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1、第一章 金属材料基础知识,第一节 金属材料的分类 第二节 金属晶体结构 第三节 纯金属的晶体 第四节 合金的晶体结构 第五节 金属材料的力学性能 第六节 金属材料的物理、化学和工艺性能,金属材料是现代工农业生产及科学技术发展的重要基础。在机械制造中，大多数零件都是由各种金属材料制成的。零件的工作条件和加工方法不同，必然会对金属材料提出各种不同的性能要求。因此，研究金属材料的内部结构及其变化规律，是了解金属材料性能、正确选用材料、合理确定金属加工方法的基础。,第一节 金属材料的分类,金属是指在常温、常压下，在游离状态下呈不透明的固体状态，具有良好的导电性和导热性，有一定强度和韧性，并具有特殊光泽
2、的物质，如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。 金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其他金属元素或非金属元素为辅构成的，并具有金属特性的工程材料。金属材料包括纯金属、合金、金属化合物和特种金属材料等。,纯金属的强度与硬度一般都较低，塑性与韧性较好，在工业生产中有一定的用途，但由于纯金属的冶炼技术复杂，成本较高，因此，纯金属在使用上受到较大限制。 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。如碳素钢是由铁和碳组成的合金，普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金等。,金属化合物是指合金中各种元素之间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质。金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性大
3、的特性。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。 特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。,金属材料的分类,金属材料通常可分为黑色金属和有色金属两大类，如图所示。,第二节 金属晶体结构,一、晶体与非晶体,晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子) 呈规则排列的物质，如图所示。晶体具有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性等特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等都是晶体。 非晶体是指
4、其组成微粒无规则地散乱堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。,固态物质可分为晶体与非晶体两类。,晶体中原子的排列情况,1.晶格,为了便于描述和理解晶体中原子在三维空间排列的规律性，人们把晶体内部的原子近似看成刚性的质点，用假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子，如图所示，这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格。,晶格,2.晶胞,根据晶体中原子排列规律性和周期性的特点，通常从晶格中选取一个能充分反映原子排列特点的最小几何单元进行分析，这个反映晶格特征、具有代表性的最小几何单元称为晶胞，如图所示。,晶胞,
5、二、常见金属晶格的类型,1.体心立方晶格,体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是两个（1/88+1=2），如图所示。具有这种晶格的金属有Fe、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)、铌(Nb)等约30种。,原子排列模型 晶胞 原子个数,原子排列模型 晶胞 原子个数,2. 面心立方晶体,面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是四个（1/88+1/26=4），如图所示。具有这种晶格的金属有Fe、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)等。,原子排列模型 晶胞 原子个
6、数,3.密排六方晶格,密排六方晶格的晶胞是六方柱体,在六方柱体的12个顶角和上、下底面中心各有一个原子。另外在上、下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个（1/612+1/22+3=6），如图所示。具有这种晶格的金属有Ti、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。,原子排列模型 晶胞 原子个数,三、金属的实际晶体结构,1.单晶体与多晶体,原子从一个核心(或晶核) 按同一方向进行排列生长而形成的晶体称为单晶体；实际使用的金属材料通常是由许多不同位向的小晶体组成的，称为多晶体；这些小晶体往往呈颗粒状，不具有规则的外形，故称为晶粒；晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。,单晶体 多晶体
7、,晶体的各向异性 晶体具有各向异性，沿着一个晶体的不同方向所测得的性能是不同的(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据和外表面的化学性质等)，表现出或大或小的差异。称为各向异性或异向性。晶体的异向性是因其原子的规律排列而造成的。,提示：,2.晶体的结构缺陷,按照晶体缺陷的几何形态特征，常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种，其对性能的影响见下表。,常见的晶体缺陷及影响,第三节 纯金属的结晶,大多数金属都是经过熔化、冶炼和浇注获得的。金属由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶，也就是金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程。这一过程实际上是原
8、子由一个高能量级向一个较低能量级转变的过程，所以在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。,一、冷却曲线与过冷度,纯金属的结晶是在一定温度下进行的，人们把金属结晶时温度与时间的关系曲线称为冷却曲线，如图所示。,纯金属结晶时的冷却曲线,从冷却曲线上可以看出，液体金属随着时间的推移，温度逐渐下降，当冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现一水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温度T0，但金属在实际结晶过程中，液态金属冷却到理论结晶温度T0以下的某一温度T1时才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差T称为过冷度。,液态金属的结晶过程是一个晶核形成及晶核长大的过
9、程。当液态金属缓慢地冷到结晶温度以后，经过一定时间，首先形成一些极细小的微小晶体，称为晶核。,二、金属的结晶过程,纯金属结晶过程,晶核长大的实质是原子由液体向固体表面转移的过程。纯金属结晶时，晶核长大方式主要有平面长大方式和枝晶长大方式两种。,枝晶状晶体成长,三、晶粒度的控制,1.决定晶粒度的因素,金属结晶时，每个晶粒都是由晶核长大而成的，晶粒的大小与形核率及生长速率有关，如图所示。,形核率、生长速率和过冷度的关系,2.控制晶粒度的方法,（1）增加过冷度,随着过冷度的增加，形核率和生长速率都会增加，但形核率增加比生长速率增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可
10、使晶粒细化。,（2） 变质处理,在液态金属中加入变质剂(高熔点的固体微粒)，以增加晶核的数目，从而细化晶粒，这种方法称为变质处理。变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。,（3）附加振动,在金属结晶时施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。,四、同素异构转变,大多数金属结晶完成后晶格类型就不会再发生变化，但也有少量金属(如铁、钴、钛、锡、锰等) 在结晶为固态后，再继续冷却时其晶格类型还会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象称为同素异构
11、转变或同素异晶转变。,如图所示，液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的Fe继续冷却到1394时,发生同素异构转变，由体心立方晶格的Fe转变为面心立方晶格的Fe再冷却到912时，由面心立方晶格的Fe转变为体心立方晶格的Fe上述转变过程可由下式表示:,纯铁的同素异构转变冷却曲线图,同素异构转变是钢铁材料的一个重要特性，也是钢铁材料能够进行热处理的理论依据。同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，这一过程类似队列变换，具有以下特点: . 同素异构转变是由晶核形成和晶核长大两个基本过程完成的，新晶核优先在原晶界处生成。 . 同素异构转变也有过冷(或过热)现象，而且转变过程中具有较大的过冷
12、度(或过热度)。 . 在同素异构转变过程中有相变潜热产生，在冷却曲线上也出现了水平线段，但这种转变是在固态下进行的。 . 同素异构转变时常伴有金属的体积变化，并产生较大的内应力，这是钢热处理时导致工件变形和开裂的重要原因。,同素异构转变与金属结晶过程的异同 相同点: . 有一定的转变温度，转变时有过冷现象。 . 放出和吸收潜热。 . 转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。 不同点: . 同素异构转变时，新的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核。 . 晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内 应力。,提示：,第四节合金的晶体结构,一、基本概念,1.合金,合金是指以一种金属为基础，加入其他金
13、属或非金属，经过熔炼、烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。,2.组元,组成合金的最简单、最基本且能够单独存在的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的元素。但有时也可将稳定的化合物作为组元，如Fe3C等。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。,3.合金系,组元相同、按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金称为合金系，如黄铜是铜与锌组成的二元合金系。,4.相,在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。合金中相与相之间有明显的界面，液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个
14、以上固相组成时称为多相合金。,5.组织,合金的组织是指用肉眼或借助于显微镜所观察到的合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。组织可以由一种相组成，也可以由多种相组成。 由于合金的性能取决于组织，而组织又首先取决于合金中的相，所以，为了了解合金的组织和性能，首先必须了解合金的晶体结构。,二、合金晶体结构,根据合金中各组元之间结合方式的不同 合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类。,1.固溶体,合金结晶时若组元相互溶解所形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。固溶体中含量较多的组元称为溶剂。固溶体用 等符号表示。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可
15、将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。,（1）置换固溶体,溶质原子占据了溶剂原子晶格中的某些节点位置而形成的固溶体称为置换固溶体，如图所示。溶质与溶剂原子半径相当时，易形成置换固溶体，置换固溶体既可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。,置换固溶体,（2）间隙固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。溶质原子是半径很小的非金属元素，当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，容,易形成间隙固溶体。由于溶剂晶格中间隙的尺寸和数量是一定的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。,间隙固溶体,无论是置换固溶体还是间隙固溶体，在其形成过程中都会导致固溶体的晶格发生畸变，如图所示。对于置换
16、固溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变，形成间隙固溶体时总是产生正畸变。显然，原子尺寸差别越大，溶剂中溶入的溶质原子数越多，所形成的固溶体的晶格畸变越严重。,间隙固溶体 置换固溶体,2.金属化合物,金属化合物是指金属组元间相互作用而生成的具有金属特性的一种新相。其晶格类型不同于它的任一组元，而是形成一种具有自己独特晶体结构的新相，也称中间相，具有熔点高、硬而脆的特点。合金中出现金属化合物时，通常能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显地降低。,提示：,弥散强化 当金属化合物以细小的颗粒状形式均匀地分布在固溶体基体上时，将导致合金材料的强度、硬度和耐磨性显著提高。但塑性和韧性会有所下降的现象，称为弥散强化。 在实际生产中，通过调整合金中金属化合物的数量、大小、形态和分布状况，可使合金的力学性能发生变化，以满足不同使用要求。,3.机械混合物,固溶体和金属化合物均是组成合金的基本相，由两相或两相以上组成的多相组织称为机械混合
