金属材料的组织结构
晶体结构是金属材料中最基本的组织结构。金属材料的晶体结构是由
原子通过化学键的方式排列而成的。金属晶体结构通常为紧密堆积或者是
面心立方结构。紧密堆积的晶体结构中，原子分布紧密，没有空隙，金属
的密度较高。而面心立方结构中，每个原子周围都有最靠近的三个原子，
因此，金属的面心立方结构也是最密堆积的结构之一、晶体结构的不同将
导致金属的性能也有所不同。
晶粒结构是金属材料中相当重要的组织结构。晶粒是由具有相同晶体
结构的晶体单元构成的。在金属材料加工过程中，晶粒会逐渐生长，最终
形成多个晶粒相邻而不连续的结构。晶粒的大小和形状对金属的性能非常
重要。晶粒尺寸越大，金属的强度就越低，但是其塑性和韧性会增加；而
当晶粒尺寸较小时，金属的强度会提高，但是韧性和塑性会降低。晶粒形
状的不均衡也会对金属的性能产生重要影响。晶粒中的缺陷（如晶界、孪
晶等）也会影响金属的强度和韧性。
相结构是金属材料中不同组分的混合结构。金属材料可以由一个或者
多个相组成。相是指具有相同化学成分和结构的区域。在金属材料中，不
同相之间的晶粒大小和分布状态也会影响材料的性能。例如，在金属合金中，可以通过控制相的种类和分布来调节材料的硬度、强度、抗腐蚀性等
性能。
除了上述的基本组织结构外，金属材料中还存在一些其他的组织结构，如晶体缺陷、析出物和纹理等。晶体缺陷是指晶体中的缺陷或者杂质。晶
体缺陷的种类包括点缺陷（如空位、间隙原子等）、线缺陷（如晶界、位
错等）和面缺陷（如孪晶界等）。晶体缺陷会影响金属的力学性能和电学
性能。析出物是金属中的第二相，它们通过固溶度和固相反应形成。析出
物的尺寸和形状也会影响材料的性能。纹理是指金属材料中晶粒的方向分布，它会对材料的机械性能、磁性能等产生影响。
综上所述，金属材料的组织结构对其性能和用途有着重要影响。晶体结构、晶粒结构和相结构是金属材料的基本组织结构。晶体结构决定了金属的原子排列方式，晶粒结构影响金属的强度和韧性，相结构调节金属的性能调节。此外，晶体缺陷、析出物和纹理等结构也会对金属材料的性能产生重要影响。研究和控制金属材料的组织结构是金属材料科学中的重要课题。
金属材料的组织结构 晶体结构是金属材料中最基本的组织结构。金属材料的晶体结构是由 原子通过化学键的方式排列而成的。金属晶体结构通常为紧密堆积或者是 面心立方结构。紧密堆积的晶体结构中，原子分布紧密，没有空隙，金属 的密度较高。而面心立方结构中，每个原子周围都有最靠近的三个原子， 因此，金属的面心立方结构也是最密堆积的结构之一、晶体结构的不同将 导致金属的性能也有所不同。 晶粒结构是金属材料中相当重要的组织结构。晶粒是由具有相同晶体 结构的晶体单元构成的。在金属材料加工过程中，晶粒会逐渐生长，最终 形成多个晶粒相邻而不连续的结构。晶粒的大小和形状对金属的性能非常 重要。晶粒尺寸越大，金属的强度就越低，但是其塑性和韧性会增加；而 当晶粒尺寸较小时，金属的强度会提高，但是韧性和塑性会降低。晶粒形 状的不均衡也会对金属的性能产生重要影响。晶粒中的缺陷（如晶界、孪 晶等）也会影响金属的强度和韧性。 相结构是金属材料中不同组分的混合结构。金属材料可以由一个或者 多个相组成。相是指具有相同化学成分和结构的区域。在金属材料中，不 同相之间的晶粒大小和分布状态也会影响材料的性能。例如，在金属合金中，可以通过控制相的种类和分布来调节材料的硬度、强度、抗腐蚀性等 性能。 除了上述的基本组织结构外，金属材料中还存在一些其他的组织结构，如晶体缺陷、析出物和纹理等。晶体缺陷是指晶体中的缺陷或者杂质。晶 体缺陷的种类包括点缺陷（如空位、间隙原子等）、线缺陷（如晶界、位 错等）和面缺陷（如孪晶界等）。晶体缺陷会影响金属的力学性能和电学 性能。析出物是金属中的第二相，它们通过固溶度和固相反应形成。析出
6 材料在塑性变形中的组织结构与性能变化 本章仅将简要地介绍冷形变及其后的加热过程、以及热形变过程对金属和合金的组织结构与性能的影响的主要理论。 6.1 冷形变后金属组织结构和性能的变化 金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工时，通常就称为冷形变或冷加工。钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等压力加工过程皆为冷形变过程。在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。 6.1.1 金属组织结构的变化 金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动，位错运动的结果就产生了塑性变形。在位错的运动过程中，位错之间、位错与溶质原子、间隙位置原子以及空位之间、位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关的。 单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度增加，运动位错在各种障碍前受阻，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。变形到一定程度后产生交滑移，因而引起动态回复，这些塑性变形过程中的变化已是我们所熟知的，不再细述。 多晶体塑性变形时，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度要增加。用测量电阻变化、储能变化的方法，或者用测量腐蚀坑的方法以及电镜直接观测的方法都可以出金属材料的位错密度。退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108 cm -2，而大变形后的典型数值是1010～1012cm -1。通过实验得到的位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是： 21ρασGb = （6-1） 式中：a —等干0．2～0．3范围的常数；G —剪切弹性模量；b —柏氏矢量。 多晶体塑性变形时，因为各个晶粒取向不同，各晶粒的变形既相互阻碍又相互促进，变形量稍大就形成了位错胞状结构。所谓胞状结构，是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠给结区分许多个单个的小区域。这每一个小区域的内部，位错密集度较低，相对地可认为是没有位错的，这一种区域就称为胞子。这些小区域的边界，称为胞壁。胞壁位错密度最大。胞壁的排列看起来好象很混乱，但有一个共同的倾向，就是它们是平行于低指数晶面排列的。胞壁两侧晶体之间通常存在着一个小于2o 的取向差。胞的直径一般是1～3μ，胞的直径同原始晶粒大小无关，它可以随变形量增加而减少到一定程度。例如铁在室温下变形时胞的大小同变形量的关系如图6-1所示，铁在室温下变形的胞状结构示于图6-2所示。变形金属中位错的数量、分布和组态要受到许多
合金中常见的组织总结： 1铁素体（F）：碳溶于a-Fe所形成的固溶体，具有体立方结构，也称a固溶体。由于aFe 的晶格间隙较小，故溶C能力较差，727度时，wc=0.021%(最大)，温度降低溶碳量较小，室温时，C溶量几乎为0.性能几乎和fe一样。 特点：铁素体的含C量不同，性质和微观组织几乎与Fe相同。强度和硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。F在770度以下具有Fe磁性，在770度以上则失去铁磁性 2渗碳体（Fe3C）铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化物。Fe 和C形成的金属化合物。 特点：含碳量很高6.69%。熔点1227度。无同素异晶转变，230度以下有弱铁磁性。230度以上无铁磁性。硬度很高，而塑性和冲击韧性几乎等于0，脆性极大，不易受腐蚀，属于钢的强化相。起硬化和强化作用。Fe3C---3Fe+C（石墨），铸铁和石墨钢分类，：1一次Fe3C：从液相中直接析出2二次Fe3C：从奥氏体中析出，沿奥氏体晶界网状分布当奥氏体转变成珠光体后，Fe3C便呈连续网状分布在珠光体边界上。3三次Fe3C：从F中析出，分布在F 晶界上，最少分散一般看不到 3莱氏体（Ld）：液相的铁碳合金在1147度时共晶转变，转变成1：1的奥氏体和渗碳体（Fe3C）的两相共晶混合物 注意：温度降至727度时。Ld中的A发生共析转变，生成F种Fe3C层状分布的珠光体，所以727充以下时Ld是P和Fe3C的机械混合物 特点：纯莱氏体中含有的Fe3C较多，故性能与Fe3C相近，即极为硬脆 4马氏体（M）是C溶于a Fe的过饱和的固溶体，是A通过无扩散型相变转变成的亚稳定相，比容大于AP是产生淬火应力导致变形开裂的主要原因 形成：将中高碳钢加热到一定温度，形成奥氏体后迅速冷却，即淬火，得到M（使钢变硬，增强的一各占淬火组织） 注意：M是体立方结构，故A（面六方）转变成M公需很少能量，仅仅是迅速和微小的原子重排，即无扩散位移型相恋。 1M的密度小于A，故转变后的体积膨胀，产生应力 2M在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织非平衡结晶，在很快速度下形成（淬火） 3马氏体太多使马氏体钢变脆，太少使钢变软，常用回火调整 5奥氏体：C溶解在a-Fe中形成的一种间隙固溶体，面主立方结构，无磁性，一般为固体钢在高温下的组织，有一定的温度和成分范围 特点：导热性差，无磁性，具有较高的塑性，低的屈服强度，容易塑性变形加工成型，含C 量可以介于F与Fe3C之间，1148度时，a-Fe最大溶碳量为2.11%温度下降，溶碳能力逐渐减小，727度时，wc=0.77% 注意：1某些钢淬火之后，在室温时也含残留奥氏体 2奥氏体钢：在Fe-C合金中加入Mn和Ni能将A临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下低保持奥氏体组织 6珠光体（P）奥氏体发生共析转变所形成的铁素体（F）和渗碳体Fe3C的共析体，其形态，为F薄层和Fe3C薄层交替重复的层状复相物，也称片状珠光体，wc=0.77%(wf=8.8% wFe3C=12%) 性能：珠光体性能介于F于Fe3C之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好 粒状珠光体：在球化退火条件下，珠光体中的Fe3C也可呈粒状，这样的珠光体称为粒状珠光体
第一章金属学及热处理基础知识 一、金属的基本结构 金属材料的化学成分不同，其性能也不同。但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。 1、金属的原子结构及原子的结合方式 （1）金属原子的结构特点 最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。强度高。由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。 （2）金属键 处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。 （3）结合力与结合能 固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。 结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，
钢铁材料常见金相组织简介 在Fe-Fe3C系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，他们在不同温度下的平衡组织各不相同，但由几个基本相（铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C）组成。这些基本相以机械混合物的形式结合，形成了钢铁中丰富多彩的金相组织结构。常见的金相组织有下列八种： 一、铁素体 铁素体（ferrite，缩写FN，用F表示），纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格。碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。 碳溶入δ-Fe中形成间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，用δ表示，在1394℃以上存在，在1495℃时溶碳量最大。碳的质量分数为0.09%。图1：铁素体 二、奥氏体
碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立方结构，为高温相，用符号A表示。奥氏体在1148℃有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，并且无磁性，具体力学性能与含碳量和晶粒大小有关，一般为170~220 HBS、=40~50%。TRIP钢（变塑钢）即是基于奥氏体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材，利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性，并改善了钢板的成形性能。碳素或合金结构钢中的奥氏体在冷却过程中转变为其他相，只有在高碳钢和渗碳钢渗碳高温淬火后，奥氏体才能残留在马氏体的间隙中存在，其金相组织由于不易受侵蚀而呈白色。 三、渗碳体 渗碳体（cementite），指铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化物。渗碳体的分子式为Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。分为一次渗碳体（从液体相中析出）、二次渗碳体（从奥氏体中析出）和三次渗碳体（从铁素体中析出）。 图2：渗碳体 四、珠光体 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。珠光体是钢的共析转变产物，其形态是铁素体和渗碳体彼此相间形如指纹，呈层状排列。按碳化物分布形态又可分为片状珠光体和粒状珠光体二种。 （1）片状珠光体：又可分为粗片状、中片状和细片状三种。
材料的微观结构 材料的微观结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式和组织结构。了解和研究材料的微观结构对于理解材料的性质和特性以及开发新的材料具有重要意义。下面将以金属材料为例，简要介绍材料的微观结构。 金属材料的微观结构主要由晶粒和晶界构成。晶粒是由原子按着一定的规则排列而成的，呈多面体的形状。每个晶粒内部具有相同的晶体结构。晶界是相邻晶粒之间的边界，它是由均匀排列的原子突变而成的。晶界的存在给材料的力学性能和电导率等性质带来了一系列的影响。 金属材料的微观结构决定了其力学性质和导电性能。对于同一材料而言，晶粒尺寸越小，晶界的数目就越多，材料的强度和硬度就越高，但导电性能会降低。相反，晶粒尺寸越大，晶界数目就越少，材料的强度和硬度就越低，但导电性能会增加。因此，在材料的制备过程中，常常会通过控制晶粒尺寸来调节材料的性能。 除了晶粒和晶界，材料的微观结构还包括缺陷和其他相。缺陷是指材料中存在的错误排列的原子或空位。常见的缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷是指单个原子位置的变化，如空位、插入原子等。线缺陷是指原子排列的错误形成的线状缺陷，如位错。面缺陷是指晶粒界面的排列错误形成的面状缺陷，如晶界。这些缺陷对材料的力学性能和导电性能有着重要的影响。
此外，材料的微观结构还可以存在其他相，即不同的晶体结构共存的情况。这些相的存在会导致材料的性质和特性发生变化，例如硬度、强度、导电性能等。 总之，材料的微观结构是由原子、分子或晶体的排列方式和组织结构决定的。了解和研究材料的微观结构对于理解材料的性质和特性具有重要意义。通过控制晶粒尺寸、缺陷的发生和其他相的存在，可以调节材料的性能，为材料的应用提供有力的支撑。
金属材料的微观组织与性能演变分析 金属材料是现代工业中使用最广泛的一类材料之一，其应用范 围广泛，涉及到机械、电子、航空、交通、建筑等多个领域。金 属材料的性能是取决于其微观组织的，因此，对于金属材料的微 观组织与性能演变的分析至关重要。 一、金属材料的微观组织 金属材料的微观组织包括晶体结构、晶粒大小、晶粒形状、晶 界及缺陷等。其中，晶体结构是金属材料微观组织的最基本组成 部分。晶体结构的类型有多种，包括体心立方结构、面心立方结 构和简单立方结构等。这些结构的不同会对金属材料的性能产生 影响。 晶粒大小是指金属材料中晶粒的尺寸大小。晶粒的大小会影响 金属材料的塑性和韧性。一般来说，晶粒大小越小，金属材料的 韧性会越好。晶粒形状也会对金属材料的性能产生影响。例如， 方形晶粒的金属材料在某些方面具有更好的韧性和延展性。 晶界是晶体之间的边界。晶界的存在会对金属材料的性能产生 影响。如果晶界包含太多的缺陷，金属材料的塑性和韧性就会降低。另一方面，晶界也可以增加金属材料的硬度和强度。 缺陷是指金属材料中的缺陷和错误，例如裂缝、夹杂和脆断等。这些缺陷会影响金属材料的塑性和韧性，并降低其强度和硬度。
二、金属材料的性能演变 金属材料的性能演变是指在使用过程中，由于外部应力和环境变化，金属材料的微观组织和性能发生变化的过程。性能演变的过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素。 塑性变形是金属材料在外部力作用下的一种变形方式。在工程应用中，金属材料的塑性变形是一种非常重要的变形方式。塑性变形过程中，金属材料的晶粒会发生滑移和屈曲。这些变化会导致晶界的移动和位错的形成，并影响晶界的性质。 疲劳变形是金属材料在反复加载下的变形过程。在疲劳变形过程中，金属材料的组织会发生微观级别的变化，从而导致金属材料的性能发生变化。一般来说，疲劳变形会导致金属材料的硬度和强度降低，同时增加塑性和韧性。 蠕变是金属材料在长时间高温和高应力下的变形过程。在蠕变过程中，金属材料的微观组织会发生相当大的变化，最终导致金属材料形状的失真和破坏。 三、金属材料的优化 为了提高金属材料的性能，需要通过优化微观组织和控制性能演变的过程来实现。一种常见的优化方式是采用适当的加工工艺来改善金属材料的微观组织。例如，通过热加工和冷加工等方式
第一章材料的性能 第一节材料的机械性能 一、强度、塑性及其测定 1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。 2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。 二、硬度及其测定 硬度是衡量材料软硬程度的指标。 目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。 三、疲劳 机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。 四、冲击韧性及其测定 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。。为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。 五、断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。它是材料本身的特性。 六、磨损 由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。 按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能 1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。不同用 途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。 2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才 能。 第三节材料的工艺性能 一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。 二、可锻性能：可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完好性的才能。 三、焊接性能：焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。 四、切削加工性能：切削加工性能是指材料是否易于切削。 五、热处理性能：人处理是改变材料性能的主要手段。热处理性能是指材料热处理的难易 程度和产生热处理缺陷的倾向。 第二章材料的构造 第一节材料的结合键 各种工程材料是由不同的元素组成。由于物质是由原子、分子或离子结合而成，其结合键的性质和状态存在的区别。 一：化学键 1：共价键 2：离子键 3：金属键 4：范德。瓦尔键 二：工程材料的键性 化学键：组成物质整体的质点(原子、分子、离子)间的互相作用力，成为化学键。 1：共价键：有些同类原子，例如周期表Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族中大多元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键，如金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。 2：离子键：大局部盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不导电的，熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤素元素的原子)互相靠
金属材料概述 金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。一般分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属包括铁、铬、锰等，有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称，一般还包括有色合金。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。 一、金属的组成与结构 1、金属的原子结构 金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层电子，成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子之间的强烈静电吸引力，这种结合方式称为金属键。除锡、锑、铋等少数几种金属的原子最外层电子数大于或等于4以外，绝大多数金属原子的最外层电子数均小于4，主族金属原子的外围电子排布为n s1或n s2或n s2 np(1-4)，过渡金属的外围电子排布可表示为(n-1)d(1-10) n s(1-2)。主族金属元素的原子半径均比同周期非金属元素（稀有气体除外）的原子半径大。 金属材料都具有相同的原子结合方式，但不同的金属材料性能各不相同，因为材料的性能与原子的结合方式有关，还取决于材料的内部结构。结构即为原子的排列方式和空间分布。
2、金属的晶体结构 按原子在空间的排列方式不同，固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体：是指原子在三维空间有规则的周期性重复排列的物质，如金刚石、石墨、固态金属等。晶体一般有规则的外形和固定的熔点，在各个方向上原子密度不同，因而表现出各向异性 非晶体：是指原子在空间无规则排列的物质，表现出各向同性 金属材料在固态下通常为晶体，其结合键主要是金属键，将原子抽象成一个质点，用直线把这些质点连接起来，就形成一定形状的空间格子，这个空间格子，称为晶格，能够完全代表晶格中原子排列规律的最小几何单元称为晶胞，晶胞中各棱边的长度称为晶格常数。 金属晶格的类型：主要有体心立方晶格，如α-Fe、Cr、V、W、Mo等30种金属；面心立方晶格，如γ-Fe、Al、Cu、Ni等20种金属；密排六方晶格，如Mg、Zn、Be、α－Ti、α－Co、Cd等。 晶体缺陷：在实际金属中，局部原子排列不完整的区域，称为晶体缺陷。 点缺陷：三维方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸。随着温度的升高，原子热运动加剧，晶体内点缺陷增多，点缺陷会造成晶格畸变，晶体电阻率升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断的运动和变化之中，这是金属中原子扩散的主要方式之一，对热处理起着重要的作用。 线缺陷：线缺陷是指在某一方向尺寸较大，而在三维空间内的其他两个方向尺寸很小的晶体缺陷，其具体形式是位错，主要有刃型位错和
合金组织常见基本类型 合金组织是一种由两种或更多金属或非金属元素组成的材料。这 些元素通过物理或化学方法结合在一起，形成了新的材料，具有独特 的性能和用途。合金组织种类繁多，常见的基本类型包括以下几种： 1. 合固溶体型合金组织：合固溶体型合金是由两种或更多金属元 素组成，通过固溶体的形式混合在一起。其中一种金属是主要的溶质，而其他金属是溶剂。这种合金组织具有均匀的结构，可以提高材料的 强度和硬度。 2. 间质溶质型合金组织：间质溶质型合金是由金属元素和非金属 元素（间质元素）组成的。在这种合金中，间质元素通过溶解在金属 晶格中，改变晶格结构和性能。这种合金组织可以提高材料的耐腐蚀 性和耐磨性。 3. 相变型合金组织：相变型合金是由两种或更多金属元素组成， 通过相变的方式改变组织结构和性能。这些相变包括固态相变（如时 效硬化）和液态相变（如淬火）。相变型合金组织具有优异的热处理 性能和可调性，广泛应用于高温、高压和高强度领域。 4. 亚稳型合金组织：亚稳型合金是指具有非平衡结构和性能的合 金组织。这种合金通过控制制备条件，利用物理或化学方法使材料呈 现亚稳状态。亚稳型合金常用于高性能材料、储氢材料和电子器件等 领域。
合金组织的选择和设计对材料的性能至关重要。通过选择适当的合金组织，可以改善材料的力学性能、热学性能、耐腐蚀性等方面的特性。同时，合金组织还可以影响材料的可加工性和可靠性。 在合金组织的研究和设计中，需要综合考虑合金元素的成分、比例、热处理工艺以及材料的使用环境和要求等因素。通过合金组织的巧妙设计和调控，可以实现材料性能的最大化和优化，推动相关工业领域的发展和进步。 总之，合金组织是材料科学和工程领域的重要研究方向之一。通过深入了解合金组织的种类和特性，可以为合金材料的开发和应用提供有力的指导，促进材料技术的进步和创新。
金属材料的组织的名词解释 金属材料是一种广泛应用于各个领域的材料，其特点是具有良好的导电性、导 热性和可塑性。金属材料的性能与其组织密切相关，组织是指金属材料中原子或离子排列的方式以及金属材料中各个相的形貌和分布。不同的组织结构会影响金属材料的性能和用途，因此对金属材料的组织进行深入的了解对于研究和开发新型金属材料具有重要的意义。 1. 晶体结构 金属材料的晶体结构是指由原子或离子组成的规则排列方式。晶体结构是金属 材料组织的基础，也是决定金属材料性能的重要因素。晶体结构通常分为立方晶系、六方晶系和四方晶系等不同类型。 2. 晶粒 晶粒是指具有相同晶体结构的颗粒状晶体区域。在金属材料中，晶粒是由晶界 分隔开的。晶粒的大小和形状对金属材料的强度、硬度和塑性等机械性能有着重要的影响。 3. 相 金属材料中的相是指具有相同化学组成和结构的部分，通常由一个或多个元素 组成。不同的相具有不同的性质和结构，因此相的形貌和分布对金属材料的性能具有重要影响。 4. 晶界 晶界是相邻两个晶粒之间的界面区域。晶界对金属材料的性能起着重要的影响，如晶界能影响金属材料的强度、断裂韧性和蠕变行为。 5. 网状结构
网状结构是一种由精细的纤维、带状或膜状的结构组成的金属组织。网状结构通常具有较高的表面积和孔隙度，使其具有良好的吸附性和过滤性能，因此被广泛应用于过滤、分离和催化等领域。 6. 固溶体 固溶体是指由两种或多种金属组成的固体溶液。固溶体的形成可以改变金属材料的硬度、强度和耐腐蚀性等性能。 7. 间隙相 间隙相是指在晶体结构中存在的空隙或原子位置不完整的相。间隙相可以影响金属材料的机械性能和热稳定性。 8. 包晶 包晶是指一种晶体在另一种晶体中形成的嵌入状结构。包晶可以提高金属材料的硬度和强度。 9. 形变组织 形变组织是由金属材料在塑性变形过程中形成的组织结构。形变组织的形成可以改变金属材料的力学性能和耐腐蚀性。 10. 热处理结构 热处理结构是通过热处理工艺改变金属材料的组织结构。热处理结构可以改善金属材料的强度、硬度和韧性等性能。 总结而言，金属材料的组织是指金属材料中原子或离子的排列方式以及各个相的形貌和分布。不同的组织结构决定了金属材料的性能和用途。对金属材料的组织进行深入的研究和理解，有助于开发新型金属材料，并改善已有材料的性能。
金相组织的原理 金相组织（即金属组织学组织）是指通过显微镜观察和分析金属材料的显微组织结构来研究其性能和行为的一门学科。金相组织学主要研究金属材料的晶体结构、晶粒尺寸、晶界、位错和相的组成等方面，通过对金属材料的金相显微观察和图像分析，以及材料中的一些性能测试，可以揭示材料的组织结构与性能之间的关系，为材料的开发、制备、应用和失效分析提供重要的依据。 金相组织的基本原理： 1. 显微镜观察：金相组织学主要依靠金相显微镜作为观察工具。显微镜可以放大金属材料的组织结构，使细微的结构特征可以被观察到。通过调节放大倍数和焦距，可以观察到金属材料的晶界，晶粒、孪晶、清晰度、纯净度等显微结构。 2. 金相显微观察：金相显微镜主要使用光线或电子作为光源，通过光学或电子光学系统对材料进行观察。利用不同的显微镜技术，可以观察到不同尺度上的金相组织结构，例如，光学显微镜能够观察到微米级别的晶粒，而电子显微镜则可以观察到纳米级别的结构。 3. 图像分析：通过对金相显微图像的分析和处理，可以获得一些结构参数，如晶粒尺寸、晶界角度、晶界形态等。图像分析技术主要包括图像增强、图像分割、特征提取和图像识别等方法，通过自动化分析得到更准确、可靠的结果。 4. 试样制备：金相组织研究的第一步是制备试样。试样的制备要求对金属材料
进行切割、磨抛、腐蚀和腐解等处理，以获得平滑的试样表面和清晰的组织结构。 5. 组织鉴定：通过对金相试样的组织结构进行观察、分析和比较，可以确定金属材料的相组成、晶粒大小和分布、晶界分类、位错和孪晶等组织特征，从而确定材料的组织类型。 6. 组织性能关系研究：金相组织学通过对材料的组织结构与性能之间的关系进行研究，揭示了晶体结构、相组成、晶粒尺寸和晶界对材料性能的影响。例如，晶粒尺寸的大小、晶界的类型和位错的密度等都会对材料的力学性能、电磁性能和耐蚀性等产生重要的影响。 7. 异相平衡相图：金相组织学还可以通过对金属材料在不同温度和成分条件下的相图进行研究，了解材料的相平衡情况，提供金属相变、相分离和相反应等方面的信息，为材料的热处理和合金设计提供理论依据。 金相组织学在材料科学和工程、金属加工、材料检测与表征等方面具有重要的应用价值。通过金相组织的观察和分析，可以对金属材料的性能、力学行为、耐久性和失效机理等方面进行深入研究，为金属材料的优化设计和制备提供了可靠的理论基础。
9.金属在塑性变形中的组织结构与性能变化 9．金属在塑性变形中的组织结构与性能变化 1.冷变形导致金属材料的微观结构和机械性能发生了哪些变化？在实际生产中采用冷 变形是必要的 何意义？物理化学性能有何变化 金属材料冷变形后，微观结构发生变化：晶粒拉长形成纤维结构，夹杂物和第二相颗 粒呈带状或点链状分布。它还可能产生变形织构，产生各种裂纹，增加位错密度，产生胞 状结构，增加点缺陷和核层错等晶体缺陷的数量，并增加自由能。力学性能的变化反映在：冷加工后，金属材料的强度指数（比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限和硬度）增加，塑性指数（面积收缩、伸长率等）降低，韧性也降低。随着变形程度的增加，力学性 能也可能发生方向性变化。冷加工通常用于生产中，通过加工硬化来提高材料强度和增强 金属材料。物理和化学性质也发生了显著变化：密度降低，导热系数和磁导率降低，化学 稳定性和耐腐蚀性降低，溶解性增加。 2．回复处理使冷变形后金属材料的组织结构和力学性能发生哪些变化？这种变化有 何实际意义？ 在恢复过程中，金属将释放冷塑性变形过程中储存的部分能量，降低或消除残余内应力，降低电阻率、硬度和强度，提高密度、塑性和韧性，能保持良好的变形强化效果。当 回复温度较低时，塑性变形产生的多余空位将消失，力学性能变化不大，电阻率将大幅度 降低。当回复温度稍高时，同一滑移面上不同数量的位错会聚并消失，降低了位错密度。 当回复温度较高时，不仅同一滑移面上不同数量的位错可以会聚和偏移，而且不同滑移面 上的位错也容易爬升和交叉滑移，从而相互偏移或重新排列成能量较低的结构。温度越高，形成多边形结构或亚晶体。恢复退火在生产中的实际意义主要是用于消除内应力退火，以 在基本保持加工硬化的条件下降低冷加工金属零件的内应力，避免变形和开裂，提高耐腐 蚀性。 3．结晶和晶粒长大的组织性能变化和意义。再结晶从形成无畸变的晶核开始，逐渐 长大成位错密度很低的等轴晶粒，当变形基体全部消耗完即进入晶粒长大阶段。再结晶蚀 消除加工硬化的重要软化手段，再结晶还是控制晶粒大小、形态、均匀程度获得或避免晶 粒择优取向的重要手段。 4.影响再结晶的主要因素：温度、变形程度、微量溶质原子和分散相颗粒 5．影响再结晶后晶粒大小的主要因素：变形量、退火温度。 6.热变形的优缺点。优点：（1）变形抗力低，能耗低；（2）在热加工过程中，在 加工硬化的同时有回复和再结晶的软化过程，这使得塑性变形容易进行；（3）不易产生 纹理；（4）无需中间退火，简化生产工艺，降低成本；（5）通过控制热加工过程，改
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构) 1. 引言 1.1 概述 金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。 1.2 文章结构 本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。 1.3 目的 本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材
料的设计和应用。 2. 晶粒 晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。 2.1 定义与特征 晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。 2.2 形成机制与生长过程 初始时，金属材料以液态或气态形式存在。当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。这个过程叫做再结晶或冷却结晶。 2.3 晶粒大小与材料性能的关系 晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。较大的晶粒内部存在更多的滑移系统和位错，这使得材料在受力时变形相对容易。此外，较大的晶粒也会导致材料中结构不均匀性增加，从而降低其强度和硬度。
一、铁碳合金的组织结构 ㈠金属的组织与结构 在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织，如图2-1所示。如用电子显微镜，可以观察到金属原子的各种规则排列。这种排列称为金属的晶体结构，简称结构。纯铁在不同温度下具有两种不同的晶体结构，即体心立方晶格与面心立方晶格，如图2-2所示。由于内部的微观组织和结构形式的不同，影响着金属材料的性质。纯铁在体心立方晶格结构时，塑性比面心立方晶格结构的好，而后者的强度高于前者。 s 铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料,一般碳以石墨形式存在，石墨有不同的组织形貌，见图2-3所示。其中球状石墨的铸铁称球墨铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。
㈡纯铁的同素异构转变 体心立方晶格的纯铁称α-Fe，面心立方晶格的铁称为γ-Fe。α-Fe经加热可转变为γ-Fe，反之高温下的α-Fe冷却可变为α-Fe。这种在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称"同素异构转变"。纯铁的同素异构转变是在912℃恒温下完成的。这一转变是铁原子在固态下重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。是钢进行热处理的依据。 α-Fe: 温度低于912℃的铁，为体心立方结构。 γ-Fe: 温度在912℃-1394 ℃之间的铁，为面心立方结构。 δ-Fe 温度在1394 ℃-1538 ℃之间的铁，为体心立方结构 故而： 加热时，珠光体所形成奥氏体在AC1能使体心立方转变面心立方 冷却时，奥氏体向珠光体转变在Ar1能使面心立方转变体心立方. ㈢碳钢的基本组织 铁素 体 碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。这是由于碳引起了铁内部组织的变化，从而引起碳钢的力学性能的相应改变。碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体）、化合物和混合物三种。这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。 碳溶解在α-Fe中形成的固溶体称铁素体。由于α-Fe原子间隙小，溶碳能力低（在室温下只能溶解0.006％），所以铁素体强度和硬度低，但塑性和韧性很好。低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。由于含铬量的提高，对钢的组织也有很大影响，当铬含量高而碳含量很少时，铬会使铁碳平衡，图上的Υ相区缩小，甚至消失，这种不锈钢为铁素体组织结构，加热时不发生相变，称为铁素体型不锈钢。 奥氏 体 碳溶解在γ-Fe铁中形成的固溶体称奥氏体。γ-Fe原子间隙较大，故碳在γ-Fe中的溶解度比α-Fe中大得多，如在723℃时可溶解0.8％，在1147℃时可达最大值2.06％。 奥氏体组织是在α-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、
第三章材料的组织结构与性能的关系 在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。 结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。 结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。面向２１世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。 功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。这三种物理性质用的较多。对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。 第一节结构材料 1. 材料在承载时发生的变化 1.1.1 弹性、塑性、强度、韧性 无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫变形。最明显的是，一根橡皮筋受拉会变长，去除拉力后又恢复了原样；但若是一根铁丝，我们可以很容易将其弯曲，但卸载后，弯曲形状还会保持。能恢复的变形称之为弹性变形，不能恢复的变形称之为塑性变形。显然，不同材料，发生弹性变形、塑性变形的难易程度不同。载荷与绝对变形的关系可用来评价材料的变形能力，但其中含有尺寸因素的影响。工程上，是用应力与应变间的关系来衡量材料的变形能力。应力σ= P/A0。式中P为载荷。A0为试件的起始横截面积；应变ε= △L / L0，即试件相对变形的大小。L0为试件的长度，△L为在载荷作用下试件的伸长。 当材料发生弹性变形的时候，应力与应变呈线性关系，即σ＝Eε，这就是著名的虎克定律，E被称为杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹性性能的表征。从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离发生可逆变化的结果。因此，材料对弹性变形的抗力取于原子间作用力的大小，也就是说，与原子间结合键类型、原子大小、
第二章金属的组织结构 一、教学目的与要求 1.了解金属结晶过程及其规律。 2.了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影响。 3. 掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 4. 掌握合金的成份、组织与性能的关系。 5. 能够利用铁—碳相图定性分析铁碳合金成份、组织、性能间的关系。 6. 能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过程。 二、教学课时数 1. 理论教学 4学时 2. 实验教学 2学时 合计 6学时 三、教学内容 1. 金属的结晶过程 2. 结晶规律 3. 纯金属的晶体结构 4. 合金的组织 5. 铁碳合金平衡状态图
四、教学重点与难点 1. 重点 ⑴基本概念：过冷度、同素异晶转变、合金、组元、相、固溶强化、 共析反应、共晶反应、铁素体、奥氏体、渗碳体、 珠光体、莱氏体 ⑵常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影响 ⑶铁碳合金平衡状态图及其分析 2.难点 ⑴利用铁—碳相图定性分析铁碳合金的组织转变 ⑵分析铁碳合金成份、组织、性能间的关系 五、教学方式 1. 多媒体授课 2. 实验教学 六、参考书籍 1. 材料科学基础，潘金生，TB3 / P146，清华大学出版社，1998 2. 工程材料及应用，周凤云，TB3 / Z768=2，华中科技大学出版社， 2002 3. 金属工艺学(上)，邓文英，TG / D328=4:1，高等教育出版社，2000
第二章金属的组织结构 概述 一、比较铁、铝、铜的性能 1. 性能不同 2. 原因——结构不同 二、本章内容与前后内容的关系 材料→结构→性能→选材与加工方法 第一节金属的结晶 一、金属晶体 1. 晶体与非晶体的区别 2. 问题 金属晶体能否制成非晶体？非晶态研究 二、金属的结晶过程 1. 结晶 一次结晶：液态→固态。 二次结晶：固态相变。