不同金属材料具有不同力学性能

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是成分相同的材料，当经过不同的热加工或冷变形加工后性能也会有很大差异。金属材料之所以具有不同的性能与它的内部原子排列规律和结构缺陷有密切的关系。

纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。

本章主要内容：

1．金属的晶体结构

2．金属的实际晶体结构

3．金属的结晶过程和同素异构转变

4．合金的基本概念

5．铁碳合金的基本组织

6．铁碳合金相图

7．碳素钢

本章基本要求：

1、了解金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论；

2、理解合金的基本概念；

3、理解铁碳合金的基本组织的概念和特点；

4、掌握铁碳合金相图主要点、线、区的含义以及典型铁碳合金的结晶过程；

5、理解钢中常存的杂质元素及其对钢的性能的影响；

6、掌握碳素钢的分类、牌号和应用。

本章重点难点：

1、金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论；

2、合金的基本概念及铁碳合金的基本组织；

3、铁碳合金相图；

4、碳素钢的牌号和用途。

第一节金属的晶体结构

本节导航：[一、金属是晶体] [二、晶体结构的基本概念] [三、常见晶格类型]

一、金属是晶体

金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为非晶体与晶体两种。

非晶体：原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等。

晶体特点：

晶体的原子排列

1、原子都按一定的次序作有规则的排列；

2、具有一定的熔点；

3、具有各向异性。

如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。

二、晶体结构的基本概念

晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。

晶胞：晶格的最小单元，如下图所示。

晶格与晶胞

晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。

晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ（轴间夹角）。

晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-8cm。通常数值在2.5～5.0A 之间。简单立方晶格a=b=c , α=β=γ

各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。

三、常见晶格类型

常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：

1、体心立方晶格

原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示, 属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。

这类金属有相当大的强度和较好的塑性。

体心立方晶格

2、面心立方晶格

原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。

这类金属的塑性都很好。

面心立方晶格

3、密排六方晶格

原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子，如图18-4所示。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。

密排六方晶格

第二节金属的实际晶体结构

本节导航：[一、单晶体与多晶体] [二、晶体的缺陷]

一、单晶体与多晶体

金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体，如图所示。

多晶体：是由多晶粒组成的晶体结构。

晶界：晶粒之间的接触面。

多晶体单晶体

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。

二、晶体的缺陷

在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。

晶体缺陷按几何形状可分为：

1、点缺陷

晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。如图所示。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。

2、线缺陷

线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。如图所示。

刃型位错3、面缺陷

面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。

这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。多晶体存在有晶界，由于晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，致使该区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变，如图所示。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全有规则的，而是由许多位向差很小的晶块所组成的。这些小晶块称为嵌镶块或亚晶粒。在亚晶粒的交界面，即亚晶界处也存在着晶格畸变，如图所示，它也是面缺陷。