(完整版)工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)

封面目錄1.1

概述

1.1.1金屬材料的發(fā)展

1.1.2非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展

1.1.3新材料的發(fā)展趨勢(shì)1.2固體材料的性能1.3金屬的結(jié)構(gòu)

1.3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.3.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第1章工程材料材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。材料作為生產(chǎn)活動(dòng)的基本投入之一，對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。歷史上曾把當(dāng)時(shí)使用的材料，當(dāng)作歷史發(fā)展的里程碑，如“石器時(shí)代”、“青銅器時(shí)代”、“鐵器時(shí)代”等?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了合成材料的興起和應(yīng)用；20世紀(jì)80年代特種陶瓷材料又有很大進(jìn)展，工程材料隨之?dāng)U展為包括金屬材料、有機(jī)高分子材料（聚合物）和無機(jī)非金屬材料三大系列的全材料范圍。11.1概述第1章工程材料人類早在6000年以前就發(fā)明了金屬冶煉，公元前4000年，古埃及人便掌握了煉銅技術(shù)。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5％的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，已經(jīng)大量使用鐵器。鑄鐵的發(fā)展經(jīng)歷了5000年的漫長歲月，只是到了瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以后，由于在鐵軌、鑄鐵管制造中的大量應(yīng)用，才走上工業(yè)生產(chǎn)的道路。從20世紀(jì)50年代到2006年，全世界的鋼產(chǎn)量由2.1億噸增加到12.39億噸。而我國2006年鋼產(chǎn)量達(dá)到4.19億噸，超過20世紀(jì)50年代全球鋼產(chǎn)量一倍，躍居全球鋼產(chǎn)量首位。在黑色金屬發(fā)展的同時(shí)，非鐵金屬也得到發(fā)展。人類自1866年發(fā)明電解鋁以來，鋁已成為用量僅次于鋼鐵的金屬。1910年純鈦的制取，滿足了航空工業(yè)發(fā)展的需求。21.1.1金屬材料的發(fā)展1.1.2非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展非金屬材料如陶瓷、橡膠等的發(fā)展歷史也十分悠久。進(jìn)入到20世紀(jì)后，更是取得了重大的進(jìn)展。20世紀(jì)60年代到70年代，有機(jī)合成材料每年以14％的速度增長，而金屬材料年增長率僅為4％。1970年世界高分子材料為4000萬噸，其中3000萬噸為塑料；橡膠為500萬噸，這已超過天然橡膠的產(chǎn)量；合成纖維400萬噸。20世紀(jì)90年代，塑料產(chǎn)量已逾億噸，2006年我國塑料產(chǎn)量達(dá)到2801.9萬噸。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技術(shù)領(lǐng)域已成為耐高溫、耐腐蝕和各種功能材料的主要用材。航空、航天、電子、通信、機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等已在航空航天工業(yè)和交通運(yùn)輸、石油化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。31.1.3新材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。圖1-1為材料比強(qiáng)度隨時(shí)間的進(jìn)展的示意圖，今日先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。圖1-1材料比強(qiáng)度隨時(shí)間的進(jìn)展45新材料主要在以下幾方面獲得發(fā)展：

1.先進(jìn)復(fù)合材料由基體材料（高分子材料、金屬或陶瓷）和增強(qiáng)材料（纖維、晶須、顆粒）復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。

2.光電子信息材料

光電子信息材料包括量子材料、生物光電子材料、非線性光電子材料等。

3.低維材料

指超微粒子（零維）、纖維（一維）和薄膜（二維）材料，這是近年來發(fā)展最快的材料領(lǐng)域。

4.新型金屬材料

如鎳基高溫合金、非晶態(tài)合金、微晶合金、Al-Li合金金屬間化合物等。1.2固體材料的性能6固體材料的主要性能包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能等。力學(xué)性能是工程材料最主要的性能，又稱機(jī)械性能，指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種外載荷如圖1-2所示。

圖1-2載荷的形式1.強(qiáng)度和塑性材料強(qiáng)度指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，如彈性極限、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、疲勞極限、蠕變極限等等。按外力作用的方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度等。工程上最常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。7材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。圖1-3低碳鋼拉伸應(yīng)力－應(yīng)變圖圖1-3a為低碳鋼拉伸試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力－應(yīng)變圖。試驗(yàn)時(shí)將材料做成如圖1-3b標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣在外力作用下，發(fā)生伸長。試樣在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生一種內(nèi)力，其數(shù)值大小與外力相等，方向相反。材料單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，以σ(單位：Pa)表示。可按下式計(jì)算：8(1-1)

1)彈性和彈性模量試樣加載后應(yīng)力不超過σe，若卸載，試樣能恢復(fù)原狀，這種材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為彈性。σe為材料不產(chǎn)生永久變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。圖中Op為直線，表示應(yīng)力(σ)與應(yīng)變(ε)成正比。P點(diǎn)是保持這種正比關(guān)系的最高點(diǎn)，σp稱為比列極限。σp與σe在數(shù)值上很接近，應(yīng)用時(shí)兩者常取同一數(shù)值。9

Op的斜率E(E=)稱為材料的彈性模量，即引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力。工程上把彈性模量E稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量E主要取決于材料的化學(xué)成分，對(duì)金屬材料來說，E主要取決于基體材料，合金化、冷熱加工對(duì)它的影響很小。室溫時(shí)鋼的彈性模量E在190000～220000MPa之間。彈性模量隨溫度的升高而逐漸降低。2)塑性10載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，稱為塑性變形，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性的大小用伸長率δ和斷面收縮率ψ表示。(1-2)式中:l──試樣拉斷后對(duì)接的標(biāo)距長度，mm；

l0──試樣原標(biāo)距長度，mm。(1-3)11式中S0──試樣原始橫截面積，mm2。

S──試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積(mm2)。

δ、ψ愈大，表示材料的塑性愈好。伸長率δ的值隨試樣原始長度增加而減小。所以，同一材料的短試樣(l0＝5d0，d0為試樣原標(biāo)距直徑)比長試樣(l0＝10d0)的伸長率大20％左右。用短試樣和長試樣測(cè)得的伸長率分別用δ5和δ10表示。金屬材料因具有一定的塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并使零件在使用中偶然過載時(shí)，產(chǎn)生一定的塑性變形，而不至于突然斷裂，提高零件使用的可靠性。3)強(qiáng)度12在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。按外力不同，分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等，常用指標(biāo)屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb。

(1)屈服強(qiáng)度σs

如圖1-3所示，在s點(diǎn)（稱屈服點(diǎn)）出現(xiàn)橫向震蕩曲線或水平線段，這表示拉力不再增加，但變形仍在進(jìn)行，此時(shí)若卸載，試樣的變形不能全部消失，產(chǎn)生微量的塑性變形。σs即表示材料在外力作用下開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力，即材料抵抗微量塑性變形的能力。需要指出，大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按GB228－1987要求，取規(guī)定非比例伸長與原標(biāo)距長度比為0.2％時(shí)的應(yīng)力（記為σp0.2），作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為條件屈服強(qiáng)度，可用σ0.2表示。13（1-4）式中:F0.2──試樣產(chǎn)生0.2％塑性變形時(shí)的外力。零件在工作時(shí)一般不允許發(fā)生塑性變形。所以，屈服強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)。（2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度為圖1-3所示的σb值，即材料被拉斷前的最大承載能力。當(dāng)載荷達(dá)到Fb時(shí)，試樣產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。故載荷也逐漸減小，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生斷裂。

σs與σb的比值稱為屈強(qiáng)比，其值一般在0.65～0.75之間。屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高；屈強(qiáng)比愈大，材料的強(qiáng)度利用率愈高，但可靠性降低?？估瓘?qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)材料的σs與σb均有很大的影響。2.硬度14硬度是指金屬材料表面抵抗其它硬物體壓入的能力，它是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度值和抗拉強(qiáng)度等其它力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，故在零件圖上，對(duì)力學(xué)性能的技術(shù)要求往往是標(biāo)注硬度值。生產(chǎn)中也常以硬度作為檢驗(yàn)材料性能是否合格的主要依據(jù)，并以材料硬度作為制定零件加工工藝的主要參考。測(cè)定硬度最常用的方法是壓入法，工程上常用的硬度指標(biāo)是布氏、洛氏和維氏硬度。硬度測(cè)定的方法和適用范圍見表1-1。由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同，因此，相互間沒有換算公式。但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可獲得大致的換算關(guān)系如下：HBW≈10HRC；HBW≈HV。表1-1常用硬度指標(biāo)測(cè)試方法和適用范圍15硬度分類測(cè)試原理計(jì)算公式及適用范圍測(cè)試原理簡圖布氏硬度用一定直徑的硬質(zhì)合金或淬火鋼球體，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸載，用測(cè)量的表面壓痕計(jì)算硬度適用測(cè)定硬度值650以下材料,記為HBW洛氏硬度在初始試驗(yàn)力及總試驗(yàn)力先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐或淬火鋼球）壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸載，用測(cè)量殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度

HRA測(cè)定硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳鋼;HRB測(cè)非鐵金屬、退火鋼、正火鋼；HRC測(cè)淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼維氏硬度用錐面夾角136度的金剛石四棱錐體壓頭，在載荷F作用下，在試樣表面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，通過測(cè)量壓痕投影兩對(duì)角線平均長度d測(cè)量硬度可采用統(tǒng)一的硬度指標(biāo)，測(cè)量從極軟到極硬材料的硬度，硬度范圍為8～1000HV。因壓痕淺，特別適用于測(cè)定極薄試樣的表面，但測(cè)量麻煩硬度指標(biāo)劃痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度、里氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛）布氏硬度（HBS)淬火鋼球，（HBW)硬質(zhì)合金球洛氏硬度(HRC)（錐角為120°的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136°的金剛石四棱錐體為壓頭(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

了解幾種常用硬度測(cè)量方法(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)10HRC≈HBS(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:測(cè)量薄板類;HV≈HBS;3.沖擊韌度

16評(píng)定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標(biāo)稱為沖擊韌度aK。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌度。其測(cè)定方法如圖1-4。則沖擊韌性aK

（單位：J/cm2)的值為：圖1-4擺錘沖擊試驗(yàn)圖1-5材料的沖擊韌度值－溫度關(guān)系曲線17aK

=(1-5)式中：

S──試樣缺口處的原始截面積，cm2。材料的沖擊韌度值主要取決于其塑性，并與溫度有關(guān)。第二次世界大戰(zhàn)中，美國建造了約5000艘全焊接“自由輪”。其中在1942年至1946年間發(fā)生破斷的船舶達(dá)1000艘，1946年至1956年之間有200艘發(fā)生嚴(yán)重折斷事故。1943年1月美國的一艘T-2y油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷裂成兩半。當(dāng)時(shí)計(jì)算的甲板應(yīng)力水平僅為70MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于船板鋼的強(qiáng)度極限。1945年－1948年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局認(rèn)真分析和研究了第二次世界大戰(zhàn)焊接船舶的破斷事故，通過在不同的溫度下對(duì)材料進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)，得知材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小（圖1-5），當(dāng)溫度降低到某一溫度范圍時(shí)，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。該溫度范圍稱為“冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍”。其數(shù)值愈低，表示材料的低溫沖擊性能愈好。這對(duì)于在低溫下工作的零件具有重要的意義。4.疲勞強(qiáng)度18許多機(jī)器零件的彈簧、軸、齒輪等，在工作時(shí)承受交變載荷，當(dāng)交變載荷的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載作用下材料的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形，屬于低應(yīng)力脆斷。基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后瞬時(shí)斷裂。疲勞斷口的特點(diǎn)19疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一個(gè)疲勞源兩個(gè)疲勞源微裂紋疲勞條紋20疲勞抗力指標(biāo)1、無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)：疲勞極限過載持久值疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞曲線21兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）條件疲勞極限疲勞極限22過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<1052、帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞裂紋擴(kuò)展曲線裂紋擴(kuò)展速率（da/dN)疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(DKth）23影響疲勞抗力的因素1、載荷類型拉壓疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞的疲勞極限均小于對(duì)稱彎曲疲勞。2、材料本質(zhì)材料種類、組織、純度、強(qiáng)度、塑性、韌性均對(duì)疲勞極限有影響。3、零件表面狀態(tài)表面有缺陷會(huì)降低疲勞極限。4、工作溫度溫度升高，疲勞極限降低。5、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)使疲勞極限降低。2425

材料的強(qiáng)度愈高，疲勞強(qiáng)度也愈高。當(dāng)工件表面留存殘余壓應(yīng)力時(shí)，材料表面疲勞極限提高。材料的疲勞強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如碳鋼σ-1≈0.43σb，合金鋼σ-1≈0.35σb＋12MPa。因此在其他條件相同的情況下，材料的疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度的提高而增加。5.斷裂韌度26一些工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件在低于許用應(yīng)力的條件下工作，產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷裂，這種斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷是由于材料內(nèi)部已存在的宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。如圖1-7所示，材料中存在一條長度為2a的裂紋，在與裂紋方向垂直的外加拉應(yīng)力σ作用下，裂紋尖端附近的應(yīng)力分布不再均勻，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂紋尖端應(yīng)力集中場(chǎng)，其大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ（單位：N·mm-2/3

）來描述。KⅠ=σ

(1-6)27隨σ或a增大，KⅠ亦增大。當(dāng)KⅠ增大到某一臨界值時(shí)，使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)大到足以使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KⅠC表示。它反映材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。它是材料本身的特性，與材料的成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。圖1-7張開型裂紋及其尖端應(yīng)力場(chǎng)示意圖6.金屬的高溫力學(xué)性能28材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。許多機(jī)械零件在高溫下工作，在室溫下測(cè)定的性能指標(biāo)就不能代表其在高溫下的性能。一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服強(qiáng)度σS、硬度等值都將降低，而塑性將會(huì)增加，除此之外，還會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象。蠕變是指金屬在高溫長時(shí)間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度，也會(huì)逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機(jī)高分子材料，即使在室溫下也會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象。

材料在高溫下的力學(xué)行為1、材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。2、高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長而降抵。3、高溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長而增加。蠕變：材料在長時(shí)間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。評(píng)價(jià)材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)1、蠕變極限：高溫長期載荷作用下材料對(duì)塑性變形的抗力指標(biāo)成為蠕變極限。 表示方法：（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，符號(hào)為

（2）給定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應(yīng)力值，符號(hào)為：29持久強(qiáng)度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。 表示方法：用給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力表示，sTt

t---時(shí)間；T----溫度；高溫下零件的失效和防止高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施：正確選材（選熔點(diǎn)高、組織穩(wěn)定的材料）；表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）。301.3金屬的結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體，非金屬物質(zhì)大部分也是晶體，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等，而常見的玻璃、松香等，則為非晶體。1.3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)31圖1-8晶體中原子排列示意圖

1.晶體和金屬的特性原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”，如圖1-8a所示。晶體具有固定的熔點(diǎn)。32金屬原子結(jié)合方式-----金屬鍵金屬晶體中，金屬原子失去最外層電子變成正離子，每一個(gè)正離子按一定規(guī)則排列并在固定位置上作熱振動(dòng)，自由電子在各正離子間自由運(yùn)動(dòng)，并為整個(gè)金屬所共有，形成帶負(fù)電的電子云。正離子與自由電子的相互吸引，將所有的金屬原子結(jié)合起來，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”。33

利用金屬鍵可以解釋金屬晶體的各種特性：金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽和性和方向性。自由電子的定向移動(dòng)形成了電流，使金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；正電荷的熱振動(dòng)阻礙了自由電子的定向移動(dòng)，使金屬具有電阻；溫度升高，正電荷熱振動(dòng)振幅增加，電阻增大，電阻溫度系數(shù)增大，使金屬具有正的溫度系數(shù)；自由電子能吸收可見光的能量，使金屬具有不透明性；當(dāng)自由電子從高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)，將吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，使金屬具有光澤；晶體中原子發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，正電荷與自由電子仍能保持金屬鍵結(jié)合，使金屬具有良好的塑性。非晶體的原子則是無規(guī)律、無次序地堆積在一起的。2.晶格、晶胞和晶格常數(shù)34為了便于分析晶體中原子排列規(guī)律及幾何形狀，將每一個(gè)原子假設(shè)成一個(gè)幾何點(diǎn)，忽略其尺寸和重量，再用假想線把這些點(diǎn)連接起來，得到一個(gè)表示金屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子，稱為“晶格”，如圖1-8b所示。晶格中各種方位的原子面稱為“晶面”，構(gòu)成晶格的最基本幾何單元稱為“晶胞”，如圖1-8c所示。晶胞的大小以其各邊尺寸a、b、c表示，稱為“晶格常數(shù)”，以(埃)為單位。(1=1×10-8cm)

晶胞各邊之間的夾角以α、β、γ表示，如圖1-8c所示。3.晶向與晶面35

（1）立方晶系的晶向指數(shù)在晶體中，任意兩個(gè)原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。通常采用晶向指數(shù)來確定晶向在晶體中的位向（圖1-9）。確定立方晶系的晶向指數(shù)方法如下：

1）建立坐標(biāo)。選定晶胞的某一點(diǎn)陣為原點(diǎn)，以晶胞的3條棱邊為坐標(biāo)軸，以棱邊的長度為單位長度；

2）畫有向線。過原點(diǎn)作一有向線平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指數(shù)[uvw]，如果方向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同，但符號(hào)相反；

3）化簡坐標(biāo)值放入[uvw]內(nèi)。取有向線段上任一點(diǎn)的座標(biāo)值化為最簡整數(shù)，加以方括號(hào)，[uvw]即為晶向指數(shù)。例如，當(dāng)坐標(biāo)值x=1，y=2,z=1/3時(shí)，其晶向指數(shù)為[361]。圖1-9立方晶系的一些晶向指數(shù)圖1-10立方晶系中一些主要晶面的晶面指數(shù)36

（2）立方晶系的晶面指數(shù)晶體中各種方位的原子面稱為晶面。立方晶系的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法確定，即晶面指數(shù)是根據(jù)晶面與3個(gè)坐標(biāo)軸的截距來決定。晶面指數(shù)形式為(hkl)，按如下步驟確定：

1）建坐標(biāo)；

2）求截距；

3）取倒數(shù)并化整，放圓括號(hào)()內(nèi)，即得。相互平行的晶面，晶面指數(shù)相同。指數(shù)值相同而符號(hào)相反的兩個(gè)晶面，如(100)與()，則平行地分布在原點(diǎn)兩邊。圖1-10所示為立方晶系中一些主要晶面的晶面指數(shù)。4.常見的晶格類型根據(jù)晶胞的三條棱邊是否相等、三個(gè)夾角是否相等以及是否為直角關(guān)系，晶體學(xué)將所有晶體分為7個(gè)晶系，14種空間點(diǎn)陣，稱作布喇菲空間點(diǎn)陣（圖1-10.1）。由于金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，使金屬原子具有趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。圖1-10.1布喇菲空間點(diǎn)陣37（1）體心立方晶格38體心立方晶胞如圖1-11a所示，由八個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)立方體，在立方體的中心還有一個(gè)原子，其晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角α=β=γ=90°。晶胞實(shí)際原子數(shù)為2個(gè)。屬于這類晶格的金屬有：α-Fe、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)等。圖1-11體心立方晶胞（2）面心立方晶格39面心立方晶格的晶胞如圖1-12a所示，由八個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)立方體，在立方體六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，晶胞中實(shí)際原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4個(gè)。屬于這類晶格的金屬有：γ-Fe、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎳(Ni)、金(Au)等。圖1-12面心立方晶胞（3）密排六方晶格40密排六方晶格的晶胞如圖1-13a所示，是一個(gè)六方柱體。柱體的上、下底面六個(gè)角及中心各有一個(gè)原子，柱體中心還有三個(gè)原子。柱體角上的原子為相鄰六個(gè)晶胞共有，上、下底面的原子為兩個(gè)晶胞共有，柱體中心的三個(gè)原子為該晶胞獨(dú)有，如圖1-13b所示，故晶胞中實(shí)際原子數(shù)為12×1/6+2×1/2+3=6個(gè)。屬于這類晶格的金屬有：鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)等。圖1-13密排六方晶胞5.晶體結(jié)構(gòu)的致密度41晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，用來對(duì)原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較。