金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.1、金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織

（一）晶體的基本概念

1.晶格與晶胞晶格：描述晶體排列規(guī)律的空間格架。晶胞：從晶格中取出一個最能代表原子排列特征的最基本的幾何單元。晶格常數(shù)：晶胞各棱邊的尺寸。

簡單立方晶格、晶胞示意圖

第2頁,共53頁，2024年2月25日，星期天晶系

2.晶系按原子排列形式及晶格常數(shù)不同可將晶體分為七種晶系，見下表。第3頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

4.晶胞中所含原子數(shù)一個晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。

5.配位數(shù)及致密度在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。晶胞中原子所占體積分數(shù)，即K=nv′/V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)、v′為單個原子體積、V為晶胞體積。

3.原子半徑晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。第4頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

1.體心立方晶格（bcc晶格）⑴原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。

（二）常見金屬的晶格類型

⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。⑷晶胞所含原子數(shù)2個原子（）。⑸配位數(shù)8。⑹致密度68%()。⑺具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。第5頁,共53頁，2024年2月25日，星期天⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。

2.面心立方晶格（fcc晶格）⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。⑷晶胞所含原子數(shù)4個原子()。⑸配位數(shù)12。⑹致密度74%()。⑺具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。第6頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

3.密排六方晶格（hcp晶格）⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。⑵晶格常數(shù)⑶原子半徑⑷晶胞所含原子數(shù)6個原子()。⑸配位數(shù)12。⑹致密度74%()。

⑺具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。第7頁,共53頁，2024年2月25日，星期天金屬晶格的常用數(shù)據(jù)第8頁,共53頁，2024年2月25日，星期天i.分析：純金屬鋁的晶體結(jié)構(gòu)系FCC，在FCC晶胞中r=a，那么d=2×a，其晶格常數(shù)a與原子直徑d之間的關(guān)系就十分明確了。

ii.解答：因d=2×a，所以a=×d=×0.28683=0.4056nm。因此，金屬鋁的晶格常數(shù)為0.4056nm。iii.歸納與引申：對于立方晶胞來說，晶格常數(shù)a與原子半徑r之間的關(guān)系應(yīng)符合關(guān)系式：r=a（FCC），或r=a（BCC）。因此，遇到此類問題時首先應(yīng)判明是FCC還是BCC晶胞，這是最關(guān)鍵之處；其次，應(yīng)分析已知條件與所求解問題之間的關(guān)系；再之，在運用此關(guān)系式計算后，注意計算結(jié)果是否直接符合題意。iv.請思考：若已知某純金屬的晶格常數(shù)值，如何求其原子半徑呢？【例題1-1】已知純金屬鋁的原子直徑為0.28683nm，試求其晶格常數(shù)。第9頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

1.晶向指數(shù)的確定方法

1)以晶胞中的某原子為原點確定三維晶軸坐標(biāo)系，通過原點作平行于所求晶向的直線。

2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點的三個坐標(biāo)值。

3)將所求坐標(biāo)值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如[101]。具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為[uvw]。

(三)立方晶系的晶面、晶向表示方法

在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。表示晶面的符號稱為晶面指數(shù)；表示晶向的符號稱為晶向指數(shù)。晶向族：晶體學(xué)中等同的晶向統(tǒng)稱為晶向族用尖括號表示ABCOD第10頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

2.晶面指數(shù)的確定方法

1)選坐標(biāo)，以晶格中某一原子為原點（注意不要把原點放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸。

2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標(biāo)軸的截距。

3)求三個截距值的倒數(shù)。

4)將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)，如圖所示，其形式為（hkl）。晶面族是指晶體學(xué)上等同而彼此不平行的一組晶面，用大括號表示OABCA＇B＇C＇D＇第11頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

注意：

1)每一個晶面指數(shù)(或晶向指數(shù))泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向）。

2)立方晶系中，凡是指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。

3)原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個晶面（或晶向）族。

3.晶面及晶向的原子密度不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。第12頁,共53頁，2024年2月25日，星期天體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方晶格中，原子密度最大的晶面族為{110}，稱密排面；在面心立方晶格中，密排面為{111}。

第13頁,共53頁，2024年2月25日，星期天體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度

體心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是〈111〉，稱密排方向。在面心立方晶格中，密排方向為〈110〉。

第14頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

i.

分析：為了繪出(011)

、(231)晶面及[111]、[231]晶向，首先在例題圖1.1所示立方晶胞中建立坐標(biāo)系。

例題圖1.1立方晶胞示意圖

對簡單指數(shù)值的（011）、[111]，如何求（011）晶面呢？先在圖1.1（a）中找出其相應(yīng)截距值，即∞，1，1，然后畫出此晶面；對〔111〕，在1.1a）圖中找出坐標(biāo)值為1，1，1，的某點N，那么連接ＯN的有向直線，即為所求晶向。*再來分析（231），因一般要求在圖1.1b）所示晶胞中畫出待求晶面，故應(yīng)按求晶面指數(shù)步驟反向進行。即對晶面指數(shù)（231），由于它是求倒數(shù)后得來的，所以應(yīng)對2，3，1分別取倒數(shù)得1/2，1/3，1，此即所求晶面在坐標(biāo)系中相應(yīng)截距值；然后在例題圖1.1（b）中分別找出該晶面在X、Ｙ、Z軸上相應(yīng)截距值1/2，1/3，1；最后用直線將截距值對應(yīng)的點連接，并用影線示出，此即為（231）晶面。

*對晶向指數(shù)[231]：該指數(shù)值亦是經(jīng)化簡后得到的，那么應(yīng)將2，3，1恢復(fù)至化簡前狀態(tài)即2/3，1，1/3；然后在圖1.1b）示晶胞中找出坐標(biāo)值為（2/3，1，1/3）的某點A；最后從原點O出發(fā)，引一射線OA，此即為所繪的具有[231]晶向指數(shù)的晶向?！纠}1.2】在一立方晶胞中，繪出下列晶面與晶向：（011）、（231）；［111］、［231］。第15頁,共53頁，2024年2月25日，星期天ii.

解答：見例題圖1.1所示，（a）中EFGH晶面即為所求（011）晶面，ON晶向即為所求[111]；（b）中BCD晶面即為所求（231）晶面，OA晶向即為所求的[231]。

iii.歸納與引申：晶面指數(shù)與晶向指數(shù)的求法不外乎兩種。（1）已知晶面指數(shù)值，要求在所給定的立方晶胞中畫出此晶面。其思考方法是依據(jù)晶面指數(shù)的求解步驟進行反向思維而展開，例如對于晶面（123），按照晶面指數(shù)的求解步驟反向進行就是先取倒數(shù)即1，1/2

，1/3

，這就是說該晶面在坐標(biāo)系的三條坐標(biāo)軸上的截距值為1，1/2

，1/3

，有了截距值該晶面就很容易繪出了。當(dāng)已知晶向指數(shù)值時亦是如此，不過此時不是取倒數(shù)而是求出晶胞上某點的坐標(biāo)值，例如對于晶向[123]，其求解步驟的反向就是找出該晶向上的某點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即回到

化簡前狀態(tài)，1/3

，2/3

，1，那么該點

就很容易找出，從坐標(biāo)原點出發(fā)連至該點

的有向直線即為所求晶向。例題圖1.1立方晶胞示意圖

→第16頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（2）在已知立方晶胞中，若已知某晶面（或晶向）位置，欲求該晶面（或晶向）指數(shù)值。此時按求解晶面指數(shù)（晶向指數(shù)）步驟進行即可。（3）求解晶面（或晶向）指數(shù)時，應(yīng)注意坐標(biāo)原點的選取不是唯一的（即坐標(biāo)原點可平移）。（4）一定注意區(qū)分晶面族、晶向族與具體某晶面、某晶向，如{100}晶面族，它包括（100）、（010）與（001）三個晶面，而（100）晶面即為一具體晶面。iv.思考：在立方晶系中，{111}晶面族共包含多少個晶面？←例題圖1.2立方晶胞示意圖

第17頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

（四）金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷一塊晶體內(nèi)部晶格位向完全一致，稱該晶體為單晶體。由多晶粒構(gòu)成的晶體稱為多晶體。

實際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為以下三種：

金屬多晶體示意圖第18頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

1.點缺陷點缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個原子直徑的缺陷。⑴空位，如圖所示⑵間隙原子，如圖所示⑶置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生了扭曲—晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強度增加，金屬的密度發(fā)生變化。

點缺陷示意圖

第19頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

2.線缺陷線缺陷是指二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。它包括各種類型的位錯。所謂位錯是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。第20頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

位錯密度可用單位體積中位錯線總長度來表示，即式中，ρ為位錯密度（m-2）；ΣL為位錯線的總長度（m）；V為體積（m3）。位錯的存在極大地影響金屬的力學(xué)性能，如圖所示。第21頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

3.面缺陷面缺陷是指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界。

晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。如圖（a)所示。

亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。如圖(b)所示。晶界、亞晶界處具有許多特殊性能。第22頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

1.組元、相、組織與合金的概念

（1）組元（constituent）

組成材料的最基本、獨立的物質(zhì)稱為“組元”。組元可以是純元素，也可是穩(wěn)定化合物。金屬材料的組元多為純元素,無機材料則多為化合物。（2）相（phase）

材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為“相”。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有界面隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾部分構(gòu)成，則它們應(yīng)屬于不同的相。例如工業(yè)純鐵是單相合金（如左下圖所示），共析碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體兩相（如下圖所示）組成，而陶瓷材料則由晶相、玻璃相(即非晶相)與氣相三相所組成(如右下圖所示)。1.1.2合金的相結(jié)構(gòu)鐵素體

珠光體陶瓷第23頁,共53頁，2024年2月25日，星期天鐵素體

珠光體陶瓷“相結(jié)構(gòu)”指的是相中原子的具體排列規(guī)律，即相的晶體結(jié)構(gòu)。

（3）組織（microstructure）與相的關(guān)系

“組織”是與“相”有緊密聯(lián)系的概念?！跋唷笔菢?gòu)成組織的最基本組成部分;但是當(dāng)“相”的大小、形態(tài)與分布不同時會構(gòu)成不同的微觀形貌(圖象)，各自成為獨立的單相組織，或與別的相一起形成不同的復(fù)相組織。例如左下圖所示工業(yè)純鐵的顯微組織就是由單相α構(gòu)成的組織，而正下圖所示共析碳鋼的顯微組織則是由α相與Fe3C相層片交替、相間分布共同構(gòu)成的組織（即稱珠光體）。而普通陶瓷則由右下圖所示晶相、玻璃相和氣相所組成。第24頁,共53頁，2024年2月25日，星期天組織是材料性能的決定性因素。相同條件下，材料的性能隨其組織的不同而變化。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，控制和改變材料的組織具有相當(dāng)重要意義。由于一般固體材料不透明，故需先制備金相試樣，包括樣品的截取、磨光和拋光等步驟，把欲觀察面制成平整而光滑如鏡的表面，然后經(jīng)過一定的浸蝕，再在金相顯微鏡下觀察其顯微組織（如左下圖所示）。（4）合金

由兩種或兩種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為“合金”。例如，黃銅是銅和鋅組成的合金，碳鋼和鑄鐵是鐵和碳組成的合金。由給定組元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。兩組元組成的為二元系，三組元組成的為三元系等。鐵素體

珠光體第25頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（1）固溶體（solidsolution）

定義：指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中所形成的均一、保持溶劑晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶相。其分類如下。①按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置分類:i.置換固溶體系指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點位置所形成的固溶體，猶如這些結(jié)點上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣，因此稱為置換固溶體，如圖1-17a示。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)等較為接近時，一般可形成置換固溶體。ii.間隙固溶體溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點位置，而是嵌入溶劑原子間的一些間隙中，如圖1-17b示。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑(如C、N等元素)遠小于溶劑原子(如Fe、Co、Ni等過渡族金屬元素等)時，一般形成間隙固溶體。圖1.17固溶體的兩種類型置換固溶體→←間隙固溶體第26頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（1）固溶體（solidsolution）

②按固態(tài)溶解度分類:i.有限固溶體在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過此限度就不再溶解了。這一限度稱為溶解度或固溶度，這種固溶體稱為有限固溶體，大部分固溶體都屬于此類(間隙固溶體只能是有限固溶體)。ii.無限固溶體溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑,固溶體的溶解度可達100%，這種固溶體稱無限固溶體。無限固溶體只能是置換固溶體，且溶質(zhì)與溶劑原子晶格類型相同，電化學(xué)性質(zhì)相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成無限固溶體。＃形成無限固溶體示意圖第27頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（1）固溶體（solidsolution）

③按溶質(zhì)原子和溶劑原子的相對分布分類:i.無序固溶體

溶質(zhì)原子隨機分布于溶劑的晶格中，它或占據(jù)溶劑原子等同的一些位置，或占據(jù)溶劑原子間的間隙中，看不出什么次序或規(guī)律性，這類固溶體稱無序固溶體。ii.有序固溶體

當(dāng)溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例并按一定順序和一定方向，圍繞著溶劑原子分布時，這種固溶體稱有序固溶體。它既可是置換式的有序，也可是間隙式的有序。有序固溶體示意圖第28頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（1）固溶體（solidsolution）

④固溶體的性能特點形成固溶體時，由于溶質(zhì)原子的溶入而使固溶體的晶格發(fā)生畸變，位錯運動的阻力增加，從而提高了材料的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。一般說來，固溶體的硬度、屈服強度和抗拉強度等總比組成其純組元的平均值高，隨溶質(zhì)原子濃度的增加，硬度和強度也隨之提高（如左下圖所示）。溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，所引起的晶格畸變也越大，強化效果則越好。由于間隙原子造成的晶格畸變比置換原子大，所以其強化效果也較好。在塑、韌性方面，如延伸率、斷面收縮率和沖擊韌度等，固溶體要比組成它的兩純組元平均值低（如右下圖所示），但比一般化合物要高得多。綜之，固溶體比純組元和化合物具有較為優(yōu)越的綜合力學(xué)性能。因此，固溶體具有良好的塑性、韌性,同時比純組元有較高的硬度、強度。因此，各種金屬材料總是以固溶體為基體相。

晶格畸變示意圖固溶強化第29頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（2）化合物

當(dāng)元素之間不具備形成固溶體的條件或溶質(zhì)含量超過了溶劑的溶解度時，在合金中往往會出現(xiàn)新相，新相的結(jié)構(gòu)不同于合金中任一組元，這種新相稱為化合物。在陶瓷材料中，通常材料的組元即為某化合物。而金屬材料中的化合物可分為金屬化合物和非金屬化合物。凡是由相當(dāng)程度的金屬鍵結(jié)合并具有金屬特性的化合物稱為金屬化合物,例如碳鋼中的滲碳體(Fe3C)。凡不是金屬鍵結(jié)合又不具有金屬特性的化合物稱為非金屬化合物，例如碳鋼中依靠離子鍵結(jié)合的FeS和MnS，其在鋼中一般稱為非金屬夾雜物。①金屬化合物的分類金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型:i.正常價化合物符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定并可用化學(xué)式表示，如Mg2Si等。

ii.電子化合物不遵守原子價規(guī)律，而服從電子濃度(價電子總數(shù)與原子數(shù)之比)規(guī)律。電子濃度不同，所形成化合物的晶格類型也不同。例如左圖Cu-Zn合金中，當(dāng)電子濃度為3/2時，形成化合物CuZn，其晶體結(jié)構(gòu)為BCC(簡稱為β相);電子濃度為21/13時，形成化合物Cu5Zn8，其晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格(稱為γ相)等。第30頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（2）化合物

①金屬化合物的分類金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型:iii.間隙化合物系由過渡族金屬元素與C、H、N等原子半徑較小非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)非金屬元素(以x表示)與金屬元素(以M表示)原子半徑的比值，可將其又分為兩種：a間隙相(rX/rM＜0.59）具有簡單結(jié)構(gòu)的金屬化合物，稱為間隙相(如FCC結(jié)構(gòu)的VC、TiC，簡單立方結(jié)構(gòu)的WC等)；b復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物（rX/rM＞0.59）具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如鋼中的Fe3Ｃ(復(fù)雜的斜方晶格，圖1-18所示)等。間隙相VC的結(jié)構(gòu)

←圖1.18滲碳體的結(jié)構(gòu)第31頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（2）化合物

②金屬化合物的性能特點金屬化合物一般都有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性(即硬而脆)，但塑性很差。特別是間隙相具有極高的熔點和硬度，見表1-3所示。根據(jù)這一特性，若能使金屬化合物以比較彌散形式分布于固溶體基體上，往往能使整個合金的強度、硬度、耐磨性等得到很大提高。因此，在金屬材料中，金屬化合物常被用作強化相，用以提高合金的強度、硬度、耐磨性及耐熱性等。表1.3一些碳化物的硬度和熔點

間隙相第32頁,共53頁，2024年2月25日，星期天表1－4晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)特征第33頁,共53頁，2024年2月25日，星期天1.1.3工程材料的常用性能

包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學(xué)性能（強度、塑性、韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）第34頁,共53頁，2024年2月25日，星期天二、工程材料的性能

2.1金屬材料的使用性能

2.1.1金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在不同環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）下，承受外加載荷時所表現(xiàn)的行為。而這種行為往往表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。（1）強度(Intensity)

強度是指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力。其可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。第35頁,共53頁，2024年2月25日，星期天彈性極限σe——材料產(chǎn)生完全彈性變形時所承受的最大應(yīng)力值。即

屈服強度σs、σ0.2

——試樣的彈性變形量為試樣標(biāo)距長度的0.2％時的應(yīng)力，即材料開始產(chǎn)生塑性變形時的最底應(yīng)力值?？估瓘姸圈襜

——材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值疲勞強度σ-1

——零件在交變應(yīng)力作用下長時間工作，在低于材料的屈服強度的情況下提前發(fā)生斷裂第36頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（2）塑性(Plasticity)

塑性是指材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。但塑性指標(biāo)一般不直接用于工程設(shè)計計算。

1)伸長率，以δ表示。式中，l0為標(biāo)距原長，l1為斷裂后標(biāo)距長度。

2)斷面收縮率，以ψ表示。

式中，A0為試樣原始橫截面積，A1為斷口處的橫截面積。第37頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（3）硬度

(Rigidity)

硬度是指材料對局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力，是衡量金屬軟硬程度的指標(biāo)。1)布氏硬度試驗方法如圖。第38頁,共53頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點：壓痕大，試驗結(jié)果比較準(zhǔn)確，適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。缺點：試驗過程較麻煩，有損試樣表面，不宜用于成品件和薄件第39頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2)洛氏硬度

洛氏硬度常用標(biāo)尺的實驗條件和應(yīng)用：標(biāo)尺硬度符號所用壓頭總載荷/N（kgf)測量范圍HR應(yīng)用范圍AHRA金剛石圓錐588.4（60）70~85碳化物、硬質(zhì)合金、淬火工具鋼等BHRBΦ1.588mm鋼球980.7（100）25~100軟鋼、銅合金、鋁合金、可鍛鑄鐵CHRC金剛石圓錐1471（150）20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、深層表面硬化鋼第40頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

優(yōu)點：操作迅速、簡便，可由表盤上直接讀出硬度值；壓痕小，可在工件表面或較薄的金屬上進行實驗；采用不同標(biāo)尺，可測量從極軟到極硬材料的硬度值。

洛氏硬度是目前工廠中應(yīng)用最廣泛的實驗法。缺點：因壓痕小，對組織比較粗大且不均勻的材料，測得精度較差，硬度值波動較大。第41頁,共53頁，2024年2月25日，星期天3)維氏硬度――科學(xué)試驗

優(yōu)點：適用范圍寬，尤其適用于極薄工件及表面薄硬層的硬度測量，準(zhǔn)確度高缺點：測量較麻煩，工作效率較低第42頁,共53頁，2024年2月25日，星期天（4）韌性（Toughness)1)沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌性。

a）擺錘式一次沖擊試驗。

b）小能量多次沖擊試驗。如右下圖所示。

多次沖擊彎曲實驗示意圖第43頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

2)斷裂韌度在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立起來的材料抵抗裂紋擴展的能力，稱為斷裂韌度。

斷裂韌度可對零件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進行定量計算，故在安全設(shè)計中具有重大意義。裂紋擴展可分為張開型（Ⅰ），滑開型（Ⅱ）和撕開型（Ⅲ）三種。（5）疲勞強度試樣經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值，稱之為疲勞強度。第44頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2.1.2

金屬材料的物理性能

(1)密度(Density)

單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度：式中，ρ為物質(zhì)的密度（kg/m3）；m為物質(zhì)的質(zhì)量（kg）；V為物質(zhì)的體積（m3

）。密度小于4.5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于4.5×103kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。

(2)熔點（meltingpoint)

金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。熔點高的金屬稱為難熔金屬，如W、Mo、V等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點低的金屬稱為易熔金屬，如Sn、Pb等，可用于制造熔絲和防火安全閥零件等。第45頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

(3)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性通常用導(dǎo)熱率來衡量。熱導(dǎo)率的符號是λ，單位是W/(m·K)。導(dǎo)熱率越大，導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。

(4)導(dǎo)電性金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，通常用電導(dǎo)率來衡量，電導(dǎo)率越大，金屬材料導(dǎo)電性越好。金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。

(5)熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。第46頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

（6）磁性鐵磁材料：在外磁場中能強烈地被磁化，如Fe、Co等

順磁材料：在外磁場中只能微弱地被磁化，如Mn、Cr等抗磁材料：能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如Cu、Zn等

鐵磁材料可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等；抗磁材料則用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)用件，如航海羅盤。第47頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

2.1.3金屬材料的化學(xué)性能

(1)耐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐蝕性。碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性比較差；鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好。在食品、制藥、化工工業(yè)中不銹鋼是重要應(yīng)用材料。鋁合金和銅合金有較好的耐腐蝕性能。

2)抗氧化性金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。加入Cr、Si等合金元素可提高鋼的抗氧化性。加入Cr、Si可以提高鋼的抗氧化性能，如合金鋼4Cr9Si2，可以在高溫下使用，制造內(nèi)燃機排氣閥以及加熱爐爐底板、料盤等。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱為化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性為熱穩(wěn)定性。在高溫下工作的設(shè)備，如鍋爐、汽輪機、噴氣發(fā)動機等部件和零件應(yīng)選用熱穩(wěn)定性好的材料來制造。第48頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2.2金屬材料的工藝性能

工藝性能是指制造工藝