金属的性能、结构与结晶
金属的结构与结晶教案
金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。
通过图示展示金属原子的电子排布。
1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。
使用模型或图示来解释金属键的概念。
1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。
利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。
第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。
讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。
2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。
解释晶粒生长和晶界迁移的概念。
2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。
探讨晶界对金属性能的影响。
第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。
使用图示和模型展示位错滑移的过程。
3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。
分析不同晶体结构对塑性变形的影响。
3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。
解释织构对金属性能的影响。
第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。
讨论退火处理对金属性能的影响。
4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。
使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。
4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。
分析时效处理对金属性能的影响。
第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。
使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。
5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。
分析腐蚀过程的基本原理。
5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。
解释各种防护方法的原理和应用。
第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。
金属的结构与结晶
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之 差：ΔT=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。 晶核：形成规则排列的原子集团而成 为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外 来晶核两种。
2、结晶过程 液态金属中原子结晶的过程，即晶核 不断地形成及长大的过程，直到液态金 属已全部耗尽，结晶过程也就完成了， 如图所示。
金属的结构 与结晶
一 金属的结晶结构
一、晶体与非晶体 1.非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况 的，称为非晶体。 如：普通玻璃、松香、树脂等。
2.晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金 属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非 晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
(2)变质处理 在浇注时向液态金属中加入一定的变 质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸 件的整个体积内都能得到均匀细化的晶 粒。 (3)振动 机械振动、超声波振动、电磁振动等， 造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到 细化目的。 此外，还可以采用热处理和压力加工的 方法，使固态金属的粗晶粒细化。
二、同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是一成不变 的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶 格类型都会随温度的升高或降低而发生 改变。一种固态金属，在不同的温度区 间具有不同的晶格类型的性质称为同素 异构性。
单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列 方位完全一致)，如图所示。单晶体必须 专门人工制作，如生产半导体元件的单 晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现 象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金 属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于 各个晶粒位向不同，加上晶界的作用， 这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因 而整个多晶体呈现出无向性，即各向同 性。
3、晶粒大小与机械性能的关系 金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、 硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生 产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以 下几种方法： (1)加快冷却速度 金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动 力增加，生核速率增长要快一些，故过 冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒 较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外 层的晶粒较细，心部则是粗晶。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的不同因此原子结合力也就不同从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具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
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
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。
金属晶体结构及结晶
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物 质的性能。 原子、离子、分子之间的结 合力称为结合键。它们的具 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
第三章金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
绪论,第一章金属的结构与结晶
73
1、过冷现象：金属的实际结晶温度低于 理论结晶温度（熔点）。 2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实 际结晶温度Tn之差。 △T=Tm-Tn>0 3、同一成分的金属，冷却速度愈大，则 过冷度也愈大。 4、临界过冷度（△Tk）：过冷度有一最 小值，若过冷度小于这个值，结晶过程 就不能进行。
74
(二)结晶过程的微观现象
原子密度最大的晶面是（111），
晶向是［110］。
51
52
(四)晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而晶体在不同方向上的性能 有所差异。 如冷轧硅钢片，当易于磁化的〈100〉 晶向平行于轧制方向时，得到优异的磁导 率。
53
§ 1-2金属的实际结构和缺陷
一、多晶体结构 1、单晶体：内部的晶格位向完全一致的 晶体。
九江长江大桥 : 跨度216 米,始建于 1973年12月，1992年公路桥建成通车，
3
§0-2 影响金属材料性能的因素 一、化学成分 组成金属材料的各种元素的种类及其浓 度（一般用重量百分数）。 成分 铝 抗拉强度(MPa) 20-80 延伸率 （%） 32-40
铜
纯铁
200-240
250-330
6
3、显微组织：用100-2000倍的显微镜所观 察到的组织。（反映了晶粒的种类、形状、 大小以及各种晶粒的相对数量和相对分布）
通常所说的组织就是指显微组织。
7
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第一章
金属的结构与结晶
16
§1-1金属的晶体结构 一、晶体的概念 1、晶体：原子(离子)呈规则排列的物质。 2、晶体结构（结构）：构成晶体的原子在 三维空间的具体的排列方式。 3、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间 格子。 建立：原子简化成点，用假想线连接点。
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第一章 金属的性能
一、填空(将正确答案填在横线上。
下同）
1、金属材料的性能一般分为两类。
一类是使用性能,它包括—————————、、————
————和—————————等。
另一类是工艺性能，它包括————————、、————————、————
————和————————等。
２、大小不变或变化很慢的载荷称为———载荷,在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷称为—————载荷，大小和方向随时间发生周期变化的载荷称为—————载荷。
３、变形一般分为—————变形和—————变形两种。
不能随载荷的去除而消失的变形称为—————变形。
４、强度是指金属材料在————载荷作用下,抵抗———————或—————的能力。
5、强度的常用衡量指标有——————和———————,分别用符号———和———表示。
6、如果零件工作时所受的应力低于材料的———————或——————————，则不会产生过量的塑性变形。
7、有一钢试样其截面积为10０mm 2，已知钢试样的 MPa S 314=σ
MPa b 530=σ 。
拉伸试验时，当受到拉力为—————— 试样出现屈服现象,当受到拉力为—————— 时，试样出现缩颈。
８、断裂前金属材料产生—————— 的能力称为塑性。
金属材料的—————— 和——————的数值越大,表示材料的塑性越好。
９、一拉伸试样的原标距长度为50mm,直径为10mm 拉断后试样的标距长度为79ｍｍ,缩颈处的最小直径为4．９ mm,此材料的伸长率为—————，断面收缩率为——————。
10．金属材料抵抗————载荷作用而—————————能力。
称为冲击韧性。
１1.填出下列力学性能指标的符号：屈服点———，抗拉强度————，洛氏硬度Ｃ标尺————,伸长率———,断面收缩率————，冲击韧度————,疲劳极限————。
二、判断（正确打√，错误打×。
下同) １、弹性变形能随载荷的去除而消失。
（ ）
2、所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。
（ )
3、材料的屈服点越低，则允许的工作应力越高。
( ）
4、洛氏硬度值无单位。
( ）
5、做布氏硬度试验时,当试验条件相同时，其压痕直径越小,材料的硬度越低。
( ）
6、材料对小能量多次冲击抗力的大小主要取决于材料的强度和塑性。
（ ) ７、布氏硬度测量法不宜于测量成品及较薄零件。
( ）
8、洛氏硬度值是根据压头压入被测定材料的压痕深度得出的。
( ) 9、铸铁的铸造性能比钢好，故常用来铸造形状复杂的工件。
三.选择(把正确答案填入括号内。
下同)
１、拉伸试验时,试样拉断前所能承受的最大应力称为材料的（)。
Ａ.屈服点B．抗拉强度弹性极限
2、做疲劳试验时，试样承受的载荷为(）
A.静载荷
B.冲击载荷．C交变载荷
3、洛氏硬度C标尺所用的压头是()
A..淬硬钢球
B.金刚石圆锥体Ｃ.硬质合金球
4.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）
A..塑性Ｂ.硬度 C.强度
5．用拉伸试验可测定材料的（)性能指标。
A.．强度Ｂ．硬度Ｃ.韧性
四．名词解释
1．弹性变形与塑性变形
2．疲劳极限与抗拉强度
五.简述
１.画出低碳钢力—伸长曲线,并简述拉伸变形的几个阶段。
2.什么是塑性？塑性对材料的使用有什么实用意义？
第二章金属的结构与结晶
一、填空
1．原子呈无序堆积状况的物体叫————————。
原子呈有序有规则排列的物体称
为
———————。
一般固态金属都属于
———————。
—
２.在晶体中由一系列原子组成的平面，称为
——————。
通过两个或两个以上原
子中心的直线,可代表晶格空间排列的
——————的直线,称为
——————。
3.常见的金属晶格类型有————————、———————和———————三种。
铬属于———————
晶格，铜属于
———————晶格，锌属于
———————
晶格。
4.金属晶体结构的缺陷主要有——————、——————、——————、——————、——————
和
——————等。
晶体缺陷的存在都会造成
——————
，使
——————
增大,从而使金属的
—
—————
提高。
7．————————与———————之差称为过冷度。
过冷度的大小与———————有关，————
———越快，金属的实际结晶温度越
———————
，过冷度也就越大。
8．金属的结晶过程是由——————和———————两个基本过程组成的。
9.金属在————态下,随温度的改变,由——————转变为———————的现象称为同素异构转变。