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1、机械工程材料机械工程材料二零零五年十一月二零零五年十一月绪论绪论一、历史一、历史n n新石器时代的仰韶文化已开始炼制和应用黄铜新石器时代的仰韶文化已开始炼制和应用黄铜n n商周时期，青铜冶炼、铸造技术已达到很高的水平商周时期，青铜冶炼、铸造技术已达到很高的水平商代晚期，青铜业进入了鼎盛时期。最能反映这个时期商代晚期，青铜业进入了鼎盛时期。最能反映这个时期青铜冶铸技术水平的，是青铜冶铸技术水平的，是19391939年在河南安阳出土的司母戊年在河南安阳出土的司母戊鼎。它重达鼎。它重达875875公斤，带耳，高公斤，带耳，高133133厘米，横长厘米，横长110110厘米，宽厘米，宽7878厘米，它
2、是我国到目前为止发掘出最大的青铜器，也是厘米，它是我国到目前为止发掘出最大的青铜器，也是世界上最大的古青铜器，它造型瑰丽、浑厚，鼎外布满花世界上最大的古青铜器，它造型瑰丽、浑厚，鼎外布满花纹。司母戊鼎的铸造，若没有规模巨大和相当高超的采矿、纹。司母戊鼎的铸造，若没有规模巨大和相当高超的采矿、冶炼、制范、熔铸等技术，是不可想象的，它的铸造充分冶炼、制范、熔铸等技术，是不可想象的，它的铸造充分体现了我国古代劳动人民的高度智慧。距今体现了我国古代劳动人民的高度智慧。距今30003000多年多年n n秦公一号墓出土的铁铲、铁杈，比世界上发现最早的铁器工具要早1800年n n1972年，在我国河北省藁城
3、县台西村出土了一把商代铁刃青铜铖，其年代约在公元前十四世纪前后，在青铜铖上嵌有铁刃，该铁刃就是将陨铁经加热锻打后，和铖体嵌锻在一起的。二、现在二、现在 在机械制造业中，金属材料是目前使用量最大、在机械制造业中，金属材料是目前使用量最大、使用范围最广的材料。金属材料分为钢铁材料使用范围最广的材料。金属材料分为钢铁材料和有色金属材料两大类。金属材料有着优良的和有色金属材料两大类。金属材料有着优良的使用性能和加工工艺性能。随着科学技术的进使用性能和加工工艺性能。随着科学技术的进步，非金属材料以其具有一些金属材料所不具步，非金属材料以其具有一些金属材料所不具备的性能特点（如耐蚀性、绝缘、消声、质轻、备
4、的性能特点（如耐蚀性、绝缘、消声、质轻、生产率高、成本低等）而得到迅速发展。金属生产率高、成本低等）而得到迅速发展。金属材料与非金属材料有着各自的优缺点，将两种材料与非金属材料有着各自的优缺点，将两种各有所长的材料组合在一起，扬长避短，这就各有所长的材料组合在一起，扬长避短，这就构成了复合材料。按基体材料的不同，可将复构成了复合材料。按基体材料的不同，可将复合材料分为高分子基、金属基、和陶瓷基复合合材料分为高分子基、金属基、和陶瓷基复合材料材料三、目前在新材料和新材料构件制造技术出现了以下一些新的突破点 轻合金材料轻合金材料 发展轻量化合金材料技术，建立铝、发展轻量化合金材料技术，建立铝、镁合
5、金半固态与挤压铸造、镁合金超镁合金半固态与挤压铸造、镁合金超塑性成型与钛合金成型技术、高温铝塑性成型与钛合金成型技术、高温铝合金粉末与铝基复材，开发高热传导合金粉末与铝基复材，开发高热传导率铝基碳铁复合材料、发泡铝板成型率铝基碳铁复合材料、发泡铝板成型与轨道车辆轻量化技术与轨道车辆轻量化技术 金属基复合材料构件制造技术金属基复合材料构件制造技术 以以SiCSiC长纤维增强的长纤维增强的TiTi基复合材料基复合材料（TiMMCTiMMC）具有比强度高、比刚度高，使用）具有比强度高、比刚度高，使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的德国研制的SCS-6
6、 SiC/IMI834SCS-6 SiC/IMI834复合材料的复合材料的抗拉强度高达抗拉强度高达2200MPa2200MPa，刚度达，刚度达220GPa220GPa，而，而且具有极为优异的热稳定性，在且具有极为优异的热稳定性，在700700温度温度暴露暴露2000h2000h后，力学性能不降低。主要应用后，力学性能不降低。主要应用于未来发动机中的构件于未来发动机中的构件 陶瓷基复合材料构件制造技术陶瓷基复合材料构件制造技术 连续纤维增韧陶瓷基复合材料（连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMCCMC）耐温）耐温高，密度低，具有类似金属的断裂行为，高，密度低，具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发
7、生灾难性的损毁。其对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁。其中，连续纤维增韧碳化硅复合材料包括中，连续纤维增韧碳化硅复合材料包括C/SiCC/SiC和和SiC/SiCSiC/SiC两种。两种。C/SiCC/SiC和和SiC/SiCSiC/SiC的的密度分别为和，密度分别为和，SiCSiC基基CMCCMC的最高工作的最高工作温度为温度为16501650，C/SiCC/SiC和和SiC/SiCSiC/SiC可分别在可分别在有限寿命和长寿命条件下使用。主要应用有限寿命和长寿命条件下使用。主要应用于高性能航空发动机的涡轮于高性能航空发动机的涡轮 碳碳/碳复合材料构件制造技术碳复合材料构件制造技术 碳碳/碳复
8、合材料（碳复合材料（C/CC/C）的最显著的优点是）的最显著的优点是耐高温（耐高温（1800180020002000）和低密度（约）。）和低密度（约）。美、法、俄等研制的美、法、俄等研制的C/CC/C复合材料部件有：复合材料部件有：燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮和导燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘、涡轮外环等。美国向叶片、整体涡轮盘、涡轮外环等。美国将整体涡轮盘在将整体涡轮盘在17601760进行了地面超转试进行了地面超转试验。验。C/CC/C构件的关键制造技术包括碳纤维预构件的关键制造技术包括碳纤维预制体的设计与制备、制体的设计与制备、C/CC/C的致密化技术和的致密
9、化技术和C/CC/C防氧化涂层的设计与制造防氧化涂层的设计与制造 第一章第一章 金属材料的基本知识金属材料的基本知识n n工程材料可分为：金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料n n金属材料在现代生产及人们的日常生活中占有极其重要的地位。金属材料的品种繁多、性能各异，并能通过适当的工艺改变其性能。金属材料的性能由材料的成分、组织及加工工艺来确定。掌握各种材料的性能对材料的选择、加工、应用，以及新材料的开发都有着非常重要的作用。1.1 金属材料的性能金属材料的性能1.1.1 金属材料的力学性能1.1.2 金属材料的其它性能简介1.1.1 金属材料的力学性能金属材料的
10、力学性能1弹性和刚度2强度3塑性4硬度5冲击韧性 a k6断裂韧性KI7疲劳强度.弹性和刚度 金属材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性。这种随外力消除而消除的变形，称为弹性变形 n n材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/称为弹性模量，单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值的大小主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。n n需要注意的是，材料的刚度不等于机件的刚度，机件的刚度除与材料的刚度有关外，还与机件的结构有关n n提高零件刚度的方法有增加横截面面积增加横截面面积改
11、变截面形状改变截面形状选用弹性模量较大的材料选用弹性模量较大的材料2.强度n n在外力作用下，材料抵抗塑性变形和破断的能力称为强度。常用的强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度 1)屈服强度（s、）n n当曲线达到B点时，曲线出现应变增加而应力不变的现象称为屈服。屈服时的应力称为屈服强度，记为s，单位MPan n对没有明显的屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以表示 2)抗拉强度bn n材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用或强度极限，用 b b表示，单位表示，单位MPaMPa。
12、在图中的。在图中的DD点点所对应的应力值即为所对应的应力值即为 b bn n屈服强度与抗拉强度的比值屈服强度与抗拉强度的比值s/s/b b称为屈强比称为屈强比n n屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即 断断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。太低。3.塑性n n材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力，称为塑性n n工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标 1)延伸率n n试样在拉断后的相对伸长量称为
13、延伸率，用符号表示，即n n式中：L0试样原始标距长度；L1试样拉断后的标距长度。2)断面收缩率n n试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号表示，即n n式中：A0试样原始的横截面积；A1试样拉断处的横截面积 n n材料的和值越大，塑性越好n n用表示塑性更接近材料的真实应变 4.硬度n n硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力n n硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力n n通常材料的强度越高，硬度也越高n n工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等 1)布氏硬度HBS（W）n n布氏硬度的测量方法如图所示。布氏硬度的测量方法如图所示。用一定载荷用一定载荷P P，将直径为
14、，将直径为DD的球体的球体（淬火钢球或硬质合金球），压（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径面上所形成的压痕直径d d，由此计，由此计算压痕的球缺面积算压痕的球缺面积F F，其单位面，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值硬度值HB=HB=P P/F Fn n布氏硬度的单位为布氏硬度的单位为kgf/mm2 kgf/mm2 n n当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示n n当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为
15、450650的材料，以HBW表示 n n在测定材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽荷P和载荷保持时间等n n布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（）于1900年提出来的 2)洛氏硬度HRn n洛氏硬度的测量方法如图所示n n将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值n n根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种 n n洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用n n其缺点是：由于压痕小，测量误差稍大，因此常在工件不同部位测量数次取平均值n n洛氏硬度是由美国的洛
16、克威尔（和）于1919年提出来的 3)维氏硬度HVn n维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（）n n它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦n n图为维氏硬度测试示意图n n在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值n n其计算公式如下：n n维氏硬度试
17、验是由英国的史密斯（）和桑德兰德（）于1925年提出来的。5.冲击韧性 a kn n冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性a k指标来度量 n n有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等n n瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力n n为了讨论材料的冲击韧性a k值，常采用一次冲击弯曲试验法n n由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试样进行试
18、验n n标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样n n同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较n n试验时，将试样放在试验机两支座上，如图所示。将一定重量G的摆锤升至一定高度H1，如图所示，使它获得位能为GH1；再将摆锤释放，使其刀口冲向图箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为H2，相应位能为GH2，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功Ak，即Ak=GH1GH2，单位为J。n n试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直
19、接读出n n冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧性值ak，即a k=Ak/F，单位为J/cm2。有些国家（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功 Ak作为冲击韧性指标n n材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，材料的脆性愈大n n通常把a k 值小的材料称为脆性材料n n研究表明，材料的a k 值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低
20、温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂6.断裂韧性KIn n有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于s的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展n n材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产 生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用应力强度因子KI来描述，其单位为MPam1/2，脚标表示型裂纹强度因子n nKI值的大小决定于裂纹尺寸（2a）和外加应力场，它们之间的关系由下式表示：KY 式中：Y为与裂纹形状、加载方式和试样几 何尺寸有关的无量纲系数 为外加应力场，单位为MPa；a为裂纹长度的一半，单
21、位为mm n n由上式可见，随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示。它反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现n nKIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关7.疲劳强度1)疲劳的概念n n工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 n n零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 2)疲劳
22、强度疲劳强度 n n当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限 n n材料的疲劳强度通过实验得到n n用实验得到的交变应力大小和断裂循环周次之间的关系绘制出图1.19所示的之间的关系曲线，即疲劳曲线n n疲劳曲线表明，随着应力的减小，循环次数在增加，当应力降到一定值后，曲线趋于水平，这就意味着材料在此应力作用下无限次循环也不会产生断裂，此应力称为材料对称弯曲疲劳极限，用-l表示，单位为Ma n n在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏n n常用钢材的循环基数为107，有
23、色金属和某些超高强度钢的循环基数为108n n影响疲劳强度的因素甚多,其中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织、表面状态、残留应力等n n钢的疲劳强度约为抗拉强度的40一50，有色金属约为抗拉强度2550 1.1.2 金属材料的其它性能金属材料的其它性能1物理性能n n材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导磁性、导热性及热膨胀性等（1）密度n n密度是指单位体积材料的质量n n抗拉强度与密度之比称为比强度；弹性模量与密度之比称为比弹性模量n n在飞机和宇宙飞船上使用的结构材料，对比强度的要求特别高。（2）熔点n n熔点是指材料的熔化温度n n材料的熔点越高，高温性能就越好（3）热膨胀性
24、n n材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来al来表示n n它表示材料温度每变化1时引起的材料长度上相对膨胀量的大小n n对于精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在有两种以上材料组合成的零件中，常因材料的热膨胀系数相差大而导致零件的变形或破坏（4 4）导热性）导热性n n热量会通过固体发生传递，材料的导热性用热导热量会通过固体发生传递，材料的导热性用热导率（导热系数）率（导热系数）来表示，来表示，表示当物体内的温度梯表示当物体内的温度梯度为度为1 1/m/m时，单位时间内，单位面积的传热量，时，单位时间内，单位面积的传热量，其单位为其单位为W/W/（mKmK）n n材料导热性的
25、好坏直接影响着材料的使用性能，材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部件一般常用导热性好的材料（如铜、铝等）来制件一般常用导热性好的材料（如铜、铝等）来制造造n n通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料 （5 5）导电性）导电性n n材料的导电性一般用电阻率（材料的导电性一般用电阻率（）来表示，电阻率）
26、来表示，电阻率表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为mm。电阻率越低，材料的导电性越好。电阻率越低，材料的导电性越好n n根据电阻率数值的大小可把材料分为：根据电阻率数值的大小可把材料分为：超导体：超导体：00导体：导体：1010-8-8-10-10-5-5mm半导体：半导体：1010-5-5-10-107 7mm绝缘体：绝缘体：10107 7-10-102020mm通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反则与此相反2化学性能化学性能（1 1）耐腐蚀性）耐腐蚀性n n耐腐蚀性是指材料
27、抵抗各种介质侵蚀的能力耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力n n材材料料的的耐耐蚀蚀性性常常用用每每年年腐腐蚀蚀深深度度（渗渗蚀蚀度度）K Ka a（mm/amm/a）表示）表示n n对对金金属属材材料料而而言言，其其腐腐蚀蚀形形式式主主要要有有两两种种，一一种种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀n n化化学学腐腐蚀蚀是是金金属属直直接接与与周周围围介介质质发发生生纯纯化化学学作作用用，例如钢的氧化反应例如钢的氧化反应n n电电化化学学腐腐蚀蚀是是金金属属在在酸酸、碱碱、盐盐等等电电介介质质溶溶液液中中由于原电池的作用而引起的腐蚀由于原电池的作用而引起的腐蚀（2）高
28、温抗氧化性n n除了要在高温下保持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能n n所谓高温抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性 3工艺性能工艺性能n n材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。材料的工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。（1）铸造性n n铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力n n对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收缩率、偏析倾向等n n流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造
29、性也好。一般来说，共晶成份的合金铸造性好(2)可锻性n n可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能n n可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量n n一般来说。钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工（3）焊接性n n焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量n n低碳钢具有优良持焊接性，而铸铁和铝合金的焊接性就很差（4）切削加工性n n切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能n n它与材料种一类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关n n有利切削的材料硬度为160230HBn n切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加
30、工表面光洁 1.2 金属的晶体构造和结晶过程金属的晶体构造和结晶过程1.2.1 金属的晶体结构1.2.2 金属的结晶过程1.2.3 金属的同素异构转变1.2.4 实际金属的晶体结构1.2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.晶体的基本概念2.2.常见纯金属的晶格类型3.3.晶格的致密度及其晶面和晶向4.4.晶体的各向异性1.晶体的基本概念晶体的基本概念n n晶体晶体是指基原子具有规则排列的物体是指基原子具有规则排列的物体n n晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式n n晶体结构不同，其性能往往相差很大晶体结构不同，其性能往往相差很大n n为了便于分析研
31、究各种晶体中原子或分子的排为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架，称为何格架，称为晶格晶格，如图所示；晶格中各边线，如图所示；晶格中各边线的交点称为的交点称为结点结点；晶格中各种不同方位的原子；晶格中各种不同方位的原子面，称为面，称为晶面晶面。组成晶格的最基本几何单元称。组成晶格的最基本几何单元称为为晶胞晶胞。晶格可以看成由晶胞堆积而成。晶格可以看成由晶胞堆积而成n n晶胞的形状和大小是用晶粒的棱边长度a、b、c和棱边的夹角、来
32、表示的，见图n n晶胞的棱边长度a、b、c称为晶格常数，其大小以（埃）为单位（1=110-10m）n n当晶格常数a=b=c，棱边夹角=90 时，这种晶胞称为简单立方晶胞n n具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。2.常见纯金属的晶格类型常见纯金属的晶格类型n n在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的晶格类型有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格（1）体心立方晶格（2）面心立方晶格（3）密排立方晶格(1)体心立方晶格体心立方晶格(Body-centred cubic lattice，简称，简称)n n体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布体心立
33、方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处，如图所示。因其在立方体的各结点和中心处，如图所示。因其晶格常数晶格常数a=b=ca=b=c，故只用一个常数，故只用一个常数a a表示即可。表示即可。该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密排列的，故由对角线长度（排列的，故由对角线长度（a a）和对角线上分布）和对角线上分布的原子数量（的原子数量（2 2个），就可以计算出原子的半径个），就可以计算出原子的半径r r为为 a a。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的8 8个个晶胞所公有，所以体心立方晶胞中的原子数目晶胞
34、所公有，所以体心立方晶胞中的原子数目为为 个。属于这类晶格的金属有个。属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、V V、WW、MoMo、NbNb等。等。面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，简称）n n面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和各面的中心处，如图所示。这种晶胞中，每个面的对角线上原子紧密排列，故其原子半径r 为 a；又因为面心中的原子为两个晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数目为个 。属于这类晶格的金属有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。密排立方晶格(Close-packed hexagonal lattice，简
35、称)n n密排立方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，在由12个原子所构成的正六面体的上下两个六边形的中心各有一个原子，在上下底中间有三个原子，如图所示。这种晶胞中，其晶格常数用正六边形边长a和立方体的高c来表示，两者的比值，其原子半径r=a/2；每个晶胞所包含的原子数为 个。属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。3.晶格的致密度及其晶面和晶向晶格的致密度及其晶面和晶向（1）晶格的致密度（2）晶面指数及晶向指数（3）晶面及晶向的原子密度1）晶格的致密度n n晶格的致密度是指其晶胞中所包含的原子所占的体积与该晶胞体积之比n n在定性评定晶体中原子排列的紧密程度时，还常应用“配位数”这一概念。所
36、谓配位数即指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。显然，配位数越大，原子排列也就越紧密 2）晶面指数及晶向指数n n晶体中各种方位上的原子面叫晶面；各种方向上的原子列叫晶向。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面的这种符号叫“晶面指数”，晶向的符号叫“晶向指数”。确定晶面指数的步骤如下：确定晶面指数的步骤如下：n n（1 1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于）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晶胞的三棱边作OXOX、OYOY、OZOZ
37、三个坐标轴，以晶三个坐标轴，以晶格常数格常数a a、b b、c c分别作为相应的三个坐标轴上的量分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图）。距（见图）。n n（2 2）将所得三截距之值变为倒数；）将所得三截距之值变为倒数；n n（3 3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加）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。晶面指数的一般形上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（式用（hklhkl）表示。）表示。晶向指数的确定方法是：晶向指数的确定方法是：n n（1）以格中某一原子为原点，
38、通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；n n（2）求出该直线上任意一点的三个坐标来；n n（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，其一般形式为uvw。3）晶面及晶向的原子密度n n所谓某晶面的原子密度指其单位面积中的原子数，而晶向原子密度则指其单位长度上的原子数。在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。例如，在体心立方晶格中的各主要晶面和晶向的原子密度见表1-24.晶体的各向异性晶体的各向异性n n由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成
39、了它在不同方向上的性能差异，晶体因而便造成了它在不同方向上的性能差异，晶体的这种的这种“各向异性各向异性”的特点是它区别于非晶体的的特点是它区别于非晶体的重要标志之一重要标志之一n n例如，体心立方的例如，体心立方的FeFe晶体，由于它在不同晶向上晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量模量E E便不同。在便不同。在111111方向方向E E=290000MN/m2=290000MN/m2，在，在100100方向方向E E=135000MN/m2=135000MN/m2。许多晶体物质如石。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等
40、常沿一定的晶面易于破裂，膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。具有一定的解理面，也都是这个道理。n n晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得优异性能的产品n n如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的 100晶向平行于轧制方向从而得到优异的导磁率等。1.2.2 金属的结晶过程金属的结晶过程1.金属结晶时的过冷现象2.金属结晶时的过冷现象3.结晶的过程4.影
41、响晶核的形成和成长速率的因素（1）过冷度的影响（2）未熔杂质的影响1.金属结晶时的过冷现象金属结晶时的过冷现象n n图中的T0为理论结晶温度，它是液态金属在无限缓慢冷却条件下的结晶温度。而实际生产中，液态金属都是以较快的速度冷却的，液态金属只能在理论结晶温度以下才开始结晶，这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷，与T0之差为过冷度T，即TT0T1。冷却速度越快，T越大。特定金属的过冷度不是一个定值，它随冷却速度的变化而变化，冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度也就越低。2.结晶时的能量条件n n为什么纯金属的结晶都具有一个严格不变的平衡为什么纯金属的结晶都具有一个严格不变的平衡
42、结晶温度呢？这是因为它们的液体和晶体两者之结晶温度呢？这是因为它们的液体和晶体两者之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。物质间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量叫做功的这一部分能量叫做“自由能（自由能（）”。自由。自由能可表示为：能可表示为：n nG=U-TSG=U-TSn n式中：为系统内能，即系统中各种能量的总和；式中：为系统内能，即系统中各种能量的总和；为热力学温度；为熵（系统中表征原子排列为热力学温度；为熵（系统中表征原子排列混乱程度的参数）混乱程度的参数）n n对于固态金属和液
43、态金属可将它们的自由能分别对于固态金属和液态金属可将它们的自由能分别用固（固用固（固U U固固-TS-TS固）和液（液固）和液（液U U液液-TSTS液）来表示。由于液体与晶体的结构不同，同液）来表示。由于液体与晶体的结构不同，同一物质中它们在不同温度下的自由能变化是不同一物质中它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如图所示，因此它们便会在一定的温度下出的，如图所示，因此它们便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度（现一个平衡点，即理论结晶温度（T T0 0）。低于理）。低于理论结晶温度时，由于液相的自由能（液）高于论结晶温度时，由于液相的自由能（液）高于固相晶体的自由能（固），液体向
44、晶体的转变固相晶体的自由能（固），液体向晶体的转变便会使能量降低，于是便发生结晶；高于理论结便会使能量降低，于是便发生结晶；高于理论结晶温度时，由于液相的自由能（液）低于固相晶温度时，由于液相的自由能（液）低于固相晶体的自由能（固），晶体将要熔化。换名话晶体的自由能（固），晶体将要熔化。换名话说，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理说，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（液固），即具有一定的结晶推动液固），即具有一定的结晶推动力才行力才行n n可见过冷度是金属结晶的必要条件。可见过冷度是金属结晶的必要条件。3.
45、结晶的过程n n液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核的成长两个阶段n n晶核的形成，一是由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体的固有规律排列起来称为自发晶核。二是由液态金属中一些外来的微细固态质点而形成的，称为外来晶核n n图为金属结晶过程示意图图为金属结晶过程示意图n n当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子团开始变得稳定，成为极细小的晶体，称之为晶团开始变得稳定，成为极细小的晶体，称之为晶核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体定的几何形状不断地排列
46、起来，形成晶体。晶体在各个方向生长的速度是不一致的，在长大初期，在各个方向生长的速度是不一致的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴，部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶轴、三次晶轴、轴，二次晶轴、三次晶轴、，成树枝状，当金，成树枝状，当金属液体消耗完时，就形成晶粒。属液体消耗完时，就形成晶粒。n n由每个
47、晶核长成的晶体称为晶粒，晶粒之间的接触面称为晶界。晶粒的外形是不规则的。因此，金属实际上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体n n晶粒的大小对金属的性能影响很大。因为晶粒小则晶界就多，而晶界增强了金属的结合力。因此，一般金属的晶粒越小，强度、塑性和韧性就越好。生产上常用增加冷却速度或向液态金属加入某些难熔质点，以增加晶核数目，而细化晶粒4.影响晶核的形成和成长速率的因素n n影响晶核的形成率和成长率的最重要因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质1)过冷度的影响n n金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，不同过冷度T对晶核的形成率N（晶核形成数目/smm3）和成长率G
48、（mm/s）的影响如图所示n n过冷度对晶核的形成率和成长率的这些影响，主要是因为在结晶过程中有两个相反的因素同时在起作用n n其中之一即如前所述的晶体与液体的自由能差（），它是晶核的形成和成长的推动力n n另一相反因素便是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），这是形成晶核及其成长的必需条件，因为原子的扩散系数太小的话，晶核的形成和成长同样也是难以进行的。n n在图中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的在图中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要到的晶粒度的对比，从中可以得
49、到一个十分重要的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈大时，金属的晶粒度便愈细大时，金属的晶粒度便愈细n n图中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的图中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示，结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示，但近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速但近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成率和成长率确能再度减小为零，
50、此时金属将不再率和成长率确能再度减小为零，此时金属将不再通过结晶的方式发生凝固，而是形成非晶质的固通过结晶的方式发生凝固，而是形成非晶质的固态金属态金属2)未熔杂质的影响n n任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液