常见金属的晶体结构与结晶
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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
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
金属的结晶构造和结晶过程
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金属晶体模型
二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶体 原子呈有序排列
名 非晶体 原子呈无序排列
词 术 语
晶格 描述原子排列规律的空间格子 晶胞 组成晶格的最基本单元
晶格常数 晶胞的棱边长度
将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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一、晶体与非晶体
1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
1 538℃
1 394℃
912℃
L
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
密排六方晶格
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❖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, 上下底面之间均匀 分布三个原子。
❖ 密排六方晶胞的特征：
晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间 的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹角为90°。
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
金属晶体结构及结晶
金 刚 石 晶 格
SiO2非晶态
Page 2
金属的晶体结构
组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同！
金 刚 石 及 其 晶 格
石 墨 及 其 晶 格
Page 3
金属的晶体结构
在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
SiO2 的结构
Page 4
金属的晶体结构
晶体的特征：
种现象称为各向异性。
a-Fe 单晶体，BCC
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
Page 26
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
Page 52
三、影响生核与长大的因素 （一）过冷度的影响
随着过冷度增加, 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。 这是由于液体金属结晶时的成核和长 大，均需原子扩散才能进行。当温度
（三）常见的金属晶格
体心立方
BCC (body-center cubic)
面心立方
密排六方
HCP FCC (face-centered cubic) (hexagonal close-packed)
模型
晶胞原子数
密排面
Page 9
金属的晶体结构 （1）体心立方晶格 （BCC）
晶格常数为a (a=b=c)，致密度为68%
晶胞原子数为4
属于这类晶格的金属有g- Fe（912~1394℃的纯铁）、 铜（Cu）、铝（Al）、镍（Ni）等。
金属的结晶构造和结晶过程
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一、晶体与非晶体
1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
➢ 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。
体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
1 538℃
1 394℃
912℃
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
长。
二、金属的结晶过程
晶粒大小及其控制
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细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大
细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
(1)增加过冷度 即加快金属液的冷却速度。 (2)变质处理 即在浇注前向金属液中加入少量形核剂(又称变质 剂或孕育剂),造成大量非自发形核,使晶粒细化。 (3)振动处理 金属结晶时,对金属液进行机械振动、超声波振动
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
金属的晶体结构与结晶.
（1）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
返回目录
小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
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HBS F A
A-表示凹印表面积（mm ）。
F-表示试验力（㎏f）。
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位， 只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。 布氏硬度的标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度 值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载 荷保持时间。 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的淬火钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s (10-15s不标注) 测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大， 不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛 氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种
符号 HRA HRB HRC
压头类型
载荷/k g f 硬度有效范围
120
金刚石圆锥 60 体
直径为
100
1.588mm钢
球
金刚石圆锥 150 体
70～85
25～100 （相当60～ 230HB） 20～67 (相当230～ 700HB)
常见金属的晶体结构与结 晶
优选第二章常见金属的晶体结 构与结晶
1. 弹性极限σe
材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大
应力。
2. 屈服极限（屈服强度）σs 金属开始发生明显塑性变形的抗力。
铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极
限σ0.2 表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。
3. 强度极限(抗拉强度σb )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ. 导电性
传5. 导热电膨流胀的性能力称导电性，用电阻率来衡量。 ➢材电料阻随率温越度小变，化金而属膨材胀料、导收电缩性的越特好性。。 ➢➢金膨属胀导系电数性大以的银材为料最制好造，的铜零、件铝, 温次度之变。化时, 尺 ➢寸合和金形的状导变电化性较比大纯。金属差。 ➢➢电轴阻和率轴小瓦的之金间属要(根纯据铜其、膨纯胀铝系)适数于来制控造制导间电隙零尺件 和寸电；线。 ➢➢电在阻热率加大工的和金热属处或理合时金要(考如虑钨材、料钼的、热铁膨、胀铬影、响铝, ) 适减于少做工电件热变元形件和。开裂。
表示金属受拉时所能承受的最大应力。
二、塑性
断裂前材料产生永久变 形的能力称为塑性。
1. 伸长率（δ）
(a)原始试样 （b)拉伸后试样
试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称
为伸长率。
2. 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原 横断面积的百分比称为断面收缩率。
硬度
硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 •常用测量硬度的方法
布氏硬度HB
洛氏硬度HR
维氏硬度HV
⑴布氏硬度 布氏硬度试验是用一定直径D 的淬火钢球或硬质合金球，在 规定的试验力F的作用下，压 入试件表面，并保持一定时间， 卸除力F，测量压痕直径d， 以压痕单位面积上的压力表示 材料的布氏硬度值。
压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450HBS以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用 于布氏硬度在450~650HBW的材料。 其计算公式为：
根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分 为HRA、HRB、HRC三种标尺，其中以HRC 应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘 上读出，不需计算，也不用标出单位。 洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB) 如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但 测量结果不够精确。
表-2
使用范围
适用于测量硬质合金、钢 表、淬火层或渗碳层 适用于测量非铁金属退火、 火等
适用于调质钢、淬火钢等
四、冲击韧度（ak）
许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、 锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用
符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应 力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。
构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩 展，导致机件破断。
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。
裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 K表I 示。
Y ：系数 σ ：外加应力
a ：裂纹半长
裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强
冲击试样
冲击吸收功的测定
五、疲劳强度
轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在 工作过程中各点的应力随时间作周期性的变 化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应 力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工 作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过 程称为金属的疲劳。
交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环 而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳 强度)，用σ-1 表示。
度因子称为临界应力场强度因子，用K1C表
示，单位为MN/m3/2，它代表材料的断裂 韧性。
金属材料的理化性能
一、金属的物理性能
1. 密度 单2. 位熔体点积物质的质量称为该物质的密度。 3密金. 度属导小 从热于 固性态5×向10液3态kg转/m变3时的的金温属度称称为为轻熔金点属。, 如铝导熔、热点镁性高、通的钛常金及用属它热称们导难的率熔合来金金衡属。量，用。如于热钨航导、天率钼航越、空大钒器,等导，热 性上制越造。好耐。高金温属零的件导，热如性火银箭为、最导好弹,、铜燃、气铝轮次机之和。合 金喷的气密导飞度热机大性等于比零5纯、×1金部0属件3 k差。g。/m3的金属称为重金属, 如铁在熔、热点铅加低、工的钨和金等热属。处称理为时易，熔必金须属考如虑锡导、热铅性等，，防可止 材零用料件于在变制加形造热或保或开险冷裂丝却。和过防程火中安形全成阀过零大件的等内。应力，以免 选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换 器与活塞等零件。
⑵洛氏硬度 洛氏硬度试验是用顶角120°的金刚石圆锥体或 直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载荷， 使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确 定其硬度值。
洛氏硬度实验
• 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试 验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧密接触试件表 面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验 力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变 形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。
A-表示凹印表面积（mm ）。
F-表示试验力（㎏f）。
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位， 只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。 布氏硬度的标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度 值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载 荷保持时间。 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的淬火钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s (10-15s不标注) 测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大， 不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛 氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种
符号 HRA HRB HRC
压头类型
载荷/k g f 硬度有效范围
120
金刚石圆锥 60 体
直径为
100
1.588mm钢
球
金刚石圆锥 150 体
70～85
25～100 （相当60～ 230HB） 20～67 (相当230～ 700HB)
常见金属的晶体结构与结 晶
优选第二章常见金属的晶体结 构与结晶
1. 弹性极限σe
材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大
应力。
2. 屈服极限（屈服强度）σs 金属开始发生明显塑性变形的抗力。
铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极
限σ0.2 表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。
3. 强度极限(抗拉强度σb )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ. 导电性
传5. 导热电膨流胀的性能力称导电性，用电阻率来衡量。 ➢材电料阻随率温越度小变，化金而属膨材胀料、导收电缩性的越特好性。。 ➢➢金膨属胀导系电数性大以的银材为料最制好造，的铜零、件铝, 温次度之变。化时, 尺 ➢寸合和金形的状导变电化性较比大纯。金属差。 ➢➢电轴阻和率轴小瓦的之金间属要(根纯据铜其、膨纯胀铝系)适数于来制控造制导间电隙零尺件 和寸电；线。 ➢➢电在阻热率加大工的和金热属处或理合时金要(考如虑钨材、料钼的、热铁膨、胀铬影、响铝, ) 适减于少做工电件热变元形件和。开裂。
表示金属受拉时所能承受的最大应力。
二、塑性
断裂前材料产生永久变 形的能力称为塑性。
1. 伸长率（δ）
(a)原始试样 （b)拉伸后试样
试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称
为伸长率。
2. 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原 横断面积的百分比称为断面收缩率。
硬度
硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 •常用测量硬度的方法
布氏硬度HB
洛氏硬度HR
维氏硬度HV
⑴布氏硬度 布氏硬度试验是用一定直径D 的淬火钢球或硬质合金球，在 规定的试验力F的作用下，压 入试件表面，并保持一定时间， 卸除力F，测量压痕直径d， 以压痕单位面积上的压力表示 材料的布氏硬度值。
压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450HBS以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用 于布氏硬度在450~650HBW的材料。 其计算公式为：
根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分 为HRA、HRB、HRC三种标尺，其中以HRC 应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘 上读出，不需计算，也不用标出单位。 洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB) 如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但 测量结果不够精确。
表-2
使用范围
适用于测量硬质合金、钢 表、淬火层或渗碳层 适用于测量非铁金属退火、 火等
适用于调质钢、淬火钢等
四、冲击韧度（ak）
许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、 锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用
符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应 力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。
构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩 展，导致机件破断。
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。
裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 K表I 示。
Y ：系数 σ ：外加应力
a ：裂纹半长
裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强
冲击试样
冲击吸收功的测定
五、疲劳强度
轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在 工作过程中各点的应力随时间作周期性的变 化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应 力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工 作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过 程称为金属的疲劳。
交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环 而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳 强度)，用σ-1 表示。
度因子称为临界应力场强度因子，用K1C表
示，单位为MN/m3/2，它代表材料的断裂 韧性。
金属材料的理化性能
一、金属的物理性能
1. 密度 单2. 位熔体点积物质的质量称为该物质的密度。 3密金. 度属导小 从热于 固性态5×向10液3态kg转/m变3时的的金温属度称称为为轻熔金点属。, 如铝导熔、热点镁性高、通的钛常金及用属它热称们导难的率熔合来金金衡属。量，用。如于热钨航导、天率钼航越、空大钒器,等导，热 性上制越造。好耐。高金温属零的件导，热如性火银箭为、最导好弹,、铜燃、气铝轮次机之和。合 金喷的气密导飞度热机大性等于比零5纯、×1金部0属件3 k差。g。/m3的金属称为重金属, 如铁在熔、热点铅加低、工的钨和金等热属。处称理为时易，熔必金须属考如虑锡导、热铅性等，，防可止 材零用料件于在变制加形造热或保或开险冷裂丝却。和过防程火中安形全成阀过零大件的等内。应力，以免 选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换 器与活塞等零件。
⑵洛氏硬度 洛氏硬度试验是用顶角120°的金刚石圆锥体或 直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载荷， 使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确 定其硬度值。
洛氏硬度实验
• 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试 验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧密接触试件表 面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验 力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变 形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。