模具材料与热处理全套教程.ppt

LOGO“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定经全国职业教育教材审定委员会审定(第四版)模具材料与热处理新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题一金属材料的基础知识课题一金属材料的基础知识任务一任务一金属材料的性能金属材料的性能任务二任务二金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织任务三任务三金属材料的变形与再结晶金属材料的变形与再结晶很多人都看过电影泰坦尼克号，这艘很多人都看过电影泰坦尼克号，这艘1912年完工的，年完工的，在当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（在当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）游）游船，竟在其处女航中沉没于冰海，成了船，竟在其处女航中沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀世纪令人难以忘怀的悲惨海难。为什么号称的悲惨海难。为什么号称“不会沉没不会沉没”的船在撞上一个冰山的船在撞上一个冰山后后3小时就沉没了小时就沉没了?任务一金属材料的性能如图如图1-2所示是两个冲击试验结果。它可以科学地回答泰所示是两个冲击试验结果。它可以科学地回答泰坦尼克号沉没这百年未解之谜。左面的试样取自海底的泰坦尼坦尼克号沉没这百年未解之谜。左面的试样取自海底的泰坦尼克号，右面的是现代船用钢板的冲击试样。由于早年的泰坦尼克号，右面的是现代船用钢板的冲击试样。由于早年的泰坦尼克号采用了航行环境温度下有缺口敏感的、且含硫、磷高的钢克号采用了航行环境温度下有缺口敏感的、且含硫、磷高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。现代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。的脆性断口。现代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。图图1-2任务一金属材料的性能一、物理性能一、物理性能1.1.密度和熔点密度和熔点:(1)(1)密度密度;(2);(2)熔点熔点 2.2.热学性能热学性能:(1)(1)导热性导热性;(2);(2)比热容比热容;(3);(3)热膨胀系数热膨胀系数 3.3.电学性能电学性能:(1)(1)导电性导电性;(2);(2)介电常数与介电强度介电常数与介电强度;(3);(3)铁电性能铁电性能;(4);(4)超导电性超导电性 4.4.磁学性能磁学性能:(1)(1)磁导率磁导率;(2);(2)矫顽力矫顽力 二、化学性能二、化学性能任务一金属材料的性能1.耐蚀性2.抗氧化性三、力学性能三、力学性能1、强度、强度金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。常用的强金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。常用的强度判据有屈服点和抗拉强度，其度判据有屈服点和抗拉强度，其大小通常用应力来表示。大小通常用应力来表示。根据载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度（根据载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度（b）、）、抗压强度（抗压强度（bc）、抗弯强度（）、抗弯强度（bb）、抗剪强度（）、抗剪强度（b）和）和抗扭强度（抗扭强度（t）等五种。一般情况下多以抗拉强度作为金属）等五种。一般情况下多以抗拉强度作为金属材料强度高低的判据。材料强度高低的判据。任务一金属材料的性能 (1)(1)拉伸试样拉伸试样:拉伸试样的形状有圆形和矩形两类。在拉伸试样的形状有圆形和矩形两类。在国家标准国家标准(GB/T 228(GB/T 2282002)2002)金属材料室温拉伸试验方法金属材料室温拉伸试验方法中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。图图1-31-3所示为所示为圆形拉伸试样圆形拉伸试样。图图1-3圆形截面的拉伸试样圆形截面的拉伸试样任务一金属材料的性能 (2)(2)力力-伸长曲线伸长曲线:拉伸拉伸试验中得出的拉伸力与伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力伸长量的关系曲线叫做力伸长曲线。长曲线。图图1-41-4是低碳钢的力伸是低碳钢的力伸长曲线长曲线，纵坐标表示力，纵坐标表示力 F F，单位是，单位是N;N;横坐标表示伸横坐标表示伸长量长量l l，单位是，单位是mmmm。由力。由力伸长曲线可以看出，随着伸长曲线可以看出，随着拉伸力的不断增加，试样拉伸力的不断增加，试样经历了以下经历了以下几个变形阶段几个变形阶段:图图1-4低碳钢的力低碳钢的力-伸长曲线伸长曲线任务一金属材料的性能Oe弹性变形阶段弹性变形阶段:es微量塑性变形阶段微量塑性变形阶段ss屈服阶段屈服阶段sb强化阶段强化阶段bz缩颈阶段缩颈阶段变形阶段：变形阶段：任务一金属材料的性能 在拉伸试验中具有屈服现在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为象的金属材料称为塑性材料塑性材料，而工程上使用的金属材料，大而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为类金属材料称为脆性材料脆性材料。有。有些脆性材料，不仅没有屈服现些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。象，而且也不产生缩颈。图图1-1-5 5为铸铁的力伸长曲线为铸铁的力伸长曲线。图图1-5铸铁的力铸铁的力-伸长曲线伸长曲线任务一金属材料的性能（3）强度指标强度指标主要包括屈服点和抗拉强度主要包括屈服点和抗拉强度 屈服点:试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，其计算公式为 s=Fs/S0 （1-3）式中 s屈服点，MPa;Fs试样屈服时的载荷，N;S0试样原始横截面面积，mm2。对于无明显屈服现象的金属材料，按GB/T 2282002规定可用规定残余伸长应力0.2表示。0.2表示试样卸除拉伸力后，其标距长度部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称屈服强度。计算公式为 0.2=F0.2/S0 （1-4）式中 0.2规定残余伸长应力，MPa;F0.2残余伸长率达到0.2%时的载荷，N;S0试样原始横截面面积，mm2。任务一金属材料的性能抗拉强度:试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。其计算公式为 b=Fb/S0（1-5）式中b抗拉强度，MPa;Fb试样承受的最大载荷，N;S0试样原始横截面面积，mm2。抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。抗拉强度b和屈服点s一样，也是机械零件设计和选材的主要依据。在工程上把s/b称为屈强比。屈强比高，则材料强度的有效利用率高，但过高也不好，一般以0.75左右为宜。任务一金属材料的性能2.塑性塑性 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。它们也是由拉伸试验测得的。试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比称为断后伸长率，其计算公式为 =(l1-l0)/l0100%（1-6）式中 试样断后伸长率，%;l0试样原始标距长度，mm;l1试样拉断后的标距长度，mm。试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比称为断面收 缩率，其计算公式为 =(S0-S1)/S0100%（1-7）式中 断面收缩率，%;S0试样原始横截面面积，mm2;S1试样拉断后缩颈处的最小横截面面积，mm2。任务一金属材料的性能3.硬度硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。力称为硬度。硬度是各种零件和工具必备的性能指标，硬度硬度是各种零件和工具必备的性能指标，硬度试验设备简单，操作方便，且不破坏被测试工件，因此广泛试验设备简单，操作方便，且不破坏被测试工件，因此广泛用于产品质量的检验。常用的硬度表示法有布氏硬度、洛氏用于产品质量的检验。常用的硬度表示法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。硬度和维氏硬度。任务一金属材料的性能（1）布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度是用一定载荷布氏硬度是用一定载荷P，将直径为，将直径为D的球体（淬火钢的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积卸去载荷，根据压痕面积S确定硬度大小。确定硬度大小。其单位面积所受载其单位面积所受载荷称为布氏硬度。荷称为布氏硬度。布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图布氏硬度计布氏硬度计任务一金属材料的性能计算公式布氏硬度值=F/S=0.102*2F/D（D-（D2-d2）1/2）由上式试验时测量出压痕的平均直径d，经计算或查表得硬度值。布氏硬度的符号及表示压头为淬火钢球，测试硬度值在450以下材料：HBS压头为硬质合金球，测试硬度值在450650的材料：HBW表示：硬度值符号压球直径载荷载荷保持时间如：150HBS10/10000/30 500 HBW5/7500应用由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。任务一金属材料的性能（2）洛氏硬度HR洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。计算公式：洛氏硬度值=c-h/0.002应用：材料硬度较高或试样过小时。HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。任务一金属材料的性能洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图任务一金属材料的性能（3）维氏硬度维氏硬度HV维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四棱锥体，所加负荷较小（金刚石四棱锥体，所加负荷较小（5120kgf）。它所测定）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。全自动维氏硬度计全自动维氏硬度计任务一金属材料的性能三种硬度值之间的换算近似关三种硬度值之间的换算近似关系：系：1 1、HRC 1/10HBSHRC 1/10HBS（W W）硬度硬度值在值在200200600HBSHBS（W W）2 2、HBS HV HBS HV 硬度值在硬度值在小于小于450450HBSHBS（W W）4.韧性韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。（1）冲击试验冲击试验:将待测的金属材料将待测的金属材料加工成标准试样，然后放在试验机的支加工成标准试样，然后放在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图击方向，如图1-8（a）所示。再将具有）所示。再将具有一定重量一定重量G的摆锤升至一定的高度的摆锤升至一定的高度H1（图（图1-8（b），使其获得一定的初始），使其获得一定的初始势能（势能（GH1），然后使摆锤落下，将试），然后使摆锤落下，将试样冲断。摆样冲断。摆锤剩余势能为锤剩余势能为GH2。试样。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功样所做的功，称为冲击吸收功图图1-8冲击试验示意图冲击试验示意图任务一金属材料的性能 标准冲击试样：标准冲击试样：两种，一种是常用的梅氏试样（试样两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。同一型）。同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大值显著大于夏氏试样的于夏氏试样的aK值，所以两种试样的值，所以两种试样的aK值不能互相比较。夏值不能互相比较。夏氏试样必须注明氏试样必须注明aK（夏）。（夏）。冲击试样冲击试样任务一金属材料的性能冲击吸收功：冲击吸收功：AK=GH1-GH2=G(H1-H2)(1-10)式中式中AK冲击吸收功，冲击吸收功，J;GH1摆锤初始势能摆锤初始势能;GH2摆锤剩余势能摆锤剩余势能;G摆锤重量，摆锤重量，N;H1摆锤初始高度，摆锤初始高度，m;H2冲断试样后，摆锤回升高度，冲断试样后，摆锤回升高度，m。冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为击吸收功，其计算公式为 K=AK/S0(1-11)式中式中K冲击韧度，冲击韧度，J/cm2;AK冲击吸收功，冲击吸收功，J;S0试样缺口处横截面面积试样缺口处横截面面积,cm2。任务一金属材料的性能5.疲劳强度疲劳强度许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷交变载荷，在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下即发生断裂，这种现象称为下即发生断裂，这种现象称为“疲劳疲劳”。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂任务一金属材料的性能疲劳断裂的原因：一般认为是由于疲劳断裂的原因：一般认为是由于材料表面与内部的缺陷材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中应力集中，形成微裂纹。，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。措施：通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集措施：通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。注意：注意：实践证明，在规定条件下用小尺寸试样测得的力学实践证明，在规定条件下用小尺寸试样测得的力学性能，不能直接代表材料制成零件后的性能。性能，不能直接代表材料制成零件后的性能。任务一金属材料的性能材料在规定次数材料在规定次数（一般钢铁材料取（一般钢铁材料取107次，有色金属及其次，有色金属及其合金取合金取108次）次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力力称为称为“疲劳极限疲劳极限”。影响因素：循环应力、温度、材料的化学成分及显微组影响因素：循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织表面质量和残余应力等织表面质量和残余应力等任务一金属材料的性能四、工艺性能四、工艺性能任务一金属材料的性能(1)(1)流动性 (2)(2)收缩性 (3)(3)偏析 1.1.铸造性能 2.2.压力加工性能 3.3.焊接性能 4.4.切削加工性能 5.5.热处理性能 金属是指具有金属光泽、良好导电性、导热性、一定强金属是指具有金属光泽、良好导电性、导热性、一定强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。具有金属特性的元度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。具有金属特性的元素称为金属元素。在所有应用材料中，凡是由金属元素或是素称为金属元素。在所有应用材料中，凡是由金属元素或是以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。高强度是人们对结构材料的最主要追求，因为它金属材料。高强度是人们对结构材料的最主要追求，因为它是零部件小型化的基础。为什么工业上一般不使用纯金属而是零部件小型化的基础。为什么工业上一般不使用纯金属而多使用合金呢多使用合金呢?为什么生产上常常可以用增加金属晶体缺陷的为什么生产上常常可以用增加金属晶体缺陷的方法来提高其强度方法来提高其强度?通常，采用某种措施提高金属材料的强度，通常，采用某种措施提高金属材料的强度，往往会以降低它的塑性和韧性为代价。那么有没有一种方法往往会以降低它的塑性和韧性为代价。那么有没有一种方法既能增加金属材料的强度又能提高其塑性和韧性既能增加金属材料的强度又能提高其塑性和韧性?举世闻名的举世闻名的南京长江大桥为什么不使用价格低廉的碳钢，而要花费巨资南京长江大桥为什么不使用价格低廉的碳钢，而要花费巨资研制当时我国尚没有的锰钢投入使用研制当时我国尚没有的锰钢投入使用?任务二金属材料的结构与组织虽然金属材料的性能受到许多方面因素的影响，是一虽然金属材料的性能受到许多方面因素的影响，是一个十分复杂的问题，但长期实践和探索研究表明个十分复杂的问题，但长期实践和探索研究表明:决定金属决定金属及合金性能的基本因素是及合金性能的基本因素是金属的内部微观构造金属的内部微观构造，即其内部结，即其内部结构和组织状态。因此，掌握金属的内部结构和组织状态及其构和组织状态。因此，掌握金属的内部结构和组织状态及其对性能的影响，对于更好、更合理地使用金属材料，并充分对性能的影响，对于更好、更合理地使用金属材料，并充分挖掘它们的潜力具有非常重要的意义。挖掘它们的潜力具有非常重要的意义。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。任务二金属材料的结构与组织a a、具有规则的外形。、具有规则的外形。b b、有固定的熔点。、有固定的熔点。c c、具有各向异性、具有各向异性1 1、晶体与非晶体、晶体与非晶体晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。周期性排列。非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。（一）、晶体结构的基本知识（一）、晶体结构的基本知识 特征特征2、晶格与晶胞、晶格与晶胞（1）晶体结构：晶体中的质点）晶体结构：晶体中的质点(原子、离子、分子、原原子、离子、分子、原子集团子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。组在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。组成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构。不同，就可以形成各种各样的晶体结构。（2）空间点阵：。假定晶体中的物质质点都是固定的刚）空间点阵：。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排性小球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积，如图列的紧密堆积，如图1-10(a)所示。由图可见，原子在晶所示。由图可见，原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵，简称点阵为空间点阵，简称点阵(unit1attlce)。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（3）晶格晶格(1attlce)：为方便起见，人为地将点阵用直：为方便起见，人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子称之为晶格。线连接起来形成空间格子称之为晶格。（4）晶胞晶胞(unitlatticecell)：由于晶体中原子的规则由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，通常只从晶格中选取一个能够排列具有周期性的特点，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（5）晶格常数：整个晶格就是由许多大小、形状）晶格常数：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的。晶胞的和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱间夹及棱间夹角角、来表示。图中通过晶胞角上某一结点沿来表示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱边作三个坐标轴其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，称为晶轴。晶，称为晶轴。晶胞的棱边长度，称为晶格常数胞的棱边长度，称为晶格常数(1atticeconstant)或或点阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习点阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上，以原点惯上，以原点O的前、右、上方为轴的正方向的前、右、上方为轴的正方向(反之反之为负方向为负方向)。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（二）纯金属的典型晶体结构（二）纯金属的典型晶体结构自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。但若根据晶胞的三个晶格常数和三个构各不相同。但若根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，空间轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，空间点阵只能有点阵只能有14种，并归纳为七个晶系。种，并归纳为七个晶系。由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构的晶体结构外，绝大多数金属具有外，绝大多数金属具有面心立方面心立方(fcc)、体心立方体心立方(bcc)和和密排六方密排六方(hcp)三种典型的晶体结构三种典型的晶体结构。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构(1)体心立方晶格体心立方晶格(bodycenteredcubiclattice)：体心立方：体心立方晶体的晶胞如图晶体的晶胞如图2.3所示。其晶胞是一个立方体，晶格常数所示。其晶胞是一个立方体，晶格常数a=b=c，晶轴间夹角，晶轴间夹角=900，所以通常只用一个晶格常数，所以通常只用一个晶格常数表示即可。表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占在顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占18，只有立方体中心的那个原子才完全属于该晶胞所独有，实，只有立方体中心的那个原子才完全属于该晶胞所独有，实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：（际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：（8l）8+l=2个。个。具有体心立方晶体结构的金属有具有体心立方晶体结构的金属有-Fe、W、Mo、V、-Ti等。等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构图图1-12 体心立方晶胞体心立方晶胞任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构(2)面心立方晶胞面心立方晶胞(facecenteredcubiclattice)：面心立：面心立方晶体的晶胞如图方晶体的晶胞如图2.4所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常数数dbc，品轴间夹角，品轴间夹角=900，所以也只用一个晶格常，所以也只用一个晶格常数数表示即可。表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面心立方晶胞所包含的原子数为（个原子。面心立方晶胞所包含的原子数为（81）8+（61）2=4个。个。具有面心立方晶体结构的金属有具有面心立方晶体结构的金属有Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、-Co等。等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构图图1-13 面心立方晶胞面心立方晶胞任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构(3)密排六方晶胞密排六方晶胞(closepackedlatticehexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图密排六方晶体的晶胞如图2.5所示。所示。它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此，需要用两个晶格常数表示，一组成的一个六方柱体。因此，需要用两个晶格常数表示，一个是正六边形的边长个是正六边形的边长a，另，另个是柱体的高个是柱体的高c。在密排六方晶。在密排六方晶胞的每个角上和上、下底面的小心都有一个原子，另外在中胞的每个角上和上、下底面的小心都有一个原子，另外在中间还有三个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原子间还有三个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原子数为：数为：6162+212+3=6个。个。具有密排六方晶体结构的金属有具有密排六方晶体结构的金属有Mg、Zn、Be、Cd、-Ti、-Co等。等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构图图1-14 密排六方晶胞密排六方晶胞 任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（三）晶面和晶向的表示方法（三）晶面和晶向的表示方法1.晶面晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。面。2.晶向晶向：任意：任意(两个原子之间连线两个原子之间连线)一列原子所指的方向一列原子所指的方向称为晶向。称为晶向。3.晶面指数和晶向指数：为了分析的方便，通常用一些晶面指数和晶向指数：为了分析的方便，通常用一些晶体学指数来表示晶面和晶向，分别晶体学指数来表示晶面和晶向，分别称为晶面指数和称为晶面指数和晶向指数，其确定方法如下。晶向指数，其确定方法如下。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（1）晶面指数晶面指数(indicesofclystalfaces)晶面指数的确定步骤如下：晶面指数的确定步骤如下：选取三个晶轴为坐标系的轴，各轴分别以相应的点阵选取三个晶轴为坐标系的轴，各轴分别以相应的点阵常数为量度单位；常数为量度单位；从欲确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，从欲确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出它在三个坐标轴上的截距；找出它在三个坐标轴上的截距；3取各截距的倒数，按比例化为简单整数取各截距的倒数，按比例化为简单整数h、k、l，而后，而后用括号括起来成（用括号括起来成（h、k、l），即为所求晶面的指数。），即为所求晶面的指数。当某晶面与一晶轴平行时，它在这个轴上的截距可看成当某晶面与一晶轴平行时，它在这个轴上的截距可看成是是，则相应的指数为，则相应的指数为0。当截距为负值时，在相应的指。当截距为负值时，在相应的指数上边加以负号。数上边加以负号。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构由于对称关系，晶体中等同的晶面，即原子或分子排列由于对称关系，晶体中等同的晶面，即原子或分子排列相同的晶面，往往不只一组，例如立方系中和（相同的晶面，往往不只一组，例如立方系中和（111）面）面等同的还有三组，即等同的还有三组，即(i11)、(1i1)、(11i)等。这四组合等。这四组合称一个晶面族或晶面系，取其中之一的指数，用大括号称一个晶面族或晶面系，取其中之一的指数，用大括号括上而成括上而成111来表示这个晶面族。推而广之，则可来表示这个晶面族。推而广之，则可用用hkl来泛指各晶面族。来泛指各晶面族。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构（2）晶向指数晶向指数(oritantionindex)晶向指数的确定步骤如下：晶向指数的确定步骤如下：以晶胞的三个棱边为坐标轴以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z，以棱边长度，以棱边长度(即即晶格常数晶格常数)作为坐标轴的长度单位；作为坐标轴的长度单位；通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向；通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向；求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的分量分量(即求出任一质点的坐标数即求出任一质点的坐标数)：将此数按比例化为简单整数将此数按比例化为简单整数u、v、w，而后用方括号，而后用方括号括起来成括起来成uvw，即得所求的晶向指数。如坐标数为负，即得所求的晶向指数。如坐标数为负值，即在相应指数上边加负号，例如值，即在相应指数上边加负号，例如uvw。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构与晶面相似，晶体中的相似晶向，即线周期等同与晶面相似，晶体中的相似晶向，即线周期等同的晶向，也是成族出现的，称之为晶向族，以的晶向，也是成族出现的，称之为晶向族，以来表示。来表示。在立方晶系中，晶面指数与晶向指数在数值上完全相在立方晶系中，晶面指数与晶向指数在数值上完全相同或成比例时，它们是互相垂直的，例如同或成比例时，它们是互相垂直的，例如111(111)，如图，如图1.9所示。所示。晶向晶向UVW与晶面与晶面hkl之间各指数满足式之间各指数满足式(1-1)：hU十十kV十十lW=0(11)任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，金属学中将这种原子组偏离规则排列的不完整性区域，金属学中将这种原子组合的不规则性，统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据合的不规则性，统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将它缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。任务二金属材料的结构与组织1、点缺陷（、点缺陷（空位和间隙原子空位和间隙原子）点缺陷是指在三维尺度上都很小的点缺陷是指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直不超过几个原子直径的缺陷。径的缺陷。（1）空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空）空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为结点，称为空位空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置。空位附近的原子会偏离正常结点位置,造造成成晶格畸变晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即。空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即扩散）。扩散）。（2）间隙原子：位于晶格间隙之中的原子）间隙原子：位于晶格间隙之中的原子，称为，称为间隙间隙原子原子。间隙原子会造成其附近晶格的。间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变很大畸变。（3）置换原子：材料中总存在着一些其它元素的杂质，）置换原子：材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，它们都会导致附近晶格的畸变。为置换原子，它们都会导致附近晶格的畸变。三种点缺陷三种点缺陷的形态见图的形态见图。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构空位、间隙原子和外来原子空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷。它们破都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变晶格畸变。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性。的塑性和韧性。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷1、2空位；空位；3、4间隙原子；间隙原子；5、6置换原子。置换原子。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构2.线缺陷（位错）线缺陷（位错）线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。晶体中。晶体中最普通的线缺陷就是最普通的线缺陷就是位错位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原，它是在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。子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，方式不同，可以形成不同类型的位错，图所示为常见的一种刃型图所示为常见的一种刃型位错位错。在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为的刀片，刀片的刃口线即为位错线位错线。这种线缺陷称。这种线缺陷称刃型位错刃型位错。半。半原子面在上面的称正刃型位错原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。半原子面在下面的称负刃型位错。在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，距位错线越在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，距位错线越远，晶格畸变越小，应力也越小，原子排列逐渐趋于正常。远，晶格畸变越小，应力也越小，原子排列逐渐趋于正常。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构螺型位错：晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错螺型位错：晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。缺陷称螺型位错。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构3.面缺陷面缺陷（晶界和亚晶界晶界和亚晶界）面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。小的缺陷。（1）晶界晶界实际金属为多晶体实际金属为多晶体,是由大是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。晶晶界是晶粒与晶粒之间的界面界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上，晶粒位向的折衷位置上，晶界在空中呈网晶界在空中呈网状状右图。右图。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构（2）亚晶界亚晶界晶粒也不是完全理想晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓所谓亚晶粒亚晶粒组成的。亚晶粒的交界称组成的。亚晶粒的交界称为为亚晶界亚晶界。亚晶界是晶粒内的一种面。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷缺陷，其结构可以看成是位错的规，其结构可以看成是位错的规则排列，则排列，右图。右图。晶界和亚晶界均可提高金属的强度和晶界和亚晶界均可提高金属的强度和塑性。晶粒越细塑性。晶粒越细,晶界越多晶界越多,金属的强金属的强度度,塑性越好塑性越好。细化晶粒是改善金属。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。机械性能的有效手段。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构二、金属的实际晶体结构三、合金的晶体结构三、合金的晶体结构（一）合金的基本概念（一）合金的基本概念1、合金合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。2、组元：组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组成合金的独立的、最基本的单元。3、合金系合金系：由二个或二个以上的组元按不同的含量配制：由二个或二个以上的组元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金。的一系列不同成分的合金。4、相相：合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部：合金中凡是结构、成分和性能相同