金属材料的组织结构
金属材料的结构与组织纯金属的晶体结构金属
3.气相
气相是陶瓷内部残留的孔 洞，其成因复杂，影响因素 多。陶瓷根据气孔率分为致 密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔 陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔 对陶瓷的性能不利，它降低 了陶瓷的强度，常常是造成 裂纹的根源(图2-28)，所以 应尽量降低气孔率。一般普 通陶瓷的气孔率为5 %～10% ; 特种陶瓷在5 %以下;金属陶 瓷则要求低于0.5 %。
• 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。
图2-10 晶格结构模型
2.1.4 金属材料的组织
1.组织的概念 2.组织的决定因素 3.组织与性能的关系 • 不同组织结构的材料具有不同的性能
图2-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚 物大都服从这种规律。
图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的图2-18 高聚物在不同加载速度时的
应力-应变曲线
应力-应变曲线
黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时 达到平衡，如图2-19(a)所示。
应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速 率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后， 如图2-19(b)所示。
综上所述，金 属材料的成分、 工艺、组织结构 和性能之间有着 密切的关系。
图2-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图
2.2 高分子材料的结构与性能
• 2.2.1 高分子材料的结构 • 1.大分子链的构成 • (1)化学组成 • 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，
另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是 形成大分子链的主要元素。 • 大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链 大分子、杂链大分子和元素链大分子。
金属材料中的微观组织与力学性能的关系
金属材料中的微观组织与力学性能的关系随着科技的不断发展，人类对金属材料的认识也越来越深入。
金属材料被广泛应用于各行各业，例如建筑、汽车、电子、医疗等领域。
金属材料的力学性能是决定其能否被应用的关键。
而微观组织是影响金属材料力学性能的重要因素之一。
一、微观组织对金属材料力学性能的影响微观组织是指金属材料中的晶粒结构、晶界、缺陷等微观结构。
这些微观结构对金属材料的力学性能有着重要的影响。
首先，晶粒尺寸对金属材料的力学性能有着显著的影响。
晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度越高，而塑性和韧性则降低。
这是因为晶粒越小，晶界面积增大，融合力增加，从而导致材料的强度和硬度增加，但同时也会抑制材料的可塑性。
其次，晶界对金属材料的力学性能也有着较大的影响。
晶界是相邻晶粒之间的界面，其结构和性质与晶粒内部不同。
晶界的存在会导致灰分、孔隙及晶粒的变形行为发生变化，从而影响金属材料的力学性能。
通常情况下，晶界的能量大于晶内，晶界会限制材料的塑性变形，从而降低金属材料的韧性。
最后，缺陷对金属材料的力学性能也有着显著的影响。
缺陷是指材料内部存在的各种缺陷、气孔、裂缝等。
这些缺陷通常会使金属材料的强度下降，韧性降低。
二、微观组织的调控为了获得更优异的力学性能，需要对金属材料的微观组织进行调控。
常用的方法如下：首先，通过合理的热处理工艺，可以有效地控制晶粒尺寸和分布。
晶粒尺寸的调节可通过热处理前后金属的冷却速率和温度控制。
例如，快速淬火可以使晶粒尺寸变小，而慢速冷却则可使晶粒尺寸变大。
其次，可以通过合理的成分设计来改变金属材料的晶界特性。
增加合金元素的含量可以有效地控制晶界能量，从而改变晶界对材料的影响。
同时，添加一定量的微合金元素如铌、钛等可以细化晶粒，增强材料的强度和硬度。
最后，适当的交变变形可消除材料中的缺陷，改善金属材料的力学性能。
交变变形可以促进晶界滑移和形变，从而增加金属材料的强度和韧性。
三、结语微观组织是影响金属材料力学性能的重要因素之一。
金属材料的微观结构与力学性能
金属材料的微观结构与力学性能金属材料是我们日常生活中经常使用到的一种重要材料，它的力学性能直接决定着其使用价值。
然而，金属材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素之一。
因此，了解金属材料的微观结构对于挖掘其潜力具有重要意义。
一、金属材料的组织结构金属材料的组织结构分为三个层次：微观结构、中观结构和宏观结构。
微观结构是由晶体组成的，晶体是由不同的结构单元组成的，包括晶粒、晶界、孪晶等。
中观结构是由晶粒的排列和分布组成的，如晶粒大小、晶粒形状、晶粒取向等。
宏观结构是由各种中观结构构成的，如晶体的尺寸、形状和排列方式等。
晶体是金属材料微观结构的最基本单位，在晶体内部原子是有规律地排列的。
金属材料中晶体是以多面体、圆柱体或板状的形式存在，晶体的大小和形状不同会对金属材料的力学性能产生影响。
晶体的组成通常是由多个原子经过排列形成的，晶体中的原子排列方式和结构不同会影响其力学性能。
此外，晶粒的界面处被称为晶界，晶界的稳定性及其形态对整个材料的力学性能有很大的影响。
二、微观结构对金属材料力学性能的影响1. 晶界影响材料力学性能的强度和韧性，晶界处的塑性变形是材料发生塑性时的一种重要机制，晶界出现裂纹和断裂是材料出现断裂的重要原因之一。
因此，优化金属材料晶界的形态和结构，提高其稳定性，有利于提高材料的整体机械性能。
2. 晶体取向对金属材料力学性能的影响很大。
晶体的取向是指对于某一个方向而言晶体内排列原子的方向性质。
晶体取向的不同会对力学性能产生不同的影响，大多数材料具有各向同性，但某些材料的微观结构有规则地定向排列，称为各向异性。
所有具有各向异性的材料都有一定的单向性质，也就是在某一个方向有更大的强度或韧性。
3. 晶粒的大小和形状对材料的力学性能产生重要影响。
晶粒尺寸大，晶体脆性相对较强，而晶粒尺寸小，其塑性会相对增强。
晶粒形状也会影响晶体的塑性变形，如晶粒呈多面体形状的金属材料相对具有更好的塑性特性。
4. 孪晶结构是一种经常出现在晶体中的微观结构，孪晶结构对于金属材料的塑性行为和断裂行为有重要影响。
金属材料显微组织图谱
金属材料显微组织图谱(共42个图谱)图谱01、不锈钢中的位错线：图谱02、铁碳合金的室温平衡组织(0.01%C )：（纯铁的室温平衡组织）铁素体 w ww .b zf x w .c om铁素体+珠光体图谱04、铁碳合金的室温平衡组织(0.77%C )：（T8钢的室温平衡组织）珠光体w ww .b zf xw .c om珠光体+二次渗碳体图谱06、球状珠光体：（T12钢的球化退火组织）球状珠光体w ww .b zf xw .c om图谱07、灰口铸铁的组织(一)：（灰口铸铁的显微组织）铁素体+片状石墨 铁素体+珠光体+片状石墨 珠光体+片状石墨图谱08、灰口铸铁的组织(二)：铁素体和团絮状石墨w ww .b zf xw .c om图谱09、灰口铸铁的组织(三)：铁素体和球状石墨图谱10、陶瓷在室温下的组织：w ww .b zf xw .c om图谱11、W18Cr4V钢离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理渗层组织：图谱12、共晶合金组织的形态：w ww .b zf xw .c om图谱13、亚共晶合金组织的形态：图谱14、过共晶合金组织的形态：w ww .b z f xw .c om图谱15、共析钢的室温组织：图谱16、共晶白口铸铁室温平衡组织：图谱17、亚共晶白口铸铁室温平衡组织：w ww .b zf xw .c om图谱18、过共晶白口铸铁室温平衡组织：图谱19、珠光体型组织：图1 珠光体 放大3800倍图2 索氏体 放大8000倍w w w .b z f xw .c om图3 屈氏体 放大8000倍图谱20、上贝氏体形态：图1 光学显微照片 放大500倍图2 电子显微照片 放大5000倍w ww .b zf xw .c om图谱21、下贝氏体形态：图1 光学显微照片 放大500倍图2 电子显微照片 放大12000倍图谱22、低碳马氏体的组织形态：w ww .b zf xw .c om图谱23、高碳马氏体的组织形态：图谱24、铸锭结构：(1) 细晶区； (2)柱状晶区； (3)等轴晶区w ww .b z f xw .c om图谱25、回火索氏体：图谱26、低碳钢渗碳缓冷后的显微组织：图谱27、38CrMoAl 钢氮化层的显微组织：w ww .b zf x w .c om图谱28、球墨铸铁的显微组织：图谱29、蠕墨铸铁的显微组织：图谱30、可锻铸铁的显微组织：w ww .b z f xw .c om图谱31、ZL102合金的铸态组织(一)：未变质处理图谱32、ZL102合金的铸态组织(二)：变质处理后w ww .b zf xw .c om图谱33、铜锌合金的显微组织(一)：单相黄铜图谱34、铜锌合金的显微组织(二)：双相黄铜w ww .b zf xw .c om图谱35、Ti-6Al-4V 合金时效处理后的显微组织：图谱36、GCr15钢淬火、回火后的显微组织：w w w .b zf x w .c om图谱37、ZChSnSb11-6轴承合金的显微组织：图谱38、高速钢淬火、回火后的组织：（）w ww .b z f xw .c om图谱39、钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻：图谱40、碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片：图谱41、韧性断裂断口：（韧窝）w ww .b zf xw .c om图谱42、脆性断裂断口：（河流花样）（全文完）w ww .b zf xw .c om。
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
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。
金属材料的结构与组织
晶界结构示意图
晶界原子排列示意图
亚晶界 亚晶粒之间的边界（过 渡区），也称小角度晶界。它也 是一种原子排列不太规则的区域. 亚晶界是位错规则排列的结构。
例如，亚晶界可由位错垂直排列 成位错墙而构成。
亚晶界
• 面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围
也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。
冷却曲线中出现水平线段，是因为 结晶时放出大量的结晶潜热，补偿 了金属向周围散失的热量。
纯金属冷却曲线
2.2 金属结晶过程
液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过
程。首先在液态金属中形成极小的晶体——晶核作为 结晶中心。此后，已形成的晶核不断长大，同时又不 断产生新的晶核并长大，直至液相完全消失。每个晶 核长大成为一个晶粒。
1.3 实际金属的晶体结构 实际金属的晶体结构与理想晶体的结构不同。实际金 属是由很多结晶位向不同的小晶体（即晶粒）组成， 晶粒内晶体的位向不同。 一般金属都是多晶体。晶粒之间的分界面称为晶界。
1Cr17不锈钢的多晶体
1. 单晶体与多晶体 • 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。 如单晶Si半导体。
溶剂原子
溶质原子
溶质在间隙固溶体的溶解是有限的，故都是有限固溶体。 间隙固溶体中，溶质原子的排列是无序的，所以也都是无 序固溶体。
置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶
格结点位置而形成的固溶体。 置换固溶体又可分为两类：
• 显微组织 在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小与分布。
3.2 合金的相结构
合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。 1. 固溶体 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且 结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含 量较多；另一组元为溶质，含量较少。 合金在固态下溶质原子溶入溶剂而形成的一种与溶 剂有相同晶格的相，称为固溶体。 固溶体的重要标志是它仍保持溶剂晶格。固溶体用α、 β、γ等符号表示。
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形 式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、 化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线 结构分析技术进行测定。
精品课件
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于 立方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
精品课件
若两个晶向的全部指数数值相同而符
号相反, 则它们相互平行或为同一原子列,
但方向相反。
如[110]与
。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]
与
可用同一个指数[110]表示。
精品课件
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族：
精品课件
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法
以晶向DA为例：
精品课件
晶向OA ： [100] 晶向OB ： [110] 晶向OB’ ：[111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
精品课件
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
精品课件
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数
四指数方法表示晶面和晶向。
水平坐标轴选取互相成120°
金属材料的结构与组织
金属材料的结构与组织金属材料是指由金属元素组成的材料，具有优良的电导和热传导性能，因此广泛应用于工业制造和建筑领域。
金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响，以下将从晶体结构、晶粒大小、晶界和位错等方面介绍金属材料的结构与组织。
首先是金属材料的晶体结构。
金属是由多个金属原子组成的晶格结构，具有高度的有序性。
常见的金属结构包括面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。
FCC结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，原子间的距离相等，如铝和铜。
BCC结构中，每个原子周围有8个最近邻原子，原子间的距离比FCC结构略大，如铁和钒。
HCP结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，但原子间的距离比其他两种结构大，如钛和锆。
金属的晶体结构对材料的硬度、延展性和导电性能等有着重要影响。
其次是金属材料的晶粒大小。
晶粒是金属中具有相同晶体结构的晶胞的集合体。
金属材料的晶粒大小对其性能有着重要影响。
晶粒越小，材料的强度和硬度越高，延展性和塑性则较差；晶粒越大，材料的延展性和塑性越好，但强度和硬度相对较低。
晶粒大小的控制通常通过热处理、变形加工和再结晶等方法实现。
金属材料的结构还与晶界有关。
晶界是相邻两个晶粒之间的界面。
晶界具有比晶粒内部更高的活动性，容易成为材料中的非晶区域、孔隙和裂纹的起点。
晶粒内部原子排列有序，而晶界则是原子排列的不规则区域，原子间的距离不够紧密，因此晶界对材料的力学性能和耐腐蚀性能等有着重要影响。
晶界的稳定性和结构特点常通过电子显微镜和X射线衍射等技术进行研究。
最后是金属材料中的位错。
位错是指晶体中原子排列的缺陷或错位。
位错可以增加金属材料的塑性和韧性，使其具有较好的变形能力。
在金属中，位错的形成和移动是塑性变形的主要机制。
位错的种类包括直线位错、螺旋位错和平面位错等，其特点和形成机制各不相同。
位错的存在对金属材料的断裂和疲劳性能有重要影响。
综上所述，金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响。
材料的组织结构及性能
(h密ex排ag六poan方cak晶led胞c)lhocspe-
属于此类结构的金属 有：碱金属、难溶金 属（V、Nb、Cr、Mo 、W）、a-Fe等
属于此类结构的金属的 有：Al、Cu、Au、Ag 、γ-Fe、Ni、Pb以及奥 氏体不锈钢等。
属于此类结构的金属 有： Mg、Zn 、 aBe、a-Ti、a-Zr、aCo等。
(1) 体心立方晶胞BCC ——Body-Centered Cubic
刚球模型
晶格模型
晶胞原子数
晶胞 BCC
晶体学参数
a=b=c, α=β=γ=90°
原子半径
3a 4
晶胞原子数 2
配位数 8
致密度 68%
(2) 面心立方晶胞FCC -----Face-Centered Cubic
刚球模型
晶格模型
FCC晶胞(Face Center Club）
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。具有这种晶格的金属有铝 (Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、 γ- 铁( γ-Fe, 912℃-1394℃)等。
（2）面心立方晶胞
四面体间隙8个 八面体间隙4个
学习建议：
1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结 构及其特点，应充分发挥空间想象力。
2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到 困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需 要多练多画。
3．了解高分子材料的大分子链结构与聚集态， 结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。
4．对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解。
No Image
(3) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格)
晶体学抽象：
金属材料的组织结构与性能分析
金属材料的组织结构与性能分析一、前言金属材料作为工业生产中使用最广泛的材料之一，一方面得益于其高强度、良好的导电导热性质和较好的可加工性，另一方面也得益于其独特的组织结构，这种组织结构直接影响着金属材料的性能。
如何正确地识别金属材料的组织结构，分析其性能特点，是金属材料学中的基础和重要环节。
本文将从金属材料的组织结构入手，详细分析金属材料的性能特点。
希望对广大读者和从业者能够有所启发和帮助。
二、金属材料的组织结构金属材料的组织结构一般包括晶体、晶界、杂质和缺陷等结构成分。
1. 晶体晶体是金属材料的基本组成部分，其性质与银、铜等常见金属的单晶基本一致。
晶体形成的方式有单晶、多晶、丝状晶等。
单晶是一种完整的晶体，其内部没有任何晶界，其物理性质较其他晶体更为一致。
多晶体是由多个晶体组成，这些晶体之间由晶界相接，晶界的存在会严重影响多晶体的性能。
丝状晶是由细长晶体排列而成的，常出现在某些形变加工较多的金属中。
2. 晶界晶界是晶体与晶体之间的交界面，是有晶体长大和变形的必然结果。
晶界的存在会对金属材料的力学性能、电学性能、热学性能等产生很大的影响。
晶界越多，金属材料的强度就越低，其导热性、电导率也会相应降低。
3. 杂质杂质指的是当晶体中组成元素之外的其他元素，主要有溶解杂质、夹杂和析出相等。
其中溶解杂质是指在晶体中以原子溶解的形式存在的元素，常常对晶体的性质有很大的影响，同时还常常导致固溶体的物理性质发生变化。
4. 缺陷缺陷通常指的是晶体内部或表面的结构缺陷，如空位缺陷、间隙缺陷、位错、分界面。
这些缺陷的存在会明显降低金属材料的性能，如降低其强度和塑性等。
三、金属材料的性能特点金属材料的性能特点与其组织结构密切相关。
以下将从一些特定的性能指标出发，分析金属材料的性能特点。
1. 强度金属材料的强度主要与其组织结构、晶体结构、晶界数量、杂质含量和缺陷等因素有关。
晶界越多，强度就越低，晶界处还容易形成多种缺陷。
金属材料的显微组织观察
观结构和性能，为优化材料性能提供依据。
02
工艺质量控制
通过对生产过程中的金属材料进行显微组织观察，可以及时发现工艺
问题并采取措施，确保产品质量稳定。
03
失效分析
当金属材料出现失效时，通过显微组织观察可以分析失效原因，例如
检测材料中的裂纹、孔洞和晶界腐蚀等缺陷。
02
金相学的基本原理
金相学的基本概念
重要性
了解金属材料的微观结构和组成对优化材料性能、提高工艺 质量和控制产品质量具有重要意义。通过对显微组织的观察 ，可以揭示材料的内部结构和缺陷，为改进工艺和研发新材 料提供依据。
显微组织观察的方法
金相磨片制备
将金属材料切割成薄片，并进行研磨、抛光和蚀刻等处理，以获得清晰的微观结构图像。
光学显微镜观察
03
金属材料的显微组织
金属材料的晶体结构
单晶结构
金属材料在原子尺度上由规则排列的原子 组成。这些原子按照一定的晶格结构排列 ，形成所谓的单晶结构。单晶结构决定了 金属材料的许多物理和机械性能。
VS
多晶结构
在大多数金属材料中，晶粒无规则地排列 在一起，形成多晶结构。这种结构会导致 材料性能的各向异性，因为不同晶粒的取 向和大小都会影响其性能。
04
金属材料显微组织的观察方法
光学显微镜观察法
适用范围
适用于观察金属材料的显微组织，如钢铁、铝合 金、铜合金等。
工作原理
利用光学原理，通过透镜将金属试样的显微组织 放大，并投影在视野中，以便观察和分析。
主要特点
操作简单，成本较低，适用于一般实验室和生产 现场。
扫描电子显微镜观察法
适用范围
适用于观察金属材料的表面微观形貌和显微组织，如钢铁、铝合 金、铜合金等。
金属材料的结构与性能
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才能。
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才能。
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，消费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外表局部塑性变形的才能。
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亲密联络。
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才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
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才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表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根本类型。
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一样。
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才能。
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。
常用金属材料的显微组织
铝及铝合金的显微组织
纯铝的显微组织
纯铝的显微组织由等轴晶粒组成，晶 界清晰，晶粒大小不均匀。
铝合金的显微组织
铝合金的显微组织由固溶体、金属化 合物和机械混合物组成，不同合金元 素对铝合金的显微组织有不同的影响 。
钛及钛合金的显微组织
纯钛的显微组织
纯钛的显微组织由等轴晶粒组成，晶界清晰，晶粒大小不均匀。
05 金属材料的热处理工艺与 显微组织的关系
退火与显微组织的关系
退火是一种金属热处理工艺，通 过加热至一定温度并保温一段时 间后缓慢冷却，使金属内部组织
结构发生变化。
退火过程中，金属内部的晶体结 构逐渐变得均匀，减少晶体缺陷 和内应力，提高金属的塑性和韧
性。
退火后的显微组织通常表现为晶 粒粗大、组织致密，不同金属材
钛合金的显微组织
钛合金的显微组织由固溶体、金属化合物和机械混合物组成，不同合金元素对钛合金的显微组织有不同的影响。
03 金属材料的相与组织转变
固态相变
相变类型
相变过程
固态相变是指金属材料在固态下发生 的相变，包括调幅分解、马氏体相变 等。
固态相变过程通常包括形核、长大和 粗化等阶段，这些阶段对金属材料的 性能和加工工艺具有重要影响。
详细描述
珠光体具有较好的塑性和韧性，同时 具有较高的强度和硬度。珠光体的形 态和分布对钢的性能有重要影响。在 显微镜下观察，珠光体的层片状结构 清晰可见。
02 有色金属材料的显微组织
铜及铜合金的显微组织
纯铜的显微组织
纯铜的显微组织由晶界和晶粒组 成，晶界清晰，晶粒大小不均匀 。
铜合金的显微组织
铜合金的显微组织由固溶体、金 属化合物和机械混合物组成，不 同合金元素对铜合金的显微组织 有不同的影响。
第2章金属材料的组织结构
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长
大。因为存在负温度梯度，且晶核
棱角处散热好，生长快，先形成一
次轴，一次轴产生二次轴…，树枝
间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察(定向凝固)
二、晶粒大小及其控制
1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度
总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为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。
减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
金属晶须
退火态
(105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
⑵ 晶体缺陷
晶格的不完整部位称晶体缺陷。
实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,
即点、线、面缺陷。
① 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，
也可以是外来原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
中。因而高温下晶粒过大、过小都
不好。
的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
2.1.3 金属的同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。 同素异构转变属于相变之一—
固态相变。
纯铁的同素异构转变
2205金相组织特征
2205金相组织特征
金相（金属lograph）是指用显微镜观察金属材料时呈现的微
观组织结构。
金相组织特征是指金属材料的金相组织在显微镜下呈现出来的特点和特征。
金相组织特征包括以下几个方面：
1. 晶粒形状和大小：金相组织中的晶粒可以呈现出不同的形状，如等轴晶、柱状晶等。
晶粒的大小与冷却速率、合金成分等有关。
2. 晶粒结构：金相组织中的晶粒可以呈现出晶界、晶内等不同的结构，晶界的特征包括晶界角度和晶界形貌等。
3. 相含量和相分布：金相组织中的相含量和相的分布状态对材料的性能有重要影响。
金相组织观察可以揭示不同相的存在情况以及相的分布情况。
4. 缺陷和杂质：金相组织中能够观察到的缺陷和杂质包括晶内夹杂物、晶界和位错等，这些缺陷和杂质对材料的性能和机械行为有重要影响。
5. 凝固结构：金相组织中的凝固结构可以反映材料的凝固过程和凝固方式，如晶核形成、晶粒生长等。
通过观察金相组织的特征，可以分析材料的性能、结构和工艺等方面的问题，对金属材料的制备和加工具有重要的指导意义。
含碳量为0.2%的铁碳合金,室温下组织组成和相组成
铁碳合金是一种重要的金属材料，具有广泛的工业应用。
在铁碳合金中，碳的含量对其性能和组织结构有着重要影响。
当碳的含量为0.2时，铁碳合金的组织组成和相组成将呈现怎样的特点呢？本文将对此进行详细的介绍和分析。
一、碳含量为0.2的铁碳合金的组织组成在室温下，碳含量为0.2的铁碳合金的组织主要由珠光体和铁素体组成。
其中珠光体是一种由铁和碳组成的固溶体，具有类似珍珠光泽的特点，故得名珠光体。
而铁素体则是由纯铁组成的金属相。
二、碳含量为0.2的铁碳合金的相组成1. 珠光体珠光体是铁碳合金中主要的组织相，其含碳量在0.02至2.06之间。
在碳含量为0.2时，珠光体的比例较大，占据着铁碳合金中大部分的组织结构。
珠光体具有良好的塑性和强度，是铁碳合金中的重要组织相。
2. 铁素体铁素体是铁碳合金中的另一种重要相，其为纯铁组成的金属相。
在碳含量为0.2时，铁素体的比例较小，一般分布在珠光体的周围或夹杂在珠光体中。
铁素体具有良好的磁性和导电性，对铁碳合金的性能有着重要影响。
三、碳含量为0.2的铁碳合金的性能特点1. 机械性能碳含量为0.2的铁碳合金具有较好的塑性和强度，适用于冷、热压成形及焊接等加工工艺。
其具有良好的可加工性和成形性，广泛用于制造工程结构件和零件。
2. 物理性能在室温下，碳含量为0.2的铁碳合金具有良好的导电性和磁性，适用于制造电工磁性材料和电磁设备。
其具有良好的导电和磁导性能，可广泛应用于电气工业领域。
3. 热处理性能碳含量为0.2的铁碳合金具有良好的热处理性能，在固溶态和时效态下，可以获得不同的组织结构和性能。
其具有良好的热处理适应性，适用于制造各种工程材料和工件。
四、碳含量为0.2的铁碳合金的应用领域1. 机械制造碳含量为0.2的铁碳合金适用于制造各种机械结构件和零件，如车轴、轴承、齿轮等。
其具有良好的耐磨性和耐磨损性能，适用于重载和高速运转的机械设备。
2. 电气工业碳含量为0.2的铁碳合金适用于制造各种电工磁性材料和电磁设备，如变压器铁芯、电机矫平铁芯等。
金属材料分为哪两大类
金属材料分为哪两大类
金属材料是一种重要的工程材料，广泛应用于各个领域。
根据其组织结构和性
质特点，金属材料可以分为两大类，晶体金属和非晶体金属。
晶体金属是指具有规则的晶体结构的金属材料，其原子排列有序，呈现出明显
的晶体结构。
晶体金属的原子排列呈现出周期性的结构，具有一定的晶体面和晶体方向。
晶体金属的性能受晶粒大小、晶界、位错等因素的影响，因此具有一定的塑性和韧性。
晶体金属主要包括铁、铝、镁、钛等金属及其合金。
晶体金属在工程中广泛用于制造零部件、结构件、航空航天器件等领域。
非晶体金属是指没有规则晶体结构的金属材料，其原子排列呈现无序状态，没
有明显的晶体结构。
非晶体金属具有非晶态的特点，其原子排列呈现出无序、均匀的状态。
非晶体金属的性能受玻璃化转变的影响，具有优异的硬度和耐腐蚀性能，但缺乏塑性和韧性。
非晶体金属主要包括非晶合金、非晶合金薄膜等材料，在电子器件、传感器、储能材料等领域有着重要的应用价值。
总的来说，金属材料根据其组织结构和性质特点可以分为晶体金属和非晶体金
属两大类。
晶体金属具有规则的晶体结构，具有一定的塑性和韧性，广泛应用于工程领域；非晶体金属则具有无规则的原子排列结构，具有优异的硬度和耐腐蚀性能，在电子器件、传感器等领域有着重要的应用前景。
对于工程设计和材料选择，了解金属材料的分类和特点，有助于合理选用材料，提高工程设计的质量和性能。
- 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)。
➢教学目的与要求:
➢ 1.了解金属结晶过程及其规律。 ➢ 2.了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影
响。 ➢ 3.掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 ➢ 4.掌握合金的成分、组织与性能的关系。 ➢ 5.能利用铁—碳相图定性地分析铁碳合金成分、组织、性
能间的关系。 ➢ 6.能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过
➢ 1. 自发形核
➢ 当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将 从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。
➢ 2. 非自发形核
➢ 在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就 优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为 非自发形核。
金属材料的组织结构
(二)过冷度对形核和晶核长大的影响
金属材料的组织结构
常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越 高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。
高温下，晶粒应适当粗化，其性能较好。因为高温下原子 沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。
(二)决定晶粒度的因素 晶粒度取决于N/G，其值越大，晶粒越细小。
金属材料的组织结构
密排六方晶胞
金属材料的组织结构
密排六方晶胞的特征：
a=b=c, α=β=γ=90°
金属材料的组织结构
（2）晶胞原子数
在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8 个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方 晶胞所含的原子数为 2个。
(二)面心立方晶格
面心立方晶胞原子如何排列
金属材料的组织结构
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。
具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃)等。大都具有较
高的塑性。
面心立方晶胞
金属材料的组织结构
面心立方晶胞的特征：
金属材料的组织结构
（二）金属结晶时的过冷现象 1、理论结晶温度 2、过冷现象
实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的 现象叫过冷现象。
金属材料的组织结构
液态和固态自由能随温度变化的示意图以 及纯金属的冷却曲线
二、金属结晶的过程
金属材料的组织结构
➢ 金属的结晶过程分为三个方面进行表述：
1.液态——固态； 2.原子由液态下的无序状态——固态下的有序状态；
3.原子由液态下的高速运动——固态下原子的低速运 动。
金属材料的组织结构
金属结晶过程示意图
1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生； 4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核
金属材料的组织结构
(一)形核方式
➢ 金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核 方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核。
程。
金属材料的组织结构
➢教学内容：
➢ 金属的结晶过程，结晶规律，纯金属的晶体结构，合金 的组织，铁碳合金平衡状态图。
➢重点、难点：
➢ 有关金属学的基本概念， ➢ 铁碳合金平衡状态图及其分析。
本章主要阅读文献：
金属材料的组织结构
1、周凤云主编. 工程材料及应用. 武汉：华中科技大 学出版社，2002。
过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为 在结晶过程中有两个因素同时在起作用： 一是晶体与液体的自由能差（△F），是晶核形成和长大的驱
动力； 二是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长
大的必须条件。 如图2—4、2—5所示。
金属材料的组织结构
三、晶粒大小的控制 (一)晶粒度对金属性能的影响
（1）晶格常数
a=b=c，α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个)
1/8*8+1/2*6=4
金属材料的组织结构
(三)密排六方晶格
密排六方晶胞原子如何排列
金属材料的组织结构
十二个金属原子分布在六方体的十二个角上，在上下 底面的中心各分布一个原子, 的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍 (Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。
(三)细化晶粒方法及原理
1. 控制过冷度
V实增大，Tn降低，△T增大，为结晶过程提供了更多 的能量 。
2. 变质处理
在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗粒）， 促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶 粒。
3. 机械振动法（如搅动）﹑超声波振动法等。
金属材料的组织结构
第二节 纯金属的晶体结构
金属材料的组织结构
体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上，一 个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。
具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α铁(α-Fe, <912 ℃)等。大多具有较高的强度和韧性。
体心立方晶胞
金属材料的组织结构
体心立方晶胞特征：
（1）晶格常数
一、晶格、晶胞、晶体常数
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。
晶格： 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。
晶体和晶格的示意图
金属材料的组织结构
晶胞：
金属材料的组织结构
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞， 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本 特性即可反映该晶体结构(晶格)的特点。
2、于永泗主编.机械工程材料. 大连：大连理工大学 出版社，2003。
3、卢秉恒主编. 机械制造技术基础. 北京：机械工 业出版社，1999 。
第一节
金属材料的组织结构
金属的结晶
一、金属结晶的有关概念 (一)晶体的概念
晶体：是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性 重复排列的物质。
特点：各向异性 具有规则的外形 具有固定的熔点
晶格常数：
晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、 c和三条棱边之间的夹角α、β、γ这六个参数来描 述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一 般为: 1×10-10 m～7×10-10 m。
晶胞和晶格常数示意图
金属材料的组织结构
二、常用金属的晶体结构 (一)体心立方晶格
体心立方晶胞原子如何排列