金属材料的结构与性能
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轻金属：指比重小于5（又有一说是 密度小于4.5克/ 立方厘米）， 包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡 。
2、熔点 低熔点金属及合金 难熔金属及合金
3、导电性 4、导热性 5、热膨胀性 6、磁性
P.23
（二）材料的化学性能
1、耐腐蚀性 （1）化学腐蚀
（2）电化学腐蚀 防止腐蚀的途径：
形成钝化保护膜、减少电位差、不接触电解质
P.25
二、金属的力学性能
常用的力学性能指标有：
强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等
1、强度和塑性
采用拉伸试验法测定
应力： F / S0
单位：MPa
标准拉伸试样
低碳钢的拉伸曲线
应变： L / L0
P.26
拉伸试样变形的三个阶段：
（1）弹性变形 应力与应变成正比，符合胡克定律
（2）塑性变形 材料屈服后的变形
T再＝（0.35～0.4）T熔
P.45
六、 金属的热加工
１、 冷加工与热加工的区别 金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。在金属学中，冷
热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加 工，而高于再结晶温度的加工为热加工。 ２、热加工对金属组织和性能的影响
消除金属的组织缺陷 、细化晶粒 、形成锻造流线 、形成带状组织
P.12
各向异性
不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如强度、塑 性、电阻率、导热性）不同的现象
Z
Z
Y
X
X
问题：为什么常见的金属材料没有显示各向异向性？
Y
P.13
3. 金属中的实际晶体结构 实际金属晶体结构与理想结构的偏离
单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。 如钻石、单晶Si半导体。
P.42
五、 金属的回复与再结晶
a)加热前
b) 625℃加热（不完全再结晶）
c) 670℃加热（完全再结晶）
d) 750℃加热（晶粒长大）
图2-26 经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化
P.43
冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图
P.44
1．回复 变形后的金属在较低温度进行加热时，原子活动能力有所增加，原子已
因形变织构形成的冲压制耳
P.41
（2）塑性变形对金属性能的影响
塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的 变化。其显著的影响为随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高 ，而塑性和韧性明显下降，这种现象称为形变强化，也称加工硬化。
（3）塑性变形使金属产生残余应力
加工后的工件如果有残余应力，将影响其精度和寿命
能作短距离的运动，其晶格畸变程度显著减轻，内应力有所降低，这个阶段 称为回复。
在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了 加工硬化，这种热处理方法称为去应力退火。 2．再结晶
冷变形金属加热至一定温度之后，由于原子活动能力增强，被拉长（或 压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀细小的等轴晶，其力学性 能发生了明显的变化，恢复到完全软化状态。这种冷变形组织在加热时重新彻底 改变而恢复至变形前状态的过程称为再结晶。
应用 ： 主要用于铸铁、非铁金属、经退火、正火和调 质处理的钢材的硬度测定
P.30
（2）洛氏硬度 (HR)
可以用于硬度很高的材料，操作简便迅 速，是最常用的一种硬度测量法。
数值可以直接从表盘上读出，有三种 刻度即HRC、HRA、HRB，HRC最常用
（3）维氏硬度 (HV)
可以测试任何金属材料的硬度，但最常用于测定显微硬度；
P.6
３.三种常见的金属晶体结构
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
P.7
（1）体心立方晶格 bcc
a-Fe、W、V、Mo 等
思考： 1、体心立方晶胞的晶格常数满足什么样的要求？ 2、一个体心立方晶胞包含几个原子？ （注意：放在整个点阵空间中考虑）
P.8
体心立方晶胞
P.28
塑性： 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力；
判据是材料断裂时的最大相对塑性变形；
（1）伸长率 （ ）
L1 L0 100 %
L0
（2）断面收缩率 （ y ）
y S0 S1 100 %
S0
P.29
2、 硬度 指金属表面一个很小的体积内抵抗弹性变形、塑性
变形或抵抗破裂的一种能力； （1）布氏硬度（HB）
金属材料的结构与性能
内容提纲
1 金属的晶体结构 2 金属材料的性能分类 3 金属的力学性能指标 4 金属的塑性变形 5 金属的回复与再结晶
P.2
1 金属的晶体结构
● 晶体的概念 晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
晶体：
非晶体：
金属、金刚石、NaCl、 蜂蜡、松香、玻璃、塑料、
雪和冰 等。
橡胶等
液体
P.3
● 晶体结构
原子（离子）的刚球模型
原子中心位置
P.4
点阵（晶格）模型
晶 胞 讨论：１、如何用最简便的方法表达晶格的特征？ ２、晶胞（一般为平行六面体）的形状由哪些参数决定？
P.5
Z
c
b ab
a
g
Y
X 棱边长度a ，b ，c及 棱边夹角a , b , g 称为晶格常数
刃型位错移动
P.17
螺旋位错
螺旋位错移动
P.18
（3）面缺陷
晶粒（单晶体）
晶界
大角晶界
亚晶界 小角晶界
P.19
亚晶界
亚晶界
面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
P.20
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
P.21
2 wk.baidu.com属材料的性能分类
力学性能 （机械性能）
bY
晶格常数：a=b=c； a=b=g=90
晶胞原子数： 4 原子半径： 致密度：0. 74
P.11
（3）密排六方晶格 hcp Mg、Zn 等
a
密排方向
晶格常数
底面边长a 底面间距c c/a= ≈1.633 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞原子数： 6个 原子半径： a/2
致密度： 0.74
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。如大冰块、常见的金属材料
晶粒（单晶体）
P.14
晶体缺陷类型：
（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
P.15
（1）点缺陷
空位
间隙原子
如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）
P.16
（2）线缺陷 —— 刃位错与螺位错
P.39
２. 塑性变形对金属组织和性能的影响 (1)塑性变形对金属组织的影响
使晶粒变形，产生纤维组织
P.40
产生织构
金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，由于晶粒发生转动，使晶粒位向 趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结 构，称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是大多数晶粒的某个晶向平行于 拉拔方向，称为丝织构；另一种大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向，称 为板织构
P.46
（２）多晶体的塑性变形
在多晶体中，晶粒越小，单位体积上晶粒的数量就越多，晶界的总 面积增大，因而晶界变形抗力越大，所以整个金属的强度较高。
s 0 Kd 1 2
取决于材料本 身原子结合力
常数
晶粒直径
晶粒的细化是金属的一种非常重要的强韧化手段，工业上将 通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
常用方法 ：
选择耐腐蚀材料、表面处理
2、高温抗氧化性 高温下抵抗氧化和腐蚀的能力
P.24
（三）金属的力学性能（机械性能） 常用的力学性能指标有： 强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等
（四）金属的工艺性能 ➢ 铸造性能（可铸性）流动性、收缩性、偏析 ➢ 锻造性能（可锻性）塑性、变形抗力 ➢ 切削加工性能（可切削性）表面粗糙度、刀具寿命 ➢ 焊接性能（可焊性）焊接性、碳当量
P.32
3、冲击韧度 材料抵抗冲击载荷的能力
摆锤式冲击试验
ak
AK SN
P.33
4、疲劳极限
当应力低于某值时，应力循环无数次也不会发生断裂，此应力值称 为材料的疲劳极限。
P.34
4 金属的塑性变形
P.35
１ 金属的塑性变形
金属在外力作用下的变形分为弹性变形和塑性变形。 （１）单晶体的塑性变形
（3）断裂分离
F= kL
P.27
强度： 材料在外力作用抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1）弹性极限（e ）：卸力后不产生塑性变形的最大应力； （2）屈服点（屈服强度） （s）
拉伸过程中力不变，试样仍然伸长时的应力； 没有明显屈服点的以产生0.2%残余应变时的应力值表示
（3）抗拉强度（b）
拉伸过程中最大力所对应的应力；
Z
c
a a 2r
a
bY
晶格常数：a=b=c； a=b=g=90
晶胞原子数：2 原子半径：
致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
P.9
（2）面心立方晶格 fcc
g-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pb 等
P.10
面心立方晶胞
Z
c
a
X
P.31
维氏HV 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 800 900
三种硬度的换算表
布氏HBS 238 285 333 380 428
(475) (523) (570) (618)
洛氏HRS 22.2 29.8 35.5 40.8 45.3 49.1 52.3 55.2 57.8 60.1 64.0 67.0
材
工艺性能
料
性
物理性能
能
化学性能
经济性能
有没有足够强度、硬度和韧性， 满足使用要求
好不好进行加工（变形、切削、 焊接等）
是否满足特殊要求导电、导热等
有时候考虑耐腐蚀等问题
价格怎么样，考虑效益
P.22
（一）金属的物理性能
1、密度
重金属: 指比重大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴 、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命 活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动 所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。
P.36
实际上，晶体内部存在大量的线缺陷——位错。理论和实验研究 都证明，晶体的滑移是通过晶体中的位错在切应力的作用下沿着滑移 面逐步移动的结果
P.37
单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向） 产生剪切变形。
P.38
2、熔点 低熔点金属及合金 难熔金属及合金
3、导电性 4、导热性 5、热膨胀性 6、磁性
P.23
（二）材料的化学性能
1、耐腐蚀性 （1）化学腐蚀
（2）电化学腐蚀 防止腐蚀的途径：
形成钝化保护膜、减少电位差、不接触电解质
P.25
二、金属的力学性能
常用的力学性能指标有：
强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等
1、强度和塑性
采用拉伸试验法测定
应力： F / S0
单位：MPa
标准拉伸试样
低碳钢的拉伸曲线
应变： L / L0
P.26
拉伸试样变形的三个阶段：
（1）弹性变形 应力与应变成正比，符合胡克定律
（2）塑性变形 材料屈服后的变形
T再＝（0.35～0.4）T熔
P.45
六、 金属的热加工
１、 冷加工与热加工的区别 金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。在金属学中，冷
热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加 工，而高于再结晶温度的加工为热加工。 ２、热加工对金属组织和性能的影响
消除金属的组织缺陷 、细化晶粒 、形成锻造流线 、形成带状组织
P.12
各向异性
不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如强度、塑 性、电阻率、导热性）不同的现象
Z
Z
Y
X
X
问题：为什么常见的金属材料没有显示各向异向性？
Y
P.13
3. 金属中的实际晶体结构 实际金属晶体结构与理想结构的偏离
单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。 如钻石、单晶Si半导体。
P.42
五、 金属的回复与再结晶
a)加热前
b) 625℃加热（不完全再结晶）
c) 670℃加热（完全再结晶）
d) 750℃加热（晶粒长大）
图2-26 经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化
P.43
冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图
P.44
1．回复 变形后的金属在较低温度进行加热时，原子活动能力有所增加，原子已
因形变织构形成的冲压制耳
P.41
（2）塑性变形对金属性能的影响
塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的 变化。其显著的影响为随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高 ，而塑性和韧性明显下降，这种现象称为形变强化，也称加工硬化。
（3）塑性变形使金属产生残余应力
加工后的工件如果有残余应力，将影响其精度和寿命
能作短距离的运动，其晶格畸变程度显著减轻，内应力有所降低，这个阶段 称为回复。
在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了 加工硬化，这种热处理方法称为去应力退火。 2．再结晶
冷变形金属加热至一定温度之后，由于原子活动能力增强，被拉长（或 压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀细小的等轴晶，其力学性 能发生了明显的变化，恢复到完全软化状态。这种冷变形组织在加热时重新彻底 改变而恢复至变形前状态的过程称为再结晶。
应用 ： 主要用于铸铁、非铁金属、经退火、正火和调 质处理的钢材的硬度测定
P.30
（2）洛氏硬度 (HR)
可以用于硬度很高的材料，操作简便迅 速，是最常用的一种硬度测量法。
数值可以直接从表盘上读出，有三种 刻度即HRC、HRA、HRB，HRC最常用
（3）维氏硬度 (HV)
可以测试任何金属材料的硬度，但最常用于测定显微硬度；
P.6
３.三种常见的金属晶体结构
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
P.7
（1）体心立方晶格 bcc
a-Fe、W、V、Mo 等
思考： 1、体心立方晶胞的晶格常数满足什么样的要求？ 2、一个体心立方晶胞包含几个原子？ （注意：放在整个点阵空间中考虑）
P.8
体心立方晶胞
P.28
塑性： 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力；
判据是材料断裂时的最大相对塑性变形；
（1）伸长率 （ ）
L1 L0 100 %
L0
（2）断面收缩率 （ y ）
y S0 S1 100 %
S0
P.29
2、 硬度 指金属表面一个很小的体积内抵抗弹性变形、塑性
变形或抵抗破裂的一种能力； （1）布氏硬度（HB）
金属材料的结构与性能
内容提纲
1 金属的晶体结构 2 金属材料的性能分类 3 金属的力学性能指标 4 金属的塑性变形 5 金属的回复与再结晶
P.2
1 金属的晶体结构
● 晶体的概念 晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
晶体：
非晶体：
金属、金刚石、NaCl、 蜂蜡、松香、玻璃、塑料、
雪和冰 等。
橡胶等
液体
P.3
● 晶体结构
原子（离子）的刚球模型
原子中心位置
P.4
点阵（晶格）模型
晶 胞 讨论：１、如何用最简便的方法表达晶格的特征？ ２、晶胞（一般为平行六面体）的形状由哪些参数决定？
P.5
Z
c
b ab
a
g
Y
X 棱边长度a ，b ，c及 棱边夹角a , b , g 称为晶格常数
刃型位错移动
P.17
螺旋位错
螺旋位错移动
P.18
（3）面缺陷
晶粒（单晶体）
晶界
大角晶界
亚晶界 小角晶界
P.19
亚晶界
亚晶界
面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
P.20
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
P.21
2 wk.baidu.com属材料的性能分类
力学性能 （机械性能）
bY
晶格常数：a=b=c； a=b=g=90
晶胞原子数： 4 原子半径： 致密度：0. 74
P.11
（3）密排六方晶格 hcp Mg、Zn 等
a
密排方向
晶格常数
底面边长a 底面间距c c/a= ≈1.633 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞原子数： 6个 原子半径： a/2
致密度： 0.74
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。如大冰块、常见的金属材料
晶粒（单晶体）
P.14
晶体缺陷类型：
（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
P.15
（1）点缺陷
空位
间隙原子
如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）
P.16
（2）线缺陷 —— 刃位错与螺位错
P.39
２. 塑性变形对金属组织和性能的影响 (1)塑性变形对金属组织的影响
使晶粒变形，产生纤维组织
P.40
产生织构
金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，由于晶粒发生转动，使晶粒位向 趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结 构，称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是大多数晶粒的某个晶向平行于 拉拔方向，称为丝织构；另一种大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向，称 为板织构
P.46
（２）多晶体的塑性变形
在多晶体中，晶粒越小，单位体积上晶粒的数量就越多，晶界的总 面积增大，因而晶界变形抗力越大，所以整个金属的强度较高。
s 0 Kd 1 2
取决于材料本 身原子结合力
常数
晶粒直径
晶粒的细化是金属的一种非常重要的强韧化手段，工业上将 通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
常用方法 ：
选择耐腐蚀材料、表面处理
2、高温抗氧化性 高温下抵抗氧化和腐蚀的能力
P.24
（三）金属的力学性能（机械性能） 常用的力学性能指标有： 强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等
（四）金属的工艺性能 ➢ 铸造性能（可铸性）流动性、收缩性、偏析 ➢ 锻造性能（可锻性）塑性、变形抗力 ➢ 切削加工性能（可切削性）表面粗糙度、刀具寿命 ➢ 焊接性能（可焊性）焊接性、碳当量
P.32
3、冲击韧度 材料抵抗冲击载荷的能力
摆锤式冲击试验
ak
AK SN
P.33
4、疲劳极限
当应力低于某值时，应力循环无数次也不会发生断裂，此应力值称 为材料的疲劳极限。
P.34
4 金属的塑性变形
P.35
１ 金属的塑性变形
金属在外力作用下的变形分为弹性变形和塑性变形。 （１）单晶体的塑性变形
（3）断裂分离
F= kL
P.27
强度： 材料在外力作用抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1）弹性极限（e ）：卸力后不产生塑性变形的最大应力； （2）屈服点（屈服强度） （s）
拉伸过程中力不变，试样仍然伸长时的应力； 没有明显屈服点的以产生0.2%残余应变时的应力值表示
（3）抗拉强度（b）
拉伸过程中最大力所对应的应力；
Z
c
a a 2r
a
bY
晶格常数：a=b=c； a=b=g=90
晶胞原子数：2 原子半径：
致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
P.9
（2）面心立方晶格 fcc
g-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pb 等
P.10
面心立方晶胞
Z
c
a
X
P.31
维氏HV 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 800 900
三种硬度的换算表
布氏HBS 238 285 333 380 428
(475) (523) (570) (618)
洛氏HRS 22.2 29.8 35.5 40.8 45.3 49.1 52.3 55.2 57.8 60.1 64.0 67.0
材
工艺性能
料
性
物理性能
能
化学性能
经济性能
有没有足够强度、硬度和韧性， 满足使用要求
好不好进行加工（变形、切削、 焊接等）
是否满足特殊要求导电、导热等
有时候考虑耐腐蚀等问题
价格怎么样，考虑效益
P.22
（一）金属的物理性能
1、密度
重金属: 指比重大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴 、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命 活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动 所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。
P.36
实际上，晶体内部存在大量的线缺陷——位错。理论和实验研究 都证明，晶体的滑移是通过晶体中的位错在切应力的作用下沿着滑移 面逐步移动的结果
P.37
单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶 体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向） 产生剪切变形。
P.38