金属材料的结构与性能
第1章金属材料的性能与结构
1．晶体结构的基本知识
由于晶体原子排列呈周期性，因此， 可以从晶格中选取一个能够完全反应晶 格中原子排列特征的最小的几何单元， 来分析晶体中原子排列的规律性，这个 最小的几何单元称为晶胞 。
1．晶体结构的基本知识
晶格
晶胞
1．晶体结构的基本知识
Z c
α
β a
X a γ
b
Y
图1-9 晶胞的晶格常数和轴间夹角的表示法
（）
MPa
b
s
e
b
s
e
应变（%）
图1-2 单轴拉伸曲线示意图
2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 塑性是指金属材料在外力作用下，发生 永久变形而不破坏的能力。在工程中常用 塑性指标来判断金属材料的可成形性，常 用伸长率和断面收缩率来表征。 伸长率指试样在拉伸过程中，拉断标距长 度的延长值（见图1-1）与原始标距长度的 比值，即：
1.2.1 金属
在固态金属中，吸引力与排斥力的大 小以及它们的结合能量都随原子间距离 的变化而发生改变。这样就存在一个原 子间距，此时原子间相互排斥力与吸引 力相等，原子处于稳定平衡状态，该原 子间距即为平衡距离，这时原子之间的 结合能为最低，系统此时最稳定。
1.2.2 金属的晶体结构
1．晶体结构的基本知识 2. 常见金属的晶体结构 3. 晶面指数和晶向指数
第1章 金属材料的性能与结构
§1.1 金属材料的性能 §1.2金属的晶体结构
§1.3合金的相结构
1.1 金属材料的性能
金属材料是金属元素或以金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色 金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰； 其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其 合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物 理化学性能、工艺性能、经济性能等。
金属材料的结构和力学性能
金属材料的结构和力学性能金属材料是人类社会发展过程中不可或缺的重要材料之一。
它们以其独特的结构和力学性能，广泛应用于工业、建筑、交通等领域。
本文将探讨金属材料的结构和力学性能，并探索其在不同领域中的应用。
一、金属材料的结构金属材料的结构是由金属原子的排列方式决定的。
一般来说，金属材料的结构可以分为晶体结构和非晶体结构两种。
晶体结构是指金属原子按照一定的规律排列形成的结构。
最常见的晶体结构是面心立方结构、体心立方结构和简单立方结构。
在面心立方结构中，金属原子分布在一个立方体的八个顶点和六个面心上；在体心立方结构中，金属原子分布在一个立方体的八个顶点和一个立方体的中心；在简单立方结构中，金属原子仅分布在一个立方体的八个顶点上。
这些结构的不同排列方式决定了金属材料的性能。
非晶体结构是指金属原子的排列方式没有规律性。
它们通常具有高度的无序性和非晶性，使得金属材料具有特殊的性能，如高硬度、高强度和高韧性。
非晶体结构常见于特殊的金属合金中，如玻璃金属。
二、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
主要包括强度、韧性、硬度和延展性等指标。
强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力。
它可以分为屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。
屈服强度是指金属材料开始发生塑性变形时所承受的最大应力；抗拉强度是指金属材料在拉伸过程中承受的最大应力；抗压强度是指金属材料在压缩过程中承受的最大应力。
这些强度指标直接影响金属材料的使用范围和承载能力。
韧性是指金属材料在受力过程中能够吸收能量的能力。
它是金属材料抵抗断裂的能力的重要指标。
韧性高的金属材料具有较好的抗冲击性和抗疲劳性。
硬度是指金属材料抵抗局部塑性变形的能力。
硬度高的金属材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性。
延展性是指金属材料在拉伸过程中能够发生塑性变形的能力。
具有良好延展性的金属材料可以在外力作用下发生较大的变形而不破裂。
三、金属材料的应用金属材料的结构和力学性能使其在各个领域中得到广泛应用。
金属材料与合金材料的结构与性能
金属材料与合金材料的结构与性能金属材料和合金材料是工业中常用的材料类型，它们具有广泛的应用领域和优良的性能。
本文将探讨金属材料和合金材料的结构与性能，以及它们的应用。
一、金属材料的结构与性能金属材料的结构主要由金属原子的排列方式决定。
金属原子由金属键连接在一起，形成晶体结构。
常见的金属结构有面心立方、体心立方和密排六方等。
这些结构都具有较高的结晶度和金属键的强度，使金属材料具有以下性能：1. 优良的导电导热性能：金属材料中的自由电子在外电场或温度梯度下能够自由移动，因此金属具有良好的导电导热性能，可广泛用于电子、电力等领域。
2. 良好的塑性和可加工性：金属材料的晶体结构中存在晶界和位错，使其具有良好的塑性和可加工性，可通过冷、热变形进行塑性变形加工，如拉伸、压缩、锻造等。
3. 高强度和韧性：金属材料的晶界和位错可以阻碍原子滑移，增加其强度和韧性。
此外，金属材料还可以通过热处理等方法增强其强度和韧性。
4. 耐磨蚀和耐腐蚀性：金属材料在一定条件下具有一定的耐磨蚀和耐腐蚀性能，可用于制造机械零部件、化工设备等耐久性要求较高的领域。
二、合金材料的结构与性能合金材料是由两种或更多金属元素形成的固溶体或化合物。
合金材料的结构与性能由原子的尺寸、电子结构和金属间的相互作用等因素决定。
1. 固溶体型合金：固溶体型合金中，多种金属原子在晶格中均匀混合。
这种合金通常具有以下性能：a. 良好的强度和韧性：不同种类的金属原子能够阻碍位错的移动，增加合金的强度和韧性。
b. 改变金属特性：合金中不同金属原子的化学性质和晶体结构的差异，使合金的硬度、磁性、导电性等特性得到改变。
2. 化合物型合金：化合物型合金由两种或多种金属元素形成的化合物组成。
这种合金通常具有以下性能：a. 高硬度和高强度：化合物型合金的晶格中存在复杂的离子键和共价键，使其具有较高的硬度和强度。
b. 特殊的物理特性：由于化合物型合金的晶体结构具有特殊的性质，如形状记忆效应、超导等。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构晶体结构是金属材料中最基本的组织结构。
金属材料的晶体结构是由原子通过化学键的方式排列而成的。
金属晶体结构通常为紧密堆积或者是面心立方结构。
紧密堆积的晶体结构中，原子分布紧密，没有空隙，金属的密度较高。
而面心立方结构中，每个原子周围都有最靠近的三个原子，因此，金属的面心立方结构也是最密堆积的结构之一、晶体结构的不同将导致金属的性能也有所不同。
晶粒结构是金属材料中相当重要的组织结构。
晶粒是由具有相同晶体结构的晶体单元构成的。
在金属材料加工过程中，晶粒会逐渐生长，最终形成多个晶粒相邻而不连续的结构。
晶粒的大小和形状对金属的性能非常重要。
晶粒尺寸越大，金属的强度就越低，但是其塑性和韧性会增加；而当晶粒尺寸较小时，金属的强度会提高，但是韧性和塑性会降低。
晶粒形状的不均衡也会对金属的性能产生重要影响。
晶粒中的缺陷（如晶界、孪晶等）也会影响金属的强度和韧性。
相结构是金属材料中不同组分的混合结构。
金属材料可以由一个或者多个相组成。
相是指具有相同化学成分和结构的区域。
在金属材料中，不同相之间的晶粒大小和分布状态也会影响材料的性能。
例如，在金属合金中，可以通过控制相的种类和分布来调节材料的硬度、强度、抗腐蚀性等性能。
除了上述的基本组织结构外，金属材料中还存在一些其他的组织结构，如晶体缺陷、析出物和纹理等。
晶体缺陷是指晶体中的缺陷或者杂质。
晶体缺陷的种类包括点缺陷（如空位、间隙原子等）、线缺陷（如晶界、位错等）和面缺陷（如孪晶界等）。
晶体缺陷会影响金属的力学性能和电学性能。
析出物是金属中的第二相，它们通过固溶度和固相反应形成。
析出物的尺寸和形状也会影响材料的性能。
纹理是指金属材料中晶粒的方向分布，它会对材料的机械性能、磁性能等产生影响。
综上所述，金属材料的组织结构对其性能和用途有着重要影响。
晶体结构、晶粒结构和相结构是金属材料的基本组织结构。
晶体结构决定了金属的原子排列方式，晶粒结构影响金属的强度和韧性，相结构调节金属的性能调节。
金属材料的结构、组织与性能
1. 晶体和金属的特 性
原子在空间呈 规则排列的固体物 质称为“晶体”， 如图1-1a所示。晶 体具有固定的熔点。
图1-1 晶体中原子排列示意图
32
金属原子结合方式-----金属键
金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正 离子按一定规则排列并在固定位置上作热振动，自由电子在各 正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子 云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起 来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称 为“金属键”。
非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。
34
2. 晶格、晶胞和晶格常数
为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个 原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这 些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的 空间格子，称为“晶格”，如图1-1b所示。
晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基 本几何单元称为“晶胞”，如图1-1c所示。晶胞的大小以其各边 尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以(A埃 )为单位。 (1埃A =1×10-8 cm)
图1-7 立方晶系的一些晶向指数
36
（2）立方晶系的晶面指数 晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数 通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标 轴的截距来决定。晶面指数形式为(h k l)，按如下步骤确定：
1）建坐标；
2）求截距；
3）取倒数并化整，放圆括号
( )内，即得。
图1-11 晶界和亚晶界
44
（2）晶格缺陷
实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等的影响，使原子的排列规则受 到破坏，这种不规则的区域称为晶格缺陷。根据其几何特点，可分为三类。
24种常用金属材料的性能和用途
24种常用金属材料的性能和用途1、45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。
小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。
应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。
轴、齿轮、齿条、蜗杆等。
焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。
2、Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。
应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。
如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。
3、40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。
应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。
4、HT150——灰铸铁应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等。
5、35——各种标准件、紧固件的常用材料主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。
冷态下可局部镦粗和拉丝。
淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件。
金属材料的结构和性能分析
金属材料的结构和性能分析金属材料是人们广泛应用的一类材料，它们具有较高的强度、塑性和导电性等特点，适用于制作各种零部件、机器、设备、工具等。
然而，金属材料的性能受其结构的影响较大，不同的结构会导致材料的性能有所不同。
因此，对金属材料的结构和性能进行分析对于选择合适的材料、设计合理的零部件、预测材料的工作寿命等方面均有指导意义。
一、金属材料的结构在金属材料中，原子呈现出有序和规则的排列状态。
这种颗粒有序排列的状态被称为晶体。
晶体中的原子受力形成了一种三维周期结构，其外形规则，呈现出多面体结构。
这种结构具有各向同性（性质与方向无关）的特点。
晶体结构分为立方晶系、四方晶系、六方晶系、三斜晶系、正交晶系和单斜晶系等六类结构。
不同的晶体结构会导致材料的性质发生变化，这也为材料的选择提供一定的依据。
例如，铝、铜、银等材料属于面心立方晶系结构，具有良好的塑性和导电性，适用于制作各种常规零部件。
而碳化硅、硅等材料则采用六方晶系结构，具有良好的高温性能和耐腐蚀性能，适用于制作高温加热元件和耐腐蚀零部件。
二、金属材料的性能金属材料的性能主要包括力学性能、塑性和热性能等方面。
这些性能直接影响着材料在使用时的表现和寿命。
以下是一些常见的金属材料性能分析：1.力学性能力学性能是指材料在受到外力作用下产生的变形、强度以及疲劳寿命等方面的性能。
其中，强度是材料承受外力的能力，通常有屈服点、断裂点等指标来表示。
而变形指材料受到外力时，发生的塑性和弹性变形，这会直接影响着材料在使用时的表现。
此外，疲劳寿命则是材料在反复受到载荷作用下的寿命，该指标与零部件的使用寿命密切相关。
2.塑性塑性是指材料在受力作用下向任意方向发生塑性变形的能力。
由于金属材料的晶体结构具有各向同性的特点，其塑性也表现为各向同性。
材料的塑性不仅可以通过其晶体结构来调控，也可以通过掺杂、热处理等工艺手段来调节。
塑性是金属材料最基本的性能之一，它影响着材料的加工性、成形性以及材料的通用性。
金属材料的微观结构与性能
金属材料的微观结构与性能金属材料是一类常见的构件材料，其具有硬度高、强度大、延展性好等特性，因此得到了广泛应用。
然而，这些特性并非凭空而来，而是由金属材料的微观结构和性能相互关联而成。
本文将探讨金属材料的微观结构与性能之间的关系。
一、金属的结晶结构金属材料是由某些金属元素按照一定比例混合而成的，其晶体结构是由多个原子按照特定规律有序排列而成的。
一般情况下，金属的晶体结构可以分为面心立方体结构、体心立方体结构、六方最密堆积结构等多种类型。
在这些结构中，原子之间的键强度以及原子排列的方式决定了金属材料的硬度、强度等性能特征。
二、晶体缺陷对金属性能的影响微观结构中存在着多种晶体缺陷，如位错、晶界、空洞等，这些缺陷不仅在生产过程中产生，也会在使用过程中逐渐形成。
晶体缺陷的存在常常会影响金属材料的性能。
以位错为例，它是由于晶体中形成了一条断裂层，破坏了晶体原本的完整性，使得位于位错周围的晶体处于应变状态。
当外力作用时，在位错处就容易产生塑性变形。
因此，在晶体缺陷的存在下，金属材料的塑性和韧性能得到了提高。
三、相变与金属材料性能的变化金属材料的微观结构是可以随着温度的变化而发生相应的变化，此时金属材料也会表现出不同的性能特征。
例如在加热过程中，当温度达到一定值，原本的晶体结构会产生相变，晶体结构变得更加有序，同时也伴随着性能的改变。
举个例子，铝被加热到一定温度后，会从面心立方晶体结构相变成为体心立方晶体结构，此时铝材料的硬度和强度会有所提高。
四、微观结构的控制正如上述所示，金属材料的微观结构直接影响着其性能特征。
因此，金属材料的性能控制通常也是对其微观结构的控制。
其中最重要的手段是热处理工艺，通过热加工来改变材料的组织结构和化学成分，以期达到理想的性能目标。
在热处理过程中，对于金属材料中的晶界、位错等缺陷也可通过特定手段进行控制和改善。
总之，金属材料的微观结构与性能的关联是密不可分的。
在日常应用中，我们需注意微观结构的变化，以期最大程度地发挥金属材料的性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。