第2章 金属材料的组织结构
金属材料的结构与结晶
金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 硬而脆。 合金中的金属化合物，常能提高合金
的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。
金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁 金属的重要组成相。 3. 机械混合物： 纯金属、固溶体或化合物，按一 定重量比例组成的均匀物质。
例：35钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与
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
相邻晶体的枝晶接触时，晶体就向着未凝固的部
位生长；直到枝晶间液体全部消失，每一枝晶成
长为一个晶粒。
纯金 属结 晶过 程示 意图
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
1.晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平均
直径来表示。（表２-2晶粒度） 2.晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。 晶粒越细，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各 晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现
空位
间隙原子
图2-7
多晶体示意图
材料科学基础_第二章-合金的相结构
(2) TCP相 TCP相（topologically close-packed phase）的特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而成；②呈层状 结构。
TCP相类型：①Lavs相 AB2型 镁合金、不锈钢中出现
②σ相 AB型或AxBx型 有害相
b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下类型： M3C、M7C3、M23C6、M6C。间隙化合物中金属元素M常被其 它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原子半径很小,与所 有过渡族金属都满足rX/rM<0.59,所以过渡族金属的氢化物、氮化物 都为间隙相；而硼原子半径rB/rM>0.59较大, rB/rM>0.59，硼化物 均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些 为间隙化合物。
4.超结构—有序固溶体
超结构（super structure/lattice）类型： 有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原 子间 有序化影响因素：温度、冷却速度和合金成分
5.金属间化合物的性质及应用（P56） （1）——（7）
CuAu有序固溶体的晶体结构
2.4 离子晶体
离子晶体有关概念 1.离子晶体(ionic crystal) ：由正、负离子通过离子键按
相分类:固溶体和中间相(金属间化合物)
固溶体——
中间相——
中间相可以用分子式来大致表示其组成。
合金相的性质由以下三个因素控制:
（1）电化学因素(电负性或化学亲和力因素)
电负性——
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA 中间相。 △r越小，越易形成固溶体
工程材料习题
(一)名词解释晶体、非晶体(一)名词解释空间点阵、晶格、晶胞、致密度、空位、刃型位错、固溶体、间隙相(二)填空题1．金属晶体中最主要的面缺陷是_______。
2 ．γ -Fe、α -Fe 的一个晶胞内的原子数分别为___、____。
(三)选择题1．晶体中的位错属于_______。
a．体缺陷b．面缺陷c．线缺陷d．点缺陷2．两组元组成固溶体，则固溶体的结构_______。
a．与溶剂相同b．与溶剂、溶质都不相同c．与溶质相同d．是两组元各自结构的混合3．间隙固溶体与间隙化合物的_________。
a．结构相同，性能不同b．结构不同，性能相同c．结构相同，性能也相同d．结构和性能都不相同(四)是非题1 ．金属多晶体是由许多结晶方向相同的多晶体组成。
2 ．形成间隙固溶体的两个元素可形成无限固溶体。
3 ．间隙相不是一种固溶体，而是一种金属间化合物。
(五)综合题1．实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？(一)名词解释弹性变形、塑性变形、冲击韧性、疲劳强度、、、 、HB、HRCb s(二)填空题1．材料常用的塑性指标有_______和_______两种，2．检测淬火钢成品件的硬度普通用_______硬度，检测退火件、正火件和调质件的硬度常用_______硬度。
1．材料的工艺性能是指_______、_______、_______、_______、_______。
(三)选择题1．在作疲劳试验时，试样承受的载荷为______。
a．静载荷b．冲击载荷c．交变载荷2．洛氏硬度C 标尺使用的压头是______。
a．淬硬钢球b．金刚石圆锥体c．硬质合金球(四)是非题1 ．材料的强度高，其硬度就高，所以刚度大。
2 ．碳的质量分数越高，焊接性能越差。
3 ．钢的铸造性能比铸铁好，故常用来铸造形状复杂的工件。
(五)综合题b1．某种钢的抗拉强度＝5.38×108MPa，某一钢棒直径为10mrn，在拉伸断裂时直径变为8mm，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？2．一根直径为2.3mm、长3m 的钢丝、受载荷4900N 后有多大的变形。
金属材料的微观组织与力学性能
金属材料的微观组织与力学性能金属材料是当今工业制造的重要材料之一。
金属材料具有优异的力学性能，这得益于其微观组织和晶粒结构的调控。
而了解金属材料的微观组织与力学性能的关系，对于控制和提升金属材料的性能具有重要意义。
一、金属材料的微观组织金属材料的微观组织主要包括晶粒、晶界、位错和相等组织。
其中，晶粒是材料中最基本的结构单元，其大小、形状和方向会直接影响材料的力学性能。
晶界则是晶粒之间的分界面，对于材料的强度、韧性、塑性等力学性能也有重要的影响。
位错则是晶体中的缺陷，会影响材料的力学性能和变形行为。
相等组织则是金属中的不同相之间的分布和相对应的组织结构，对于材料的力学性能也有一定的影响。
二、金属材料的力学性能金属材料的力学性能包括强度、塑性、韧性、硬度和疲劳性能等。
其中，强度是指材料在受力下抵御破坏的能力，通常分为屈服强度和抗拉强度。
塑性是指金属在受力下产生的塑性变形，即材料可以在一定程度上发生形变，而不发生破坏。
韧性则是材料在弯曲和撕裂等断裂形式下抗破坏的能力。
硬度是材料对于切割、磨削和钻孔等形变的难易程度，通常用比例尺表示。
而疲劳性能则是指材料在循环载荷下承受疲劳破坏的能力。
三、微观组织对力学性能的影响微观组织对金属材料性能的影响是多方面的。
对于晶粒大小，晶粒越小，则材料的塑性和韧性越大，韧性和强度之间的折中点也越低。
对于位错密度，位错越多，材料的局部塑性、刚度和韧性越大。
对于晶界密度，晶界越密，则材料的强度和韧性越大，但可能会导致材料的塑性降低。
而对于相等组织，不同的相等组织对材料的性能有不同的影响，如铸态组织和冷轧组织等。
四、常见的金属材料常见的金属材料包括钢铁、铝、铜、镁和钛等。
钢铁是一种含铁的合金，具有优异的机械强度和塑性，广泛应用于建筑、制造和交通等领域。
铝是一种轻量、耐腐蚀的金属材料，可用于汽车、飞机、建筑和电子工业等领域。
铜是导电、导热和耐蚀性能较好的金属，广泛应用于电子、建筑和制造等领域。
金属的晶体结构
面心立方晶胞特征： ①晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90° ②晶胞原子数：
③原子半径
面心立方晶格示意图
具有面心立方晶格 的金属有铝、铜、镍、 金、银、γ-铁等。
④致密度：0.74(74%)
第一节 金属的晶体结构
(2)密排六方晶格(胞)
金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。
体心立方晶胞特征： ①晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90° ②晶胞原子数：一个体心立方晶胞所 含的原子数为2个。
体心立方晶格示意图 具有体心立方晶格
的金属有钼、钨、钒、 α-铁等。
第一节 金属的晶体结构
(1)体心立方晶格(胞)
体心立方晶胞特征： ③原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子 密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。
1.增大金属的过冷度 原理：一定体积的液态金属中,若成核速率N越大,则结晶后的晶粒
越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G越快,则晶粒越粗。 随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但当过冷度超
过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。对于液体金属，一般不会 得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以,随着过冷 度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值 N/G也增大,结果使晶粒细化。
二、纯金属的晶体结构
晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。 这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。
晶体
晶格
第一节 金属的晶体结构
二、纯金属的晶体结构
第2章合金的相结构与二元合金相图
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
机械制造基础第二章2
位错对材料性能的影响比点缺陷更大， 位错对材料性能的影响比点缺陷更大 ， 对金属材料的影 响尤甚。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度， 响尤甚 。 理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度 ， 但 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 生产中一般都是增加位错密度来提高强度， 生产中一般都是增加位错密度来提高强度 ， 但是塑性 随之降低，可以说， 随之降低 ， 可以说 ， 金属材料中的各种强化机制几乎都是 以位错为基础的。 以位错为基础的。 3. 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大， 尺寸很小而呈面状的缺陷。 尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型 的晶界。 的晶界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。
图1-6 冷却曲线
3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液 3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1 所示， 结晶过程 体金属开始结晶时， 体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排 列的原子团，成为结晶的核心， 形核过程）。 列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大， 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时， ）。在晶体长大的同时 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 晶界。 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
【加工】原创金属材料与热处理习题集
【关键字】加工《金属材料学》习题第一章金属材料的性能1.在设计机械零件时多用哪两种强度指标？为什么？2.在设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料。
采用何种材料为宜？材料的E越大，其塑性越差，这种说法是否正确？为什么？3.常用的硬度试验方法有几种？其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较？4.标锯不相同的伸长率能否进行比较？为什么？5.反映材料的受冲击载荷的性能指标是什么？不同条件下测得的这种指标能否比较？怎样应用这种性能指标？6.疲劳破坏是怎样形成的？提高零件疲劳寿命的方法有哪些？为什么表面粗糙和零件尺寸增大能使材料的疲劳强度值减小？7.断裂韧度是表明材料何种性能的指标？为什么要求在设计零件时考虑这种指标？第二章金属的结构与结晶1.解释下列名词：晶体，非晶体，金属键；晶格，晶胞，晶格常数，致密度，配位数；晶面指数，晶向指数；晶体的各向异性，同素异构（晶）转变；点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，位错；单晶体，多晶体；过冷度，形核率，成长率，自由能差；蜕变处理，蜕变剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？3.已知Cu的原子直径为2.56，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu中的原子数。
4.在立方晶体结构中，一平面通过y＝1/2、z＝3并平行于X轴，它的晶面指数是多少？试绘图表示。
5.在面心立方晶格中，哪个晶面和晶向的原子密度最大？6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？7.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？8.金属结晶的基本规律试什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用蜕变处理？举例说明。
10.简述铸钢锭的组织和缺陷。
11.为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区？而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？12.如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：（1）金属模浇注与沙模浇注；（2）高温浇注与低温浇注；（3）铸成薄件与铸成厚件；（4）浇注时采用震动与不采用震动。
工程材料及机械制造基础习题及答案.
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
2.第二章建筑钢材全解
课后思考
从新进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做 拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为 42.4 kN，41.5 kN；抗拉极限荷载分别为62.0 kN，61.6 kN,钢筋公称直径为12 mm，标距为 60 mm，拉断时长度分别为66.0 mm，67.0 mm。计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及伸长 率。
（三）按冶炼时脱氧程度分类
钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇 静钢、沸腾钢和半镇静钢。
钢材的化学成分
1、碳(C) — 决定钢材性能的主要元素 含碳量的影响 随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应 提高，而塑性和韧性相应降低。 当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始 下降。 含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感 性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。
此外，钢材在温度高于723 ℃时，还存在奥 氏体。奥氏体为碳在γ -Fe中的固溶体，溶碳能力
较强，高温时含碳量可达2.06％，低温下降至0.8 ％。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热 状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。
碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响
钢材的化学成分
硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高 钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之 间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加 工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。 钛是强脱氧剂，钒是碳化物和氮化物的形成元素，二者皆能 细化晶粒，增加强度，常用在建筑的低合金钢中。 磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、 耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响 更大。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与 C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。 硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫 化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可 焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物 所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。