课题3 金属材料的结构与性能

课题3 金属材料的结构与性能课题引入首先请大家思考以下几个问题：➢歌词有“比钢还强，比铁还硬”，怎样衡量钢的强，铁的硬？➢作为汽车工程材料，选择金属时主要考虑哪些因素？➢为什么“打铁要趁热”？➢为什么说“千锤百炼出好钢”？➢为什么汽车覆盖件钢板经过冲压成形后变得更强更硬？课题说明金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。

金属材料的性能主要分为四个方面，即：力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

在汽车制造工程中选用金属材料时，一般以力学性能作为主要依据，故必须掌握力学性能的主要指标：强度、硬度、塑性、冲击韧性等。

本项目主要学习金属材料的力学性能、金属晶体结构、金属塑性变形、金属和合金结晶过程及组织变化，通过本课时学习，从本质上掌握钢铁的性能与组织的概念，并了解这两者之间的内在联系，为后续金属材料热处理工艺的学习打下基础。

课题目标✧掌握金属的常见晶体结构类型及特点✧掌握实际金属晶体结构的缺陷的类型。

✧掌握金属材料的力学性能的各项指标的概念及工程意义。

✧掌握金属晶体结构与力学性能的关系。

✧掌握金属冷塑性变形对金属性能及组织结构的影响。

✧掌握变形金属后的回复与再结晶原理及工业应用。

✧了解热加工与冷加工的主要区别及热加工的应用。

3.1金属的晶体结构金属材料的种类很多，性能和用途也各不相同。

金属的外在性能很大程度是由金属内部的组织结构决定的。

因此，研究金属内部的组织结构及形成规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。

3.1.1晶体结构的基本概念1．晶体与非晶体固态物质根据其原子排列排列特征，可分为晶体和非晶体两大类。

自然界中，除了少数物质，如普通玻璃、沥青、石蜡松香等外，绝大多数固态物质都是晶体。

晶体与非晶体的区别表现在许多方面：（1）晶体内部的原子排列有规律，故一般有规则的外形；而非晶体内部原子排列无规则，没有规则的外形。

（2）晶体有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。

（3）晶体原子呈规则排列，各方向的原子排列密度不一样，使得晶体表现出各向异性的特征；而非晶体在各个方向上的原子聚集密度大致相同，故表现出各向同性。

实际晶体中的各类质点（包括离子、电子等）虽然都是在不停地运动着，但是，通常在讨论晶体结构时，为了便于分析，常把构成晶体的原子看成是一个个固定的刚性小球，这些原子小球按一定的几何形式在空间紧密堆积。

这样，金属晶体就可以看成是由许多刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成。

如图3-1a所示。

为了更清楚地描述晶体内部原子排列的几何形状和规律，实际研究中常引用晶格和晶胞的概念。

2．晶格将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。

这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格子称为晶格。

如图3-1b所示，它使我们进一步看清了金属晶体中原子排列的规律。

所以，晶格是研究金属晶体结构的重要手段之一。

3．晶胞由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，且由最少数原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞。

不难看出整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成。

通过对晶胞的研究可找出该种晶体中原子在空间的排列规律。

图3-1 简单立方晶格与晶胞示意图4．晶面、晶向和晶格常数在晶格中由一系列原子组成的平面称为晶面，晶体由重重晶面堆砌而成。

晶格中由两个以上原子中心连接而成的任一直线，都代表晶体空间的一个方向，称为晶向。

晶胞中各棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ称为晶格参数（如图2-1c）。

晶胞中各棱边长度又称为晶格常数，以A（埃）为计量单位（1A=1×10-10m）。

当三个晶格常数a=b=c，三个轴间夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。

3.1.2金属的晶体结构类型根据晶体晶胞中原子小球堆砌规律的不同，可以将晶格基本类型划分为14种。

在金属材料中，常见晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。

1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个角上和中心各有一个原子，如图3-2所示。

八个顶角上的每个原子为相邻的八个晶胞所共有，中心的原子为该晶胞所独有，所以体心立方晶胞中的原子数为1+8×1/8=2个。

纯铁（α-Fe）在912℃以下具有体心立方晶格，属于这类晶格类型的金属还有Cr、Mo、W、V等，它们大多具有较高的强度和韧性。

原子在晶格中排列的紧密程度对晶体性质有较大的影响，晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度来表示。

致密度是晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。

体心立方晶格的致密度为0.68，表示体心立方晶格有68%的体积被原子所占据，其余32%为空隙。

图3-2 体心立方晶胞示意图2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个角上和六个面的中心各有一个原子，如图3-3所示。

八个顶角上的每个原子为相邻的八个晶胞所共有，面中心的原子为相邻两晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数为6×1/2+8×1/8=4个。

致密度为0.74。

图3-3 面心立方晶胞示意图纯铁（γ-Fe）在912℃以上具有面心立方晶格，属于这类晶格类型的金属还有Al、Cu、Ni、Au、Ag等，它们大多具有较高的塑性。

3．密排六方晶格图3-4 密排六方晶胞示意图密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱，如图3-4所示。

原子位于两个底面的中心处和十二个顶点上，体内还包含着三个原子。

十二个顶点上的每个原子为相邻六个晶胞所共有，上下底面中心的原子为相邻的两个晶胞所共有，而体内所包含的三个原子为该晶胞所独有，所以密排六方晶胞中的原子数为2×1/2+12×1/6+3=6个。

致密度为0.74。

属于这类晶格类型的金属有Mg、Zn、Be及高温下的Ti等，它们大多具有较大的脆性，塑性较差。

可见，晶格类型不同，原子排列方式、致密度、晶格常数等就不同，金属力学性能也将随之变化。

同时由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列密度不同，原子间结合力也就不同，因此晶体在不同晶面和晶向上表现出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。

但在实际金属材料中，一般却见不到它们具有这种各向异性的特征，这是因为金属实际晶体结构与理想晶体结构有很大的差异所致。

3.1.3金属的实际晶体结构在实际应用的金属材料中，由于在熔炼过程中受到各种因素及不可避免的杂质影响，使本来该有规律的原子堆积方式受到干扰，总不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整区域。

1．单晶体和多晶体晶体内的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。

很少有天然的单晶体，一般要靠特殊的方法才能制得。

而实际的金属晶体是由许多不同方位的晶粒所组成。

晶粒与晶粒这间的界面称为晶界。

这种由多晶粒组成的实际晶体结构称为多晶体，如图3-5所示。

a)单晶体b)多晶体图3-5单晶体和多晶体示意图2．晶体缺陷实际金属中，除了具有多晶体组织外，由于结晶或其它加工条件的影响，还存在大量的晶体缺陷。

根据几何特征，晶体缺陷一般分为以下三类：（1）点缺陷点缺陷特征是在三个方向上尺寸都很小，不超过几个原子间距。

点缺陷一般包括间隙原子、置换原子和晶格空位。

间隙原子则是个别具有较高能量的原子摆脱晶格对其的束缚，脱离平衡位置，跳到晶界处或晶格间隙处而形成间隙原子，如图3-6a)所示。

置换原子是外来杂质原子取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置，如图3-6b)所示。

晶格空位是结晶时晶格上应被原子占据的结点未被占据而留下空位，如图3-6c)所示。

不管是何种点缺陷，它们的存在都使晶格发生畸变，从而引起金属强度、硬度升高，电阻增大。

a)间隙原子b)置换原子c)晶格空位图3-6 点缺陷示意图（2）线缺陷线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是各种类型的位错。

所谓位错是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。

位错的形式很多，基本的类型有两种：刃型位错与螺型位错。

刃型位错如图3-7所示。

由图可见，晶体的上半部多出一个原子面(称为半原子面)，它像刀刃一样切入晶体中，使上、下两部分晶体间产生了错排现象，因而称为刃型位错。

EF 即为刃型位错线。

a) 立体图b) 平面图3-7 刃型位错示意图螺型位错是晶体的两部分发生相对切变滑移，出现的已滑移区和未滑区的边界BC即为螺型位错线，过渡地带的原子被扭曲成螺旋形，如图3-8所示。

a) 立体图b) 平面图3-8 螺型位错示意图不管是何种位错，晶体在位错线附近晶格发生了畸变，造成金属强度升高。

而且位错在外力作用下会产生运动、堆积和缠结。

冷塑性变形主要是通过位错的滑移来实现，变形之后晶体中位错缺陷大量增加，从而金属的强度得到大幅度提高，这种现象称为形变强化。

（3）面缺陷面缺陷特征是在一个方向上尺寸很小，而另外两个方向上尺寸很大，主要指晶界和亚晶界。

由于各个晶粒之间的位向互不相同，甚至相差达30°~40°，当一个位向的晶粒过度到另一位向的晶粒时，必然会形成一个原子排列无规则的过度层，称为晶界。

大多数相邻晶粒的位向差都在15°以上，又称之为大角晶界。

如图3-9所示。

在晶体中每个晶粒内部的原子排列只是大体上整齐一致，实际还存在着许多相互间位向差很小的小尺寸晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。

亚晶粒这间的交界面称为亚晶界（图3-10）。

亚晶界是由一些位错排列而成的小角度晶界，图3-11是由刃型位错构成的小角晶界示意图。

图3-9 大角晶界图3-10 亚晶界图3-11 小角晶界由于晶界处原子排列不规则，偏离平衡位置，因而使晶界上原子的平均能量高于晶粒内部，这部分高出的能量称为界面能（晶界能）。

界面能的存在和原子排列不规则使晶界具有一系列不同于晶内的特性。

例如，晶界比晶内易受腐蚀，晶界处熔点低，晶界对塑性变形（位错运动）的阻碍作用等。

在常温下，晶界处不易产生塑性变形，故晶界处硬度和强度均较晶内高。

晶粒越细小，晶界亦越多，则金属的强度和硬度亦越高。

总而言之，在实际的多晶体金属中，由于种种原因的干扰和破坏，将会出现各种不同的晶体缺陷，它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且也能合并和消失。

都将不同程度地造成晶格畸变，使常温下金属的强度、硬度提高，同时还将会对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等产生重要影响。

3.2金属材料的性能分类为了合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、部件在正常工作下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程材料应具备的性能（工艺性能）。

使用性能是指材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能（如密度、磁性、导电性、导热性等）、化学性能（如耐腐蚀性、热稳定性等）、力学性能（如强度、塑性、硬度等）。