工程材料学--金属基础理论
§ 5. 1金属材料的基础知识.docx
§ 5. 1金属材料的基础知识§ 5. 1. 1金属结构的基本知识不同的金属材料有不同的性能，甚至同一种金属在不同条件下（例如受力、受热及不同加T 状态 等），其性能也不相同，这与金属及合金的内部结构和引起内部结构齐种变化的外因有关。
金属是由原子在空间呈有规则排列的集合体即晶体构成的，晶体有一定的熔点并 具有各向异性（即在不同方向受力吋表现出不同的机械性能，或在不同方向上对 超声波有不同的传播速度，或者对X 射线表现有不同的吸收或衍射等等）。
人多 数的金属和合金都属于多晶结构，亦即由许多方位不同的晶粒组成，称为多晶体, 由于各向异性被相互抵消而表现为各向同性（在各个方向上的机械性能，或者对 超声波的传播速度，或者对射线的吸收或衍射等有和同的表现），即所谓的“伪 等向性”。
晶体是山原了堆积而成的，山于原了空间排列方式的不同而将形成不同的晶格，主要的晶格形式 有：体心立方晶格：例如910°C 以下的铁（称为a-Fe ）和1394°C 以上的铁（称为o-Fe ）,以及室温 下的锯、鸭、钢、帆等元索。
面心立方晶格:例如910°C'、1390°C 的铁（称为Y-Fe,与前面所述的a-Fe 和。
-Fe 称为铁的同 索异构转变），以及室温下的铜、線、金、银、铝等。
密排六方晶格：例如镁、锌、镉、彼、钛等。
不同的晶格其原子排列规则与紧密程度不同，因而使不同金属的塑性、强度、热处理、合金化效 果以及其他物理化学性能等冇明显的不同，即使在相同晶格类型的情况下，视元索的原子宜径大 小和原子间的中心距离（晶格常数）不同，各原子包含的电子数不同，其性能仍有很大差别。
晶体的形成是在金属从液态转变到固态的凝固过程中进行的，此过程称为金属的结晶过程。
结晶 过程不同，形成的晶体结构不同，因而将有不同的性能。
金属的结晶过程可以分为三个步骤：晶核的形成；围绕晶核的长大与晶粒形成；各单独的小晶体 长大而相互接触，最终联结成整体（固体形成）。
金属学基础知识
共析钢、亚共析钢、过共析钢1. 共析钢碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α——铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ——铁中的固溶体叫奥氏体。
铁素体和奥氏体都具有良好的塑性。
当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将和铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。
从反映钢的组织结构和钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。
即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织和纯金属的相变类似。
基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。
即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。
2. 亚共析钢常用的结构钢含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于12%，于是铁素体除去一部分要和渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体+珠光体。
碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析钢。
3. 过共析钢工具用钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过12%，所以除和铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+ 渗碳体。
这类钢统称为过共析钢。
二、有关钢材机械性能的名词1.屈服点（σs）钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，Mpa 称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2.屈服强度（σ0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。
工程材料学有色金属
第二节 铜及铜合金
一、工业纯铜
牌号 T1－T4 铜含量为99.95－99.5％。纯铜有玫瑰红色，表面 形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。
成分 铜为主体 + 为杂质，其中常见元素 T1
有Pb、Bi、O、S、P等，它们降低了材料 T2
的导电、导热性能,特别是高温或低温下 明显降低了材料的塑性。
T3 T4
99.95% 99.90% 99.70% 99.5%
用途 T1、T2用于电工导体材料，制作电线、电缆、电气开关、 导电垫圈、螺杆等。T3、T4为一般用铜材，制作油管、油嘴 等。
用于真空电气元件的纯铜，还需要经过还原气氛保护熔炼得到 的无氧铜，以及用P或Mn进行脱氧铜。
13
第二节 铜及铜合金
二、黄铜（Cu-Zn合金)
一、工业纯铝
1．性能特点
①比重小、比强度高 铝的密度(比重)为2.7g/cm3，仅为钢的 三分之一，铝合金经处理后，单位质量材料能承受的载荷 远大于高强度钢。
②优良的物理、化学性能 铝的导电性和导热性仅次于Ag、Cu、 Au，但单位重量的导电能力却是铜的200％。铝表面可生成 致密的氧化膜，可以有效的抵抗大气腐蚀，但不耐酸、碱、
号越大纯度越高。主要用来制作铝箔、电容器、科研材料。 工业纯铝 L1、L2、L3、L4、L5，纯度从99%－98％，编号越大
纯度越低。主要用来制作电线、电缆、器皿等。纯铝的强度 较低，一般不用来制作机械构件。
按GB/T8063－1994对铸造纯铝规定为ZAl99.5，数字表示 铝含量的百分数。
按GB/T16474－1996对变形纯铝规定为1A93，数字表示铝 含量的百分数99.93％中小数点后的数字。
4
第一节 铝及铝合金
第一章金属材料的基础知识PPT课件
3.按冶炼方法分类： 按炉别分：
转炉钢 转炉为梨形容器，因装料和出钢时需倾转炉体而得名。
电炉钢 电炉钢 主要是各种炼各种优质合金钢，它利用电极与炉
料之间的电弧产生的热量完成熔炼的过程。 4. 按脱氧程度和浇注制度分：
沸腾钢 脱氧不完全的钢，因为这种钢液在钢锭模中冷凝时残
存的氧与碳发生反应。
FeO + C → Fe +CO CO气体使钢沸腾。 镇静钢 脱氧完全，基本上没有上述反应，钢液平静。 半镇静钢
只有一种金属元素的物质叫纯金属 由两种或两种以上的金属元素（或
金属与非金属元素）熔合在一起形 成的具有金属特性的物质叫合金。
7
金属材料就是指金属及合金。
当各个金属原子相互在一起形成固体
时，各金属原子与其价电子脱离变成
正离子，按照一定的几何形式排列，
并在其占据的位置上作高频率的振动,
价电子呈自由电子的形式在各离子间
27
炼钢炉中加入石灰是为了除去对钢的性质很 有害的S、P等杂质。 P2O5 +3CaO =Ca3(PO4)2 SiO2 + CaO = Ca SiO3 SO2 + CaO +O2 =Ca SO4 MnO + SiO2 =Mn SiO3
氧化后生成的CO气体很容易除去，其他氧化 物在熔剂的作用下变成熔渣除去。所有的 氧化反应都是强放热反应，能保持高温而 无须另外加热。
22
用纯氧代替空气可以克服由于空气 里的氮气的影响而使钢质变脆，以及 氮气排出时带走热量的缺点。在除去 大部分硫、磷后，当钢水的成分和温 度都达到要求时，即停止吹炼，提升 喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜， 钢水从出钢口注入钢水包里，同时加 入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水 合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭， 钢锭可以再轧制成各种钢材。
02第二章金属材料的基础知识-工程材料资料
§2.2合金的相结构
合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特 性的物质。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与 非金属。 组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。
Al-Cu两相合金
所谓相是指金属或合金中凡成分 相同、结构相同，并与其它部分 有界面分开的均匀组成部分。
显微组织实质上是指在显微镜下 观察到的金属中各相或各晶粒的 形态、数量、大小和分布的组合。
三斜
2.三种典型的金属晶体晶胞 1）体心立方晶胞BCC Body Centered Cube
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径：r 3 a 4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、
W、Mo、V、Nb等
b）面心立方晶胞FCC Face-Centere Cube
晶格常数：a
金属中的位错密度为104~1012 /cm2 。 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运
动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
从 - 关系可以看出，减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错（ 白点为原子）
固态合金中的相分为固溶体和金 属化合物两类。
1、固溶体 组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元 之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂 B：溶质
①分类 a.按溶质原子的位置分 置换固溶体 其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的
固溶体。晶格类型相同,原子半径相差 不大,电化学性质相近. 间隙固溶体 溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位 置中的固溶体， 原子半径较小。 b.按溶解度分 有限固溶体 无限固溶体 c.按分布有序度分 有序固溶体 无序固溶体
金属材料基础知识
金属材料基础知识1. 引言金属材料是人类使用最广泛的材料之一，应用于各种领域，如建筑、航空、汽车、电子等。
本文将介绍金属材料的基础知识，包括金属的特性、组织结构、合金等方面。
2. 金属的特性金属具有许多独特的特性，如良好的导热性、导电性、延展性和塑性。
这些特性使得金属成为制造各种器件和构件的理想选择。
此外，金属还具有良好的强度和硬度，能够承受较大的载荷。
3. 金属的组织结构金属的组织结构是由金属原子的排列方式和晶体结构决定的。
常见的金属组织结构包括等轴晶粒、柱状晶粒和层状晶粒。
这些结构对金属的性能有着重要影响，不同的结构具有不同的力学性能和导电性能。
4. 金属的力学性能金属的力学性能包括强度、硬度、韧性和延展性等。
强度是指金属抵抗外力破坏的能力，硬度是指金属表面抵抗变形和划伤的能力，韧性是指金属在断裂前能吸收外部能量的能力，而延展性是指金属的拉伸或扭曲变形能力。
5. 金属的热处理金属的热处理是通过控制金属的加热和冷却过程来改变金属的性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火和回火。
退火可以提高金属的韧性和延展性，淬火可以提高金属的硬度和强度，回火可以降低金属的脆性。
6. 金属的腐蚀与保护金属容易遭受腐蚀，导致金属的性能下降甚至损坏。
为了保护金属材料，可以采取物理防护和化学防护措施。
物理防护包括涂层和电镀等，化学防护包括阳极保护和缓蚀剂等。
7. 合金的应用合金是由两种或更多种金属元素混合而成的材料。
通过改变合金的成分和比例，可以获得不同的性能。
合金常用于耐高温、耐磨损等特殊环境的应用，如航空发动机、汽车发动机等。
8. 小结金属材料是具有特殊特性和广泛应用的材料。
了解金属材料的基础知识对于正确选择和使用金属材料至关重要。
本文介绍了金属的特性、组织结构、力学性能、热处理、腐蚀与保护以及合金的应用等方面的知识，希望对读者有所帮助。
通过深入学习和研究金属材料，我们可以更好地利用金属的优势，推动技术和社会的发展。
金属材料的基础知识PPT教案
第14页/共80页
σ(F)
σb
b
σσs e
s e
k
(ΔL)
ε
图1－2 低碳钢拉伸曲线
第15页/共80页
2. 塑性变形
（1）屈服强度 ➢ 屈服点：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒
定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线 上s点对应的应力为屈服点。
σs=Fs/S0 式中 σs——屈服点（ MPa ）；
小
洛氏硬度的优点。
负 荷
显微维氏硬度计
维
氏
硬
度
计
第32页/共80页
维氏硬度也可按对角 线的d值从表中查出，d 值为两对角线的算术平 均值。维氏硬度的结果 表示方法为：
硬度值+HV+试验载 荷／+载荷保持时间 （10~15秒不标注）。
例如，640HV30／20 表示在试验力30kgf作 用下保持载荷20秒测 定的维氏硬度值为640。
钢
➢ 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB
黄铜 球墨铸铁
对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB
HB
对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
第26页/共80页
2）洛氏硬度
Hale Waihona Puke ➢ 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 ➢ 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的
1.拉伸试验
➢ 拉伸试验： 即静拉伸力对试样轴向拉伸, 测量力和相应的伸长,一般拉 至断裂以测定其力学性能的 试验。
第7页/共80页
拉 伸 试 验 机
第8页/共80页
随所受外力的增加，金属相继产生三 种行为 ：弹性 变形、 塑性变 形、断 裂
工程材料基础第2章 金属学基础知识
晶核棱角处的散 热条件好、生长 快，先形成枝干， 而枝干间最后被 填充
金属的结晶
与结晶有关的概念
形核率（N）
N
晶核形成的数目 单位时间 单位体积
(
s
数 mm
)
长大速度（G）
G
晶核长大线速度 单位时间
( mm ) s
N、G 越大，结晶越快
孕育期（τ） ——金属液体达到结晶温度后
a＝b＝c
a＝b＝c
α＝β＝γ＝90℃ α＝β＝γ＝90℃
晶胞内原子数
原子半径 致密度 配位数
典型金属
0.68
0.74
反映原子排列紧密程度
8
12
α-Fe、Mo、W、 V、Cr、β-Ti
γ-Fe、Al、Cu、 Ni、Au、Ag
a＝b c/a＝1.633 α＝β＝90 ℃ γ＝120℃
0.74 12 Mg、Zn、Be、 Ca、α-Ti
合金 以一种金属元素为主导，必须具有金属特性
合金化方法 冶炼、烧结、喷涂… 组元 组成合金的最基本的独立物质
合金中具有相同成分、结构、且性能相同 合金相（相） 的均匀组成部分
组织
借助肉眼或显微镜所观察到的金属材料内部的 相的组成、各相量的多少、相的形态分布和晶 粒的大小等部分
二、合金相结构
合金相
晶体缺陷
点缺陷——空位、间隙原子、置代原子
物质扩散的原因
金属实际结构及晶体缺陷
线缺陷——位错
内部滑移造成
晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象
特征： 刃型位错 ①在位错线方向尺寸大 ②位错线周围产生晶格畸变
螺型位错
金属实际结构及晶体缺陷 面缺陷——晶界、亚晶界 细化晶粒可增加面缺陷，提高强度
- 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)。
液态金属结构示意图
工程材料
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是
高能状态向低能状态的转变。
金属基础理论
工程材料
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发进行的过程。
系统的自由能G可由下式表示：
G H TS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
金属基础理论
金属基础理论
工程材料
固溶体的溶解度：溶质原子溶入固溶体的极限浓 度。 据此可以分为有限固溶、无限固溶 。 影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化 学性质以及电子浓度等 。
金属基础理论
固溶体的性能：
工程材料
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生 畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变 形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧 性则有所下降。
自由能 G
GL
GS T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
金属基础理论
工程材料
在温度T0处GL＝GS，固、
液两相处于热力学平衡
状态。T0即为纯金属的
平衡结晶温度。
工程材料
当T>T0时，GL<GS，液相处于自由能更低的稳定状态， 结晶不可能进行；只有当T<T0时，GL>GS，结晶才可 能自发进行。这时两相自由能的差值ΔG就构成相变
但降低塑性。
金属基础理论
工程材料
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易 形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价 规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。 性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中 时，将起到强化相的作用，使合金强化。
合金的相结构：
工程材料
纯金属： 物理、化学性能良好，力学性能差。价格 昂贵、种类有限。 合金： 两种或两种金属与金属或与非金属元素组成具 有金属性质的物质。 强度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金属 材料 。 比如：黄铜（ Cu+Zn）、钢（Fe+C）、铝合金等。
金属基础理论
固溶体的几个基本概念： 工程材料
金属基础理论
工程材料
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。 它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子浓 度指合金ห้องสมุดไป่ตู้化合物的价电子数目与原子数目之比。 性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作 为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。
金属基础理论
工程材料
（3）间隙化合物
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据组元多 少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、同一 结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的 组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
金属基础理论
工程材料
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结 构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
金属基础理论
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时， 形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、 Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C称为渗碳体， 具有复杂的斜方晶格。
金属基础理论
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物性能特点： 具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的
强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
金属基础理论
金属化合物
工程材料
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶
格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般
有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，
（结晶）的驱动力：
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
金属基础理论
工程材料
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓与熵随温度
的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝L, SL－SS＝△S， 其中，L为结晶潜热、△S为熔化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以有△S ＝L/T0。因此，可得：
相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化 合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化 合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属 化合物为基的固溶体。
金属基础理论
纯金属的结晶：
工程材料
金属由液态转变为晶体状态的过程 称为结晶（或一次结晶）。
把一种固态转变为另一种固态称为 二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非完全 无序排列，在很小范围内有序， 即近程有序，远程无序。
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径 较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同， 可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂结构的间隙化合 物。
金属基础理论
工程材料
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成 具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、 ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。 性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定， 是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金 属陶瓷材料的重要组成相。
金属基础理论
工程材料
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而 形成的固溶体 （溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小 ，大于15%就很难形 成置换固溶体） 。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固 溶体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有 序固溶体。两者之间的转变称为固溶体的有序化。这时， 合金的某些物理性能将发生很大的变化。
金属基础理论
工程材料
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而 形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子 不占据晶格的正常位置 。
只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会 形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很 小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属 元素的晶格间隙中而形成的。
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
金属基础理论
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
工程材料
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为定值， 故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结晶的驱动力是