘成如图1−13（a）所示的冷却曲线。从图中可以看出，液态金属在冷却过程中，由于它的热量向外散失，故温度不断降低。当冷却至某一温度时便开始进行结晶，结晶时由于放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热量，所以在冷却曲线上出现了一段恒温的水平线段。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶结晶完成后，由于金属继续向周围散失热量，故温度又重新下降。冷却曲线上水平线段所对应的温度就是金属的结晶温度。在极其缓慢的冷却条件下，所测得的结晶温度称为理论结晶温度（T0

）。但是在生产实践中，金属自液态向固态结晶时，都有较大的冷却速度，此时金属要在理论结晶温度以下某一温度才开始结晶。金属的实际结晶温度（T1）较理论结晶温度（T0

）低，这一现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差ΔT（T0−T1

）叫作过冷度，如图1−13（b）所示。金属结晶时的过冷度与冷却速度有关。冷却速度越大，过冷度也越大，即金属的实际结晶温度越低。这是由于冷却速度增大时，金属的结晶过程发生滞后现象，因而在较低温度时才开始结晶。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（二）纯金属的结晶过程在液态金属中，原子的活动能力很强，做不规则的热运动。随着金属液体的温度逐渐下降，金属原子的活动能力随之减弱，原子间的吸引作用逐渐增强。当达到凝固温度时，首先在液体中某些部分，有一些原子规则地排列起来，形成细微的晶体，其中体积较小而又不能稳定存在的晶体很快地又消散在液体中，只有那些体积足够大的才可以稳定存在，并进一步长大，这样的小晶体称为结晶核心，简称晶核，如图1−14所示。晶核形成后依靠吸附周围液体的原子而长大，同时液体金属中又会不断地产生新的晶核，并不断长大，直到全部液体转变成固体，结晶过程结束。因此，结晶过程是由晶核的产生和晶核长大这两个基本过程所组成的，并且两个过程又是先后或同时进行的。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶金属在结晶过程中，晶核是大量、不断地形成并长大的。起初各个晶体都是按照自己的方向自由地生长，并且保持着规则的外形，随着晶核的长大，晶体形成棱角。由于棱角处散热速度快，因而优先长大，如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，如图1−15所示，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。晶核的这种成长方式称为树枝状长大，图1−16所示为钢锭中的树枝状晶体。在晶体长大过程中，彼此接触后，在接触处被迫停止生长，规则的外形遭到了破坏，凝固后，便形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则的晶体通称为晶粒。由于各晶粒是由不同的晶核长大而来的，故每个晶粒的晶格位向都不同，所以自然地形成分界面，晶粒之间的分界面称为晶界。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶正如前面所讲，物质内部原子呈规则排列的称为晶体，在晶体内部，如果晶格位向是完全一致的，则称这种晶体称为单晶体，如图1−17（a）所示。在实践生产中，金属材料的体积即使很小，其内部仍包含了许许多多外形不规则的小晶体（晶粒）。每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而每个小晶体彼此之间的位向都不相同。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1−17（b）所示。由于单晶体在不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此在不同的方向上性能有差异，这种现象称为“各向异性”或“有向性”。而多晶体由于各个晶粒的位向不同，它们的“有向性”彼此抵消，整体呈现无向性，称为“伪无向性”。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（三）晶粒大小对力学性能的影响实验表明，晶粒大小对力学性能有很大影响，晶粒越细，金属的力学性能越好；反之则力学性能越差。表1−2列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。晶粒大小可用晶粒平均直径（μm）或单位体积内晶粒的数目来表示，平均直径越小，数目越多，晶粒越细。分析结晶过程可知，金属晶粒的大小取决于结晶时的生核率N（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度G。生核率越大，晶核数目就越多，晶核长大的余地越小，结晶后晶粒越细小；长大速度越小，在晶核长大的时间内产生的晶核越多，晶粒数目就越多，晶粒越细小。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶因此，细化晶粒的根本途径是控制生核率与长大速度。常用的方法有以下几种。1.增加过冷度如图1−18所示，生核率和长大速度都随过冷度ΔT增大而增大，但在很大的范围内生核率比长大速度变化更快，因此增加过冷度总能使晶粒细化。在铸造生产中，用金属型浇注得到的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细，这是因为在金属型铸造中冷却散热快，过冷度大。2.变质处理细化晶粒的另一种方法是在浇注前向金属液体中加入一些能促进生核或作为晶核的物质，使金属晶粒细化。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶这种方法称为变质处理，或孕育处理。在铸铁铸造时加入硅铁、铸造铝硅合金时加入钠的化合物，都能达到细化晶粒的目的。3.附加振动金属在结晶时，对液态金属附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使刚刚结晶的金属因振动而破碎、碎晶，增加了生核率，从而使晶粒细化。用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一。三、金属的同素异构转变有些金属在固态下，存在着两种以上的晶格形式，这类金属在结晶后的冷却过程中，随着温度的变化，其晶格形式也发生变化。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。同一金属的同素异晶体，按其稳定存在的温度，由低温到高温，依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。具有同素异构转变的金属有铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）、锰（Mn）等。图1−19所示为纯铁的同素异构转变曲线。由图可知，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ−Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，α−Fe转变为面心立方晶格的γ−Fe，再继续冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ−Fe转变为体心立方晶格的α−Fe。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶如继续冷却，晶格的类型不再发生变化。这些转变可以用下式表示：金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，它遵循液体结晶的一般规律，恒温结晶；转变时有过冷现象，放出（或吸收）潜热；转变过程也是由生核和长大两个基本过程组成的。同素异构转变时，晶核优先在原来晶粒的晶界处形成，并向原晶粒中长大，直到原晶粒全部消失为止，并且转变具有较大的过冷度和内应力。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶铁的同素异构转变是铁的一种极重要的特性。正是由于铁能发生同素异构转变，才使钢和铸铁能够进行各种热处理，从而改变其组织和性能。控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，从而改变金属的性能，这种方法具有极其重要的意义。四、实际金属的晶体缺陷金属原子排列绝对规则的晶体是理想晶体，而实际金属晶体其原子排列总是会有不规则的区域，如晶界处的原子。这种差别缘于外界的种种干扰和破坏，所以，原子排列不像理想晶体那样规则和完整。通常把这种区域称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的性能有重要影响。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（一）点缺陷——空位和间隙原子实际金属晶体中，晶格上应由原子占据的节点部位，有时未被原子所占领，这种空着的位置称为空位。同时，也可能在晶格的某些空隙处出现多余的原子，这种不占有正常位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子。晶体中的空位和间隙原子如图1−20所示。在空位和间隙原子的附近，由于原子间原来的平衡关系被破坏，使其周围的原子离开原来的平衡位置，发生靠拢和撑开的现象。这种现象称晶格畸变。由空位和间隙原子造成的畸变体积很小，故称为点缺陷。点缺陷可使金属材料抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度提高。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（二）线缺陷——位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象称为位错。形式比较简单的位错是“刃型位错”，如图1−21（a）所示。由图可见，在这个晶体的某一水平面（ABCD）的上方多出一个半原子面（EFGH），它中断于ABCD面上的EF处，由于这个半原子面像刀刃一样切入晶体，故称为刃型位错。由于多余原子面的相对位置不同，刃型位错有正、负之分。通常把晶体上半部多出半原子面的位错称为正刃型位错，用符号“┴”表示；在晶体下半部多出半原子面的位错称为负刃型位错，用符号“┬”表示，图1−21（b）所示。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶位错受力后，沿某些晶面移动而导致金属变形，当金属晶体中位错及其他缺陷增多时，由于它们之间的相互作用，而使位错运动的阻力增大，从而使金属强度提高。（三）面缺陷——晶界和亚晶界工业上常用的金属大多是由许多晶粒构成的多晶体。一个晶粒内部，原子排列基本一致，但由于各个晶粒的位向互不相同（位向差一般为30°～40°），故晶界处的原子排列是不规则的。晶界实际上是不同位向的两晶粒之间的过渡层，如图1−22所示。实践证明，即使在一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完全一致，而是分隔着许多尺寸很小、位向差也很小（一般几十分到1°～2°）的小晶块，它们相互嵌镶成一个晶粒，这些小晶块称为亚晶（或嵌镶块），亚晶之间的界面称为亚晶界。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶图1−23所示为亚晶示意图。亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的，也会产生晶格畸变。晶界、亚晶界都是曲面形状的缺陷，厚度很小，故称面缺陷。面缺陷是位错运动的障碍，晶粒、亚晶粒越细小，它们的界面越多，晶格畸变越大，位错阻力越大，金属强度越高。五、合金结构与合金相图合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素所组成的金属材料。一般来说，纯金属有良好的导电性、导热性、塑性等性能，但强度、硬度低，成本较高，种类又有限，无法满足人们对金属材料提出的多种多样的要求。因此，除特殊需要外，工业上应用最广泛的金属材料是合金。上一页下一页返回第二节

金属的结构与结晶（一）相关术语合金比纯金属复杂得多，为便于研究，先介绍其相关名词及含义。1.组元组成合金最基本的、能够独立存在的物质称为组元，简称“元”。组元在一般情况下是元素，如黄铜是由Cu和Zn组成的二元合金，硬铝是Al、Cu、Mg组成的三元合金，保险丝是由Sn、Bi、Cd、Pb组成的四元合金。但在所研究的范围内，既不发生分解，也不发生任何化学反应的稳定化合物，也可称为组元，如Fe3C、Al2O3

、CaO等。上一页下一页返回第二