金属材料及其热加工

第1章材料的结构与性能

材料的性能决定于材料的化学成分和其内部的组织结构。

1.1金属材料的结构与组织

1.2金属材料的性能

1.3高分子材料的结构与性能

1.4陶瓷材料的结构与性能

§1.1金属材料的结构与组织

固态物质按其原子（离子或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体与非晶体。

一、晶体概念

1、晶体与非晶体的区别：

晶体：原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质。

晶体中的原子排列有对称性和周期性的特点。其主要特征：

主要特征：

–有规则的外形；

–均匀性；

–解离性；

–固定的熔点；

–各向异性。

典型晶体：水晶、食盐、金属等。

非晶体：不具备晶体特征的物质。即，原子（离子或分子）在空间无规则排列。

长程无序，短程有序。

典型非晶体：普通玻璃、松香、塑料等。

2、晶胞—晶体的最小单元

•结点：原子中心联线的交点。

•晶格：原子排列的空间格子。

•晶格常数：各边长及其夹角。

•简单立方晶格：a＝b＝c, α＝β＝γ＝90°

•（简单立方晶格只见于非金属晶体，在金属晶体中看不到）

3、因果关系：

原子构造、原子间结合力性质→晶格形式和晶格常数→不同晶体类型(→不同物质) →物理、化学和力学性能

二、三种常见的金属晶格线型非晶态高聚物的三种力学状态（见1.3.2）

三，三种典型晶格的致密度及晶面和晶向分析

1、晶格致密度（三种计算方法）

（1）体积法（体积密度）

（2）面积密度（晶面上）――晶面密度

（3）线密度（晶向上）――晶向密度

2、晶面及晶向指数――表示符号

晶面：晶体中各个方位上的原子面

晶向：各种方向上的原子列

确定晶面指数的方法：（三步）（hkl）、｛hkl｝

确定晶向指数的方法：（三步）［uvw］、〈uvw〉

3、晶面及晶向的原子密度

密排面、密排方向---影响晶体的力学性能

四、晶体的各向异性

成因：晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，导致晶体在不同方向上的性能有所差异。

晶体的这种各向异性的特点是区别于非晶体的重要标志之一。

五、实际金属中的晶体缺陷

1、点缺陷

空位、间隙原子、异类原子

2、线缺陷

刃型位错、螺型位错；

位错密度――单位体积内位错线的总长度；

金属的强度与位错密度的关系。

位错概念的提出用于解释晶体的塑性变形。

3、面缺陷---晶界、亚晶界

晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。

晶粒内的亚晶粒又叫晶块,(或嵌镶块)

亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1--2度。

亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

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。

亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。晶界和亚晶界均可提高金属

的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大,塑性越好。

六、合金的晶体结构

1、合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

2、组元：组成合金的独立的、最基本的单元，可以是金属、非金属元素或稳定的化合物。

合金的强度、硬度，耐磨性等力学性能比纯金属高许多，某些合金还具有一些特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。

3、相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。

4、固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。

5、金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相，也称中间相。

金属化合物一般熔点高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相。根据其形成条件和结构特点不同，金属化合物主要有以下几类：

（1）正常价化合物，严格遵守化合价规律，如Mg2Si、AlP等。

（2）电子化合物：不遵守化合价规律，如CuZn、Cu3Al等。

（3）间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。

当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定。如M4X、M2X、MX、MX2等。当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。如Fe3C、Cr12C6等。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低些。

七、金属材料的组织

1、显微组织：在金相显微镜下看到的金属材料内部的微观形貌。是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成的。

2、组织和决定因素：金属材料的组织取决于金属材料的化学成分和工艺过程。

3、组织与性能的关系：金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。举例说明。

•在有些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也不相同；•在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织相同，组成相也相同，且形状、大小无明显差异，只是其成分有所不同，其表现出来的性能也不相同（如铁碳合金）。

金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。

1工艺性能：制造工艺过程中，材料适应加工的性能。

2使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括力学性能、物理和化学性能。

§1.2金属材料的性能

一、金属材料的工艺性能

铸型条件下，熔融金属的流动能力。

1、铸造性能

（1）流动性在一定温度和铸型条件下，熔融金属的流动能力。

（2）收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。

铸件收缩不仅会影响尺寸大小，还会使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和开裂等缺陷。

（3）偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。

2、锻造性能

金属材料对用压力加工方法成形的适应能力，称为金属材料的锻造性。

锻造性主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。（铸铁碳钢铝、铜合金）

3、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性，称为金属材料的焊接性。

也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

在机械工业中，焊接的主要对象是钢材。碳质量分数是焊接性的主要影响因素。

(举例说明，碳钢、铜铝合金、灰口铸铁等的焊接性能。)

4、切削加工性能

切削加工性能一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。影响材料切削加工性能的因素主要有材料的化学成分、组织、硬度、韧性、导热性和形变强化等。

5、热处理工艺性能