金属材料的结构与性能.doc

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第一章 材料的性能

第一节材料的机械性能

一、强度、塑性及其测定

1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。

材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。

常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。

2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。

二、硬度及其测定

硬度是衡量材料软硬程度的指标。

目前，生产中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。

此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。

因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。

硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。

此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。

三、疲劳

机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。

疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。

四、冲击韧性及其测定

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。

。

为评定材料的性能，需在规定条件下进行一次冲击试验。

其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。

五、断裂韧性

材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。

它是材料本身的特性。

六、磨损

由于相对摩擦，摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。

引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。

按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大基本类型。

第二节 材料的物理化学性能

1、物理性能：

材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。

不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不相同。

2、 化学性能：

材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。

第三节 材料的工艺性能

一、铸造性能：

铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。

二、可锻性能：

可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。

三、焊接性能：

焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。

四、切削加工性能：

切削加工性能是指材料是否易于切削。

五、热处理性能：

人处理是改变材料性能的主要手段。

热处理性能是指材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向。

第二章 材料的结构

第一节 材料的结合键

各种工程材料是由不同的元素组成。

由于物质是由原子、分子或离子结合而成，其结合键的性质和状态存在的区别。

一：

化学键

1：

共价键

2：

离子键

3：

金属键

4：

范德。

瓦尔键

二：

工程材料的键性

化学键：

组成物质整体的质点（原子、分子、离子）间的相互作用力，成为化学键。

1：

共价键：

有些同类原子，例如周期表Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族中大多元素或电负性相差不大的原子相互接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键，如金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。

2：

离子键：

大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不导电的，熔融时可以导电。

这类化合物为离子化合物。

当两种电负性相差大的原子（如碱金属元素与卤素元素的原子）相互靠近是，其中电负姓小的原子失去电子，成为正离子，电负姓大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。

离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大，是良好的绝缘体，是无色透明的。

3：

金属键：

当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动形成电子气。

这种由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合称为金属键。

用金属键可以粗略地解释金属的一般特性：

1。

良好的导电性和导热性2。

正的电阻温度系数3。

良好的延展性4。

金属不透明并呈现特有的金属光泽。

4：

范得.瓦尔键：

许多物质其分子具有永久性。

分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德。

瓦尔键也叫分子键。

分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低。

金属与合金这种键不多，而聚合物通常链内是共价键，而链与链之间是范得瓦尔键。

二：

工程材料的键性

在实际的工程材料中，原子（或离子、分子）间相互作用的性质，只有少数是上术四种键型的极端情况，大多数是这四种键型的过渡。

如果以四种键为顶点，作个四面体，就可把工程材料的结合键范围示意在四面体上。

第二节 材料的晶体结构

一：

晶体与非晶体

1：

晶体

2：

非晶体

二：

金属晶格的基本类型（重点掌握）

1：

体心立方晶格

2：

面心立方晶格

3：

密排立方晶格

三：

晶格的致密度及晶面与晶向指数

1：

晶格的致密度

2：

晶面及晶向指数

四：

晶体的各向异性

一：

晶体与非晶体

1：

晶体：

物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体，如水晶、食盐、黄铜矿等。

2：

非晶体：

非晶体在整体上无序的，当原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察还有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有序。

二：

金属晶格的基本类型

1：

体心立方晶格：

具有体心立方晶胞的金属有α－Fe，W，Mo，V，Cr，β-Ti等。

2：

面心立方晶格：

具有面心立方晶格的金属有γ－Fe，Al，Au，Pb，β-Co等。

3：

密排六方晶格：

三：

晶格的致密度及晶面和晶面指数

1：

晶格的致密度

1） 致密度：

晶格中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。

致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。

2） 配位数：

所谓配位数即指晶格中任一原子周围紧邻的最近且等距离的原子数。

配位数越大，原子的排列就越紧密。

2：

晶面和晶面指数：

在金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面，称为晶面。

通过两个以上原子中心的直线，表示了晶格空间的各个方向，称为晶向。

1）：

晶面指数：

确定晶面指数的方法包括如下三个步骤：

（1）：

设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边做OX，OY，OZ三坐标轴，以晶格常数a，b，c分别作出相应的三个坐标轴的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐轴上的截距；

（2）：

将所得三截距之值变为倒数；

（3）：

再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上圆括号，既为晶面指数。

晶面指数的一般形式用（hkl）表示。

2）：

晶向指数：

晶向指数确定的方法是：

（1）：

通过坐标原点引一条直线，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，加上方括号，即为所求的晶面指数；

3：

晶面及晶向的原子密度：

所谓某晶面的原子密度即指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。

四：

晶面的各向异性

由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同，因此在晶体中不同的晶面和晶向上原子结合力也就不同，从而在不同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。

第三节实际金属的晶体结构及晶体缺陷

一：

多晶体结构与亚结构

1：

多晶体的概念

2：

亚结构

二：

晶体缺陷

1：

点缺陷－空位和间隙原子

2：

线缺陷－位错

3：

面缺陷－晶界和亚晶界

一：

多晶体的结构和亚结构

1：

单晶体与多晶体

如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致时，我们称这块晶体为“单晶体”。

2：

亚结构

在实际金属晶体中，一个晶粒内部，其晶格位向也并不是像理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小。

位向差也很小（一般为几十分到1~2度）的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构（或称亚晶粒、镶嵌块）。

二：

晶体缺陷

根据缺陷产生的原因，分为热缺陷、杂质缺陷和非化学计量结构缺陷（即电荷缺陷）。

1、热缺陷：

当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。

如Frankel缺陷、Schttky缺陷。

2、杂质缺陷：

杂质原子进入晶体而产生的缺陷。

原子进入晶体的数量一般小于0.1%。

种类——间隙杂质、置换杂质。

特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。

存在的原因——本身存在或有目的加入（改善晶体的某种性能）。

3、非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）：

存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。

价带产生空穴，导带存在电子，产生附加电场，周期排列不变、周期势场畸变、产生电荷缺陷。

根据应力集中原理物体内部应力越大，破坏该物体所需的外力就越小。

1：

点缺陷－空位和间隙原子。

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，这种空着的位子称为“空位”。

同时又可能在个别晶格间隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙之间的原子称为“间隙原子”。

这种晶格中原子偏离平衡位置的现象称为晶格畸变。

2：

线缺陷－位错

线缺陷即晶格中的＂位错线＂，或简称为＂位错＂。

所谓位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果，晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错。

3：

面缺陷－晶界和亚晶界

面缺陷即晶界和亚晶界，这两种晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的，但在小角度位向差的亚晶界情况下，则可把它看成是一种位错线的堆积或称“位错壁”。

通过上述讨论可见，凡晶体缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属物理。

化学和机械性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度愈高。

第四节合金的晶体结构

一：

合金的概念

1：

合金

2：

相

二：

合金的相结构

1：

固溶体

2：

金属化合物

一：

合金的概念

1：

合金的概念

1）：

合金：

由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。

2）组元：

组成合金最基本的，独立的物质叫组元。

组元通常是元素，但也可以是稳定的化合物。

根据组成合金数目的多少，合金可以分为二元合金，三元合金和多元合金等。

2：

相：

合金中具有一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。

合金中相和相之间有明显的界面。

二：

合金的相结构

1：

固溶体：

当合金有液态结晶为固态时，组成元素间会像合金溶液那样相互溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相，称为固溶体。

1）：

固溶体的结构与分类：

按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，将固溶体分为以下两类：

<1>：

置换固溶体：

当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体。

<2>：

间隙固溶体：

若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点的位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体。

2）：

固溶体的性能：

通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

固溶强化是材料的一种主要的强化途径。

2：

金属化合物：

金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般具有复杂的晶格结构、熔点高、硬而脆。

当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度，硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

1）：

正常价化合物：

金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型。

组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示。

正常化合价具有很高的硬度和脆性，在合金中，当它在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化，因而起着强化相的作用。

2）：

电子化合物：

它们与正常价化合物不同，