（中职）熔焊基础与金属材料焊接第一章电子教案.ppt-淘文阁

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1、Y CF正版可修改PPT（中职）熔焊基础与金属材料焊接第一章电子教案第1 章金属学及热处理基础 1.1 金属材料的性能 1.2 金属的晶体结构 1.3 金属与晶体的结晶 1.4 铁碳合金相图 1.5 钢的热处理返回1.1 金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能(强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等)、物理性能(密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等)和化学性能(耐蚀性、抗氧化性等)。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺(如冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等)应具备的性能。1.

2、1.1 金属的力学性能通常机器零件或工程结构在工作中都要受到外力的作用，金属在外力的作用下所表现的性能叫做力学性能。下一页返回1.1 金属材料的性能按外力(载荷)作用性质的不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。在不同性质的载荷作用下，金属所表现的特性与抵抗破坏的能力不同，因而需要用不同的力学性能指标。常用的力学性能指标有强度、硬度、塑性和冲击韧性等。这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。1.强度与塑性强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。由于作用力的性质不同，其判据可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，在生产中，最常用、最基

3、本的是屈服强度和抗拉强度。金属材料的强度与塑性一般可以通过金属的拉伸试验来测定。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能(1)拉伸试验拉伸试样。拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。为便于对不同材料的强度进行对比，拉伸试验所用试件的形状与尺寸应符合GB/T 397-1986 金属拉伸试验试样的规定。图1-1(a)所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，l0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样(l0=10 d0)和短试样(l0=5d0)。拉伸曲线。试验时，将试样两端夹装在试验机的上下夹头上，随后缓慢地增加载荷，随着载荷的增加，试样因逐步变形而伸长，

4、直到被拉断为止。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F 和变形量l，并给出了它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线(或拉伸图)。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。图1-1(b)为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。当载荷不超过Fp时，拉伸曲线为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比例增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段

5、。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，称为塑性变形或永久变形。当载荷增加到Fs时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的k 点时，试样就被拉断。(2)强度材料受外力作用时，其内部产生了与外力大小相等方向相反的抵抗力，即内力。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能单位面积上的内力称为应

6、力，用符号表示，即式中F 拉伸力(N);A0试样原始截面积(m2)。根据拉伸曲线可以求出材料的强度指标，其强度指标主要有以下三项。弹性极限。金属材料在载荷作用下产生弹性变形(即不产生永久变形)时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号e表示:上一页下一页返回1.1 金属材料的性能式中Fe试样产生弹性变形时所承受的最大载荷;A0试样原始横截面积。e值越大，表示材料的弹性越大。屈服强度(又称屈服点)。金属材料开始明显塑性变形(即在外力不增加仍能继续伸长)时的最低应力称为屈服强度，用符号s表示:式中 Fs试样屈服时的载荷;A0试样原始横截面积。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能生产

7、中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服强度s。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号0.2表示。0.2的确定方法如图1-2 所示。在拉伸曲线横坐标上截取c 点，使Oc=0.2%l0，过c 点作斜线的平行线，交曲线于s 点，则可找出相应的载荷F0.2，从而计算出0.2。抗拉强度(又称强度极限)。金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号s表示:式中Fb试样在断裂前的最大载荷;A0试样原始横截面积。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能 s与b都是金属材料的主要力学性能指标，是设计及

8、选材的重要依据。对于塑性材料，考虑到主要因塑性变形过大而失效，因此s(或0.2)是产品设计的强度指标，脆性材料没有屈服现象，则用b作为强度指标。s/b称为屈强比。屈强比小，表明材料的塑性储备高，万一超载也不会立即破坏，可靠性大;但屈强比过低，使材料的利用率降低。因此，对不同钢种的屈强比有不同的要求。如低碳钢为0.50.6，低合金结构钢为0.650.75，合金结构钢为0.70.8。当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强度或抗弯强度，单位与抗拉强度相同。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能当材料受到压应力或弯曲应力时，其抵抗破坏的能力分别称为抗压强度或抗弯强度，单位与

9、抗拉强度相同。(3)塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性，即金属在外力作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标有伸长率()和断面收缩率()。伸长率。试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用表示:上一页下一页返回1.1 金属材料的性能式中l0 试样原标距长度(mm);试样拉断后标距长度(mm)。材料的伸长率随标距长度增加而减少。所以，同一材料短试样的伸长率5大于长试样的伸长率10。断面收缩率。试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用表示:式中A0 试样原横截面积(mm);A1试样拉断后最小横截面

10、积(mm)。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能、是衡量材料塑性变形能力大小的指标，、大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。2.硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属表面抵抗局部变形或破坏，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能此外，硬度又是反映材料的成分、组织与力学性能的综合指标。一般来说，金属的

11、硬度越高，则刚强度越高，而塑性和韧性越低。因此，硬度虽然不是零件设计计算的依据，但是对工作条件不同的零件，为保证其使用寿命，也会提出不同的硬度要求。由于硬度试验设备简单，操作方便、快捷，并可直接在零件或工具上进行测试而不破坏试件，故应用最广泛。测定硬度的方法很多，在生产中应用最多的是压入硬度测试法中的布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能(1)布氏硬度布氏硬度试验原理如图1-3 所示。它是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值HBS 或HBW 是试验力F

12、除以压痕球形表面积所得的商，即:式中F 压入载荷(N);A 压痕表面积(mm2);d 压痕直径(mm);D 淬火钢球(或硬质合金球)直径(mm)。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能布氏硬度值的单位为MPa，一般情况下可不标出。压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS 表示，适用于布氏硬度值在450 以下的材料;压头为硬质合金球时，用HBW 表示，适用于布氏硬度值在650 以下的材料。符号HBS 或HBW 之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件:球体直径、试验力、试验力保持时间(10 15s 不标注)。例如:12S HBS10/1000/30 表示用直径10 mm 淬火钢球在

13、1 000 x 9.8 N 试验力作用下保持30 s 测得的布氏硬度值为125;500HBWS/750 表示用直径5 mm 硬质合金球在750 x 9.8 N 试验力作用下保持1015 s测得的布氏硬度值为500。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能布氏硬度试验的优点是:测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的测量误差;布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系:(或HBW)(低碳钢K=0.36，合金调质钢K=0.325;灰铸铁K=0.1)。布氏硬度试验的缺点是:当用淬火钢球时不能用来测量大于450 HBS的材料;用硬质合金球时，亦不宜超过650 HBW;压痕大，不适

14、宜测量成品件硬度，也不宜测量薄件硬度;测量速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表。(2)洛氏硬度上一页下一页返回1.1 金属材料的性能以顶角为1200的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值，如图1-4 所示。当载荷和压头一定时，所测得的压痕深度h(h3-h1)愈大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。为此，用一个常数K(对HRC,K为0.2;对HRB,K 为0.26)减去h，并规定每0.002 mm 深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是:上一页下一页返回1.1 金属材料的性能根据所加的载荷和

15、压头不同，洛氏硬度值有三种标度:HRA、HRB、HRC，常用HRC，其有效值范围是2067 HRC。洛氏硬度符号HR 前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如60 HRC 表示C 标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度;压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，重复性差，而且不同的硬度级别测得的硬度值无法比较。(3)维氏硬度上一页下一页返回1.1 金属材料的性能维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角a 为1360的正四棱锥体，如

16、图1-5 所示。试验时，根据试样大小、厚薄选用(5120)x9.8 N 载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测微计测量压痕对角线长度d，然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值:式中A 压痕的面积(mm);d 压痕对角线的长度(mm);F 试验载荷(N)。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能维氏硬度符号HV 前是硬度值，符号HV 后附以试验载荷及保持时间。如640HV30/20 表示在30 x 9.8 N 作用下保持20s 后测得的维氏硬度值为640。维氏硬度的优点是试验时加载小，压痕深度浅，可测量零件表面淬硬层，测量对角线长度d 误差小，其缺点是生产率比洛氏硬度试验低

17、，不宜于成批生产检验。3.冲击韧性生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验。将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向(图1-6 所示)，然后把质量为m,的摆锤提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断，并升到h2高度。因此冲断试样所消耗的功为Ak=mg(h1-h2)。金属的冲击韧

18、性ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功:式中ak冲击韧性(J/cm2);A 试样缺口处原始截面积(cm2);Ak冲断试样所消耗的功(J)。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。Ak值的大小，代表了材料的冲击韧性的高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺日的敏感性。4.疲劳强度许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所承受的

19、交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形，因此具有更大的危险性。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述(图1-7 所示)。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对称弯曲疲劳极限用-1，表示。在疲劳强度的测定中，不可能把循环次数做到无穷大，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。常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。疲劳

20、破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹。钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳强度下降。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。1.1.2 金属物理性能金属物理性能是指金属在重力、电磁场、热力(温度)等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1.密度金属的密度是指单位体积金属的质量。密度是金

21、属材料的特性之一。不同金属材料的密度是不同的。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量(重量)也就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制造设备的自重和效能，如发动机要求质量轻和惯性小的活塞，常采用密度小的铝合金制造。在航空工业领域中，密度更是选材的关键性能指标之一。一般将密度小于5 X 103 kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5 X 103 kg/m3的金属称为重金属。2.熔点金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。合金的熔点决定于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的质量分数不同，其熔点也

22、不同。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温零件，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造印刷铅字(铅与锑的合金)、熔丝(铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。3.导热性金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数)表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般说来，金属越纯，其导热能力越大。合金的导热能力比纯金属差。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。上一页下一页

23、返回1.1 金属材料的性能导热性好的金属其散热性也好，如在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，就要选用导热性好的金属。在制订焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却的过程中形成较大的内应力，以免金属材料发生变形或开裂。4.导电性金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率表示。取长1m、截面积为1 mm2的物体，在一定温度下所具有的电阻数，叫做电阻率。电阻率越小，导电性就越好。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能导电性和导热性一样，是随合金化学成分的复杂化而降低的，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯

24、铝做导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金做电热元件。5.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。热膨胀性用线胀系数和体胀系数来表示。体胀系数近似为线胀系数的3 倍。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能在实际工作中考虑热膨胀性的地方颇多，如铺设钢轨时，在两根钢轨衔接处应留有一定的空隙，以便钢轨在长度方向有膨胀的余地;轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸;在制订焊接、热处理、铸造等工艺时也必须考虑材料的热膨胀影响，做到减少工件的变形与开裂;测量工件的尺寸时也要注意热膨胀因素，做到减少测量误差。6

25、.磁性金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性，通常用磁导率表示。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分类如下。(1)铁磁性材料。在外加磁场中，能强烈地被磁化到很大程度，如铁、镍、钴等。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能(2)顺磁性材料。在外加磁场中，呈现十分微弱的磁性，如锰、铬、钼等。(3)抗磁性材料。能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。在铁磁性材料中，铁及其合金(包括钢与铸铁)具有明显磁性。镍和钻也具有磁性，但远不如铁。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等;抗磁性材料则可用做要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。1.1.3

26、金属的化学性能金属的化学性能是指金属在室温或高温时，抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能金属材料在机械制造中，不但要满足力学性能、物理性能的要求，同时也要求具有一定的化学性能，尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零件，更应重视金属材料的化学性能。1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对在腐蚀介质(如酸、碱、盐、有毒气体等)中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。因此，在选择材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐

27、腐蚀性，并合理使用耐腐蚀性能良好的金属材料进行制造。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能 2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加速。例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷，为此常采取措施，避免金属材料发生氧化。3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能 1.

28、1.4 金属的工艺性能工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能。也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，某种材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，就说明该材料的焊接工艺性能好。工艺性能直接影响到制造零件的加工质量，同时也是选择材料时必须考虑的因素之一。1.铸造性能金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能 2.锻造性能金属材料利用

29、锻压加工方法成型的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如，黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能;非合金钢在加热状态下锻造性能较好;而铸铜、铸铝、铸铁等几乎不能锻造。3.焊接性能焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性能好的金属能获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有良好的力学性能。上一页下一页返回1.1 金属材料的性能低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。4.切削加工性能切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程

30、度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损量小，可以选用较大的切削用量，加工表面也比较光洁。切削加工性能与金属材料的硬度、热导性、冷变形强化等因素有关。若材料硬度在170260HBW 时，最易切削加工。铸铁、铜合金、铝合金及非合金钢都具有较好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能较差。上一页返回1.2 金属的晶体结构自然界中的固态物质，虽然外形各异、种类繁多，但都是由原子或分子堆积而成的。根据内部原子堆积的情况，通常可以分为晶体和非晶体两大类。晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则做周期性的重复排列;非晶体中的这些质点，则是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。这就是晶体和非晶体

31、的根本区别。晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。下一页返回1.2 金属的晶体结构 1.2.1 金属的特性在现有已知元素中，金属约占3/4。同非金属相比，金属在固态下(除汞以外，在25 都是固体)具有以下一些特性。良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数，即温度升高电阻增大，而且大多数金属在温度下降到接近绝对零度时，电阻突降而趋近于零。具有金属光泽和良好的反射能力。具有较好的延展性。上述特性是由金属的原子结构及原子间的结合形式所决定的。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构金属的原

32、子结构区别于非金属的显著特点是外层电子很少(一般是12个)。这些电子与原子的结合力很弱，容易脱离其束缚而成为自由电子。失去电子的金属原子成为正离子。金属原子结构这一特点，又决定了其内部原子的结合形式。当大量金属原子结合在一起时，绝大多数原子将失去电子而成为正离子，并按一定的几何形状排列，同时进行热振动，而自由电子则为整个金属所共有，在各离子间自由运动。依靠正离子与电子之间引力与斥力的平衡，使金属结合并保持一定的几何形状。这种结合模式称为金属键，如图1-8 所示。金属的主要特征可以根据金属键进行解释。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构如金属良好的导电性是自由电子在电场作用下，进行定向加

33、速运动的结果。但随着温度的升高，正离子热振动的振幅和频率都增大，增加了电子定向运动的阻力，而使导电性降低。由于正离子的振动和自由电子的碰撞，都可将热量从高温传递到低温，所以金属有良好的导热性。此外，金属在受到外力作用原子间发生相对位移时，正离子之间始终保持着金属键的结合方式，从而虽然会发生变形但不致断裂，表现出较好的塑性。总之，金属的主要特性及其结晶特点，都与金属键这个结合方式有密切关系。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构 1.2.2 晶格与晶胞为了分析金属内部原子排列情况，可将原子看做固定的小球，如图1-9(a)所示。为了清楚地表明原子在空间的排列规则，可以把原子看成是一个几何质点

34、，把原子之间的相互联系与作用假想为几何直线，这样一来晶体结构就可以直接用几何学来讨论了。这种用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。图1-9(b)是简单立方晶格的示意图。晶体中原子排列规律是具有明显的周期性变化。因此在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。图1-9(c)是一个简单立方晶格的晶胞示意图。晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。在晶体学中，用来描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。包括晶胞的三个棱边a、b、c 和三个棱边夹角,、共六个参数。1.2.3 常

35、见金属的晶体结构 1.体心立方晶格体心立方晶胞如图1-10 所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫做体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。2.面心立方晶格面心立方晶格如图1-11 所示。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和-铁等。密排六方晶格如图1-12 所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于

36、这类晶格的金属有铍、锌、-钛和-铬等。1.2.4 金属的实际晶体结构 1.单晶体与多晶体上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构把晶体看成由原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体，如图1-13(a)所示。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。而一般的金属材料，即使一块很小的金属中也含有许多颗粒状小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而每个小晶体彼此间位向却不同，这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然晶界处的原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总

37、是不规则的。这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。如图1-13(b)所示。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构单晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不相同，即为各向异性。而实际金属是多晶体结构，故宏观上看就显示出各向同性的性能。2.晶体中的缺陷晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。实际上金属由于多种原因的影响，内部存在着大量的缺陷。晶体缺陷的存在对金属的性能有着很大的影响。这些晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。(1)点缺陷最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图1-14 所示。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。上一页下一页返回1.2

38、金属的晶体结构晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。(2)线缺陷晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。刃型位错是在一个完整的晶体的某一部分，上部比下部(或下部比上部)多出一个原子面(图1-15)，这个多余的原子面的下边缘像刀刃一样，垂直地切入晶体之中(图1-16)。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构在围绕位错端部，晶体结构的规则性受到严重干扰，晶格产生歪扭。

39、离端部越远，晶格歪扭程度越小。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。(3)面缺陷面缺陷即晶界和亚晶界。晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图1-17 所示。实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是由许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界，如图1-18 所示。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的

40、强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低、原子扩散速度较快的特点。综上所述，金属的实际晶体结构与理想晶体结构之间的主要区别是，前者存在了各种缺陷。尽管脱离平衡位置的原子最多占原子总数的千分之几，但能对金属的性能(如强度、塑性、电阻等)产生重大影响，而且还会影响到原子扩散、相变等过程。1.2.5 金属的同素异构转变大多数金属凝固后，随温度下降晶格不再发生变化，如铝、铜等。但也有少数金属，如铁、钛、钴等，在凝固后继续冷却时，还会发生晶体结构的变化。上一页下一页返回1.2 金属的晶体结构这种某金属在不同的温度(或压力下)具有不同的晶体结构的现象，称为同素异构转变或称同素异晶性。同素异构转变都

41、是可逆的。在常压下，纯铁在加热或冷却过程中将发生两次同素异构转变。即由1 538 凝固后为具有体心立方晶格的-Fe。在降至1 394 时由-Fe转变为面心立方晶-Fe，在912 时转变为体心立方晶格的-Fe。冷却曲线如图1-19 所示。纯铁的同素异构转变决定了钢和铸铁的组织和性能，是钢铁能通过热处理可以获得多种多样性能的内因和依据，也是钢铁材料用途广泛的重要原因。上一页返回1.3 金属与晶体的结晶金属由液体转变为固体的过程称为凝固。因为金属是晶体，在凝固过程中原子由不规则排列的液态，逐渐转变为有规则排列的晶体状态，因此，通常把金属的凝固过程又称为结晶。金属的晶粒、晶界以及各种晶体缺陷都是在

42、结晶过程中形成的。金属中杂质的存在与分布也和结晶有密切关系。对熔焊过程来讲，焊缝的结晶过程，对焊缝质量及缺陷形成有重要影响。1.3.1 纯金属的结晶 1.纯金属的冷却曲线纯金属由液态向固态的冷却过程，可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线冷却转变曲线来表示，这种方法称热分析法。下一页返回1.3 金属与晶体的结晶所测得的结晶温度称为理论结晶温度(T0)。在实际生产中，纯金属自液态冷却时，有一定冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程是在T1温度进行的，如图1-20 所示。从冷却曲线可以看出，液体金属的温度随时间延长而下降，当冷却到温度T1时结晶开始，这时由于结晶时放出的结

43、晶潜热补偿了散失到外界的热量，曲线上出现一个水平阶段。温度T1即为金属的实际结晶温度。结晶完成后，由于金属继续向外散失热量，温度又重新下降。在温度下降极为缓慢的冷却条件下，得到的结晶温度，称为理论结晶温度T0。但在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都比较大，金属的结晶都要在低于T0的某一温度T1开始。实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差称为过冷度。过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶温度T1就越低，即过冷度T 就越大。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必

44、要条件。2.金属的结晶过程液态纯金属在冷却到结晶温度时，其结晶过程是:先在液体中产生一批晶核，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到全部液体转变成固体为止。最后形成由外形不规则的许多小晶体所组成的多晶体(如图1-21 所示)。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶晶核形成有自发形核与非自发形核两种形式。自发形核又称为均质形核，是指在均匀的液体中，由少量能量较高的液体原子形成晶核的过程。自发形核所需的能量较大，需要较大的过冷度，因而形核的几率很小，在金属结晶的过程中不是主要的形核方式。非自发形核又称非均质形核，是指在金属结晶过程中，晶核依附于液体中存在的固体界面(难熔质点或容器

45、表面)的形核过程，形核所需的过冷度小。在实际生产中，非自发形核是结晶形核的主要形式。晶粒长大可以看做是液体金属中的原子向晶粒表面迁移堆积并结合的过程。晶粒长大的方式主要有平面长大与树枝晶长大两种方式。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶平面长大时，晶体界面始终保持规则的外形，如图1-22(a)所示。树枝晶长大时，晶粒在长大过程中，犹如树枝那样不断分枝，如图1-22(b)所示。在晶核开始长大的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也是比较规则的。随着晶核长大和晶体棱角的形成，棱角处散热条件优于其他部位，因此优先长大，如图1-23 所示。其生长方式，像树枝状一样，先长出枝干，然后再长

46、出分枝，最后把晶间填满，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。实际金属在结晶时，多以树枝晶方式生长。从分析结晶过程可以看到，金属中每个晶粒是由一个晶核成长而成的。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶也就是说，金属的结晶过程是由形核与晶核长大两个阶段所组成。所以，在一定条件下，金属结晶过程能否进行，除了温度外，还决定于是否具备晶核的形成与长大的条件。1.3.2 控制晶粒大小的措施金属晶粒尺寸的大小对力学性能有很大影响。一般来说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。用于高温的金属，则希望获得较粗大的晶粒。既然每个晶粒是由一个晶核长大而成，那么，一定体积内所形成的晶核

47、越多，结晶完成后晶粒的尺寸就越小。因此，控制晶粒的大小，应从控制形核率和晶粒长大速度之间的关系入手。生产中，控制晶粒尺寸的方法如下。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶(1)增加过冷度结晶时增加过冷度T 会使结晶后晶粒变细。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。(2)变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质(变质剂)，在液相中起附加晶核的作用，使形核

48、率增加，晶粒显著细化。如往钢液中加入钛、锆、铝等。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶(3)附加振动金属结晶时，利用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。1.3.3 铸锭的结晶液体金属浇注到钢锭模中，冷却后成为铸锭。铸锭在凝固过程中，由于表面与中心的结晶条件不同，结晶结构是不均匀的。在其横截面上可以看到外形不同、晶粒大小不等的三个晶粒带(图1-24),即外层细晶带、柱状晶带和中心粗大的等轴晶带。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶(1)细晶带的形成高温液体金属刚注入锭模中后，锭模的温度低、

49、散热快，在激冷的作用下形成较多的晶核，粗糙的模壁表面也对形核起了促进作用，大量晶核以枝晶形式迅速向各个方向长大，并很快互相接触而形成外层细晶带。(2)柱状晶带的形成细晶带形成后，壁模温度升高冷却速度降低，过冷度减小，形核速率明显下降，但对晶粒长大速度的影响较小。这时在细晶带的基础上晶粒长大受到周围晶粒的阻碍，只能向垂直于模壁并与散热方向相反的中心进行，形成了具有方向性的柱状晶带。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶(3)等轴晶带的形成随柱状晶的发展，剩余的液体金属冷却速度更低，温度趋于平均，散热方向越来越不明显。此时，被推到液体中心的杂质微粒成为晶核，向各个方向长大，由于晶核数

50、量少，形成了粗大的等轴晶。细晶带一般很薄，对金属性能无明显影响。柱状晶带的晶体本身虽然致密结实，但在晶界常有非金属夹杂物或低熔点杂质集聚，削弱了原子结合力，在热锻、热轧时，容易开裂。因此，对于熔点高、杂质较多的金属和合金(包括钢)，不希望柱状晶发展，而要求得到结合较牢、性能均匀的等轴晶。而对于熔点较低、不含易熔杂质、塑性好的材料，如铝、铜等有色金属及其合金，则要求柱状晶贯穿整个锭体截面。上一页下一页返回1.3 金属与晶体的结晶绝大部分金属在结晶过程中体积要收缩，因此，金属铸锭或铸件的最后凝固部位，由于缺乏液体补充而会形成空穴，称为缩孔或疏松。缩孔体积较大，多位于铸锭上部;疏松体积小且分散

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