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金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。
即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。
造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。
金属材料是靠原子间金属键结合起来的。
金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。
（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。
2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。
一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。
晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。
②具有规则的几何外形。
③具有“各向异性”。
二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。
将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。
2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。
3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。
三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。
除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。
金属与合金的晶体结构一、引言金属与合金是一类重要的材料，它们具有优异的物理和化学性质，广泛应用于工业和科学领域。
金属与合金的晶体结构是影响其性能的重要因素之一。
本文将介绍金属与合金的晶体结构，包括晶体的组成、晶体的类型以及晶体的排列方式等。
二、金属晶体结构金属晶体结构由金属原子组成。
金属原子通常具有较大的离子半径和较小的电负性，因此它们倾向于形成金属键。
金属晶体结构可以分为以下几种类型：1. 面心立方结构（FCC）面心立方结构是最常见的金属晶体结构之一。
在面心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点。
这种结构具有高度的对称性和密堆积性，因此具有较高的韧性和塑性。
2. 体心立方结构（BCC）体心立方结构是另一种常见的金属晶体结构。
在体心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及晶格的中心。
这种结构相对于面心立方结构来说，具有更高的密度和较低的韧性。
3. 密堆积六方结构（HCP）密堆积六方结构是一种较少见的金属晶体结构。
在密堆积六方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点，形成六边形的密堆积结构。
这种结构具有较高的密度和较低的韧性。
三、合金晶体结构合金是由两种或更多种金属元素组成的混合物。
合金晶体结构可以由金属元素的晶体结构类型以及原子比例决定。
1. 固溶体固溶体是最常见的合金晶体结构之一。
在固溶体中，主要金属元素和溶质金属元素形成固溶体溶解体，原子之间的排列方式与纯金属相似。
固溶体可以分为完全固溶体和部分固溶体两种类型。
完全固溶体中，溶质原子完全溶解在主要金属晶体中；而在部分固溶体中，溶质原子只能部分溶解在主要金属晶体中。
2. 亚稳相亚稳相是指在合金中形成的相对于平衡相来说具有较低稳定性的晶体结构。
在亚稳相中，原子之间的排列方式发生改变，导致晶体结构和性能发生变化。
亚稳相的形成主要受到合金元素的浓度和固溶度限制的影响。
3. 间隙化合物间隙化合物是指合金中形成的一种特殊结构，其中金属原子和非金属原子之间的排列方式具有较高的有序性。
《工程材料》习题第一章金属机械性能一、解释名词疲劳强度屈服强度抗拉强度冲击韧性延伸率断面收缩率二、判断正误1、材料在均匀塑性变形阶段承受的最大拉应力称为屈服强度。
（）2、所有金属材料在拉伸时均有明显的屈服现象。
（）3、相同材料和相同尺寸的试样，表面光滑者比表面有微裂纹者的疲劳强度高。
（）4、金属材料的弹性模量E愈大，则其塑性愈差。
（）5、同种材料不同尺寸试样所测得的延伸率相同。
（）第二章金属的晶体结构一、解释名词晶格晶体结构晶体空位组织二、判断正误1、金属的晶界是面缺陷。
晶粒愈细，晶界愈多，金属的性能愈差。
（）2、因为单晶体是各向异性的，所以实际金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。
（）3、体心立方晶格中原子排列最密集的晶面是(111)面。
（）4、实际金属在不同方向上的性能是不一样的。
（）5、细晶粒金属的强度高但塑性较差。
（）三、选择题1、晶体中的晶界属于 ca.点缺陷b.线缺陷c.面缺陷d.体缺陷2、工程上使用的金属材料一般都具有 da. 各向异性b. 各向同性c. 伪各向异性d. 伪各向同性四、填空1、实际金属中存在有_____、______、______缺陷。
其中，位错是____缺陷，晶界是____缺陷。
2、位错的基本类型有两种，它们是_______位错和______位错，有多余半个原子面是________位错所特有的。
3、常见的金属晶体结构有_________、__________、__________三种。
在这三种金属晶体结构中，原子排列最密集的晶面分别是_________、__________、__________。
第三章金属的结晶一、解释名词过冷度二、判断正误1、金属结晶的必要条件是快冷。
（）2、凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
（）3、纯金属的实际结晶温度与其冷却速度有关。
（）4、纯金属的实际晶粒度与其冷却速度有关。
（）三、选择题1、同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是a. 晶粒尺寸发生变化b. 过冷度发生变化c. 致密度发生变化d. 晶粒长大速度发生变化2、金属在结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度a. 越高b. 越低c. 越接近理论结晶温度d. 不能确定四、填空1、纯铁的同素异构体有_____________、_______________和_______________。
习题一工程材料的性能1、由拉伸试验可得出哪些力学性能指标?在工程上这些指标是如何定义的？2、说明σs，σb，δ，ψ，E、G、σ-1，αk符号的意义和单位？3、在测定强度上σs和σ0.2有什么不同?4、在设计机械零件时常用哪两种强度指标？为什么?5、在何种服役条件下，屈服强度、抗拉强度、疲劳强度是设计中最有用的数据？6、设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料?采用何种材料为宜？材料的E越大，其塑性越差，这种说法是否正确? 为什么？7、材料的弹性模量E的工程含义是什么？它和零件的刚度有何关系？8、什么是弹性模量E？金属弹性模量的大小主要取决什么因素？9、金属材料刚度与金属机件刚度两者含义有何不同？10、试区别材料刚度与弹性的概念，一个弹簧由于刚度不足或弹性差产生的失效现象有何不同？如何防治二者造成的失效？11、有一低碳钢拉伸试件，d0=10.0mm，L0=50mm，拉伸实验时测得F s=20.5kN，F b=31.5kN，d1=6.25mm，L1=66mm，试确定此钢材的σs，σb，δ，ψ。
12、拉伸试件的原标距长度为50mm，直径为10.0mm，拉断后对接试样的标距长度为79mm，缩颈区的最小直径为4.9mm，求其δ，ψ。
这两个指标，哪个表征材料的塑性更准确？塑性指标在工程上有哪些实际意义？13、一根直径为2.5mm的3m长钢丝受载荷4900N后，有多大变形？（钢丝的弹性模量为205000MN/m2）14、标距不同的伸长率能否进行比较？为什么？15、现有标准圆形长、短试件各一根，原始直径d0=10mm，经拉伸试验，测得其延伸率δ5和δ10均为25%，求两试件拉断时的标距长度？这两个试件中那一个塑性较好？为什么？16、常用的硬度试验方法有几种？其应用范围如何?这些方法测出的硬度值能否进行比较？17、甲乙丙丁四种材料的硬度分别是45HRC，90HRB，800HV，240HBS，试比较这四种材料硬度的高低。
金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。
即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。
造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。
金属材料是靠原子间金属键结合起来的。
金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。
（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。
2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。
一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。
晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。
②具有规则的几何外形。
③具有“各向异性”。
二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。
将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。
2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。
3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。
三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。
除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。
ar 423、密排六方方晶格（hcp ）晶格常数： a = b≠ cc / a =1.633α=β= 90°γ= 120°密排方向：顶面的对角线方向原子半径：属于hcp 晶格的金属主要有：Mg 、Zn 、Be 等2a r二、典型晶格结构的相关参数1、晶胞原子数——一个晶胞内所拥有的原子个数。
bcc: fcc: hcp:2 1818=+⨯4216818=⨯+⨯632126112=+⨯+⨯2、致密度——晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，用来衡量原子在晶格中排列的紧密程度。
（致密度越大，原子排列的紧密程度越高）bcc:fcc: hcp:68 .0)43(34233=⨯⨯⨯aaπ74.0)42(34433=⨯⨯⨯aaπ74.0633.1)60sin(6)2(3462213=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯aaaπ3、（了解）配位数——晶格中与任一原子紧靠，且距离相等的原子的个数，也用来衡量原子在晶格中排列的紧密程度。
（晶体原子的配位数越大，原子排列的紧密程度越高）bcc: 配位数为8个；fcc: 配位数为12个；hcp: 配位数为12个；因此：由上述致密度和配位数可知，fcc和hcp晶格中原子排列比较紧密，而bcc晶格中原子排列相对较松散。
三、晶面和晶向1、晶面和晶面指数晶面——晶体中各原子所组成的平面。
晶面指数——表示晶面空间位向的参数。
晶面指数的确定方法：P27（1）沿晶胞的棱边设定坐标系（坐标系的原点应于晶面之外）；（2）求晶面在各棱边上的截距； a 2a ∞（3）将各截距值得取倒数；1/a 1/2a 0（4）化为最小整数比，各数之间用空格分开； 2 1 0（5）将各整数列入圆括号（）。
（2 1 0）2、晶向和晶向指数晶向——晶体中任意两个原子连线所指的方向。
晶向指数——表示晶向的空间指向的参数。
晶向指数的确定方法：P28（1）设定坐标系（坐标系的原点应于晶向矢量的箭尾）；（2）晶向上任取一点，求该点的坐标值；（3）化为最小整数比，各数之间用空格分开；（4）将各整数列入方括号[ ]。
注：对某晶面指数（h k l）和某晶向指数[u v w]若：h=u, k=v, l=w 则：晶面⊥晶向若：h*u+k*v+l*w=0 则：晶面∥晶向3. 晶面族/晶向族（了解内容）——晶体中原子排列相同但指数不同的所有晶面/ 晶向的集合。
如：fcc晶体原子排列最紧密的晶向族为〈1 1 0〉该晶向族包括：[1 1 0]、[1 0 1]、[0 1 1] ……四、晶体的各向异性在单晶体中，由于不同晶面或晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的作用力也不相同，故晶体在不同方向上就表现出不同的力学性能和理化性能——晶体的“各向异性”。
但是，实际金属材料一般都是多晶体，内部包含许多小晶体，各个小晶体的位向各不相同，因此金属材料的性能的宏观表现仍为各向同性。
第三节合金的晶体结构纯金属一般具有良好的导电性、导热性等，但纯金属种类有限，提炼困难，机械（力学）性能较差，因此在工业生产中更多使用合金材料，以满足生产中多品种、高性能的要求。
一、合金的基本概念P29合金——由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质。
例如：黄铜(Cu+Zn)、碳钢（Fe+C）组元——组成合金的最基本、独立的物质（一般可以理解为组成合金的元素）。
例如：碳钢的组元是Fe和C元素，为二元合金。
合金系——组元相同，但配制比例不同的所有合金系列。
相——合金中，具有同一化学成分且结构相同，相互以界面分开的均匀组成部分。
组织——合金材料的微观形貌，组织可由单个相或多个相组成。
（了解相和组织的关系）二、合金的基本相结构由于组元之间的相互作用不同，合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。
1、固溶体——固态下，组元间相互溶解而形成的均匀相。
固溶体的晶格结构与其中某一组元的晶格结构相同，该组元称为溶剂，其它组元为溶质。
在固溶体中，一般溶剂含量较多，而溶质含量较少。
（1）固溶体的分类：间隙固溶体——溶质占据溶剂晶格中的间隙位置。
置换固溶体——溶质占据溶剂晶格中的结点位置。
（2）、固溶强化P30——在固溶体中，随着溶质的加入，导致固溶体的晶格发生畸变，（晶格畸变会阻碍位错移动），使塑性变形的抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高。
固溶强化在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持较高的塑性和韧性，因此是强化金属材料的重要途径之一。
由于固溶体具有较好的力学性能，合金材料都是以固溶体作为基体相的。
2、金属化合物——合金组元之间发生相互作用而形成一种新相，也称为中间相。
金属化合物的晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。
例如：渗碳体（Fe3C ），参阅《教材》P30。
金属化合物一般具有复杂的晶格结构，其性能特点是熔点高、硬而脆。
因此，在金属材料中，金属化合物一般不作为基体相，而是作为第二相存在。
在合金中，当金属化合物以细小的颗粒状形式均匀地分布（弥散分布）在固溶体基体上时，导致合金材料的强度、硬度和耐磨性明显提高，但塑性和韧性会有所下降——弥散强化（第二相强化/析出强化）。
综上所述，在工业生产中，可以调整固溶体的溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布状况（材料的内部组织结构），从而使合金的力学性能发生改变，以满足生产中的不同使用要求。
第四节实际金属的晶体结构与理想晶体相比，工业生产中使用的实际金属一般都是多晶体，而且晶体内部往往存在许多晶体缺陷，对实际金属的性能产生很大的影响。
一、多晶体与亚组织P32理想晶体内部的原子是按某一固定规律排列的，晶体内部的晶格位向完全一致，这种晶体称为单晶体。
单晶体必须采用特殊工艺制作才能获得，它对外表现出各向异性。
实际金属材料一般都是多晶体，内部包含了许多颗粒状的小晶粒，每个晶粒内部的位向是一致的，但各个晶粒彼此之间的位向各不相同。
因此，实际金属材料的性能的宏观表现仍为各向同性。
实际金属的晶体内部，其晶格也并不完全一致，而是存在许多尺寸更小、位向差也更小的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒/亚组织。
（了解内容）二、晶体的缺陷实际金属中的原子排列并不完全规则和完整，而是存在大量的晶体缺陷（原子排列不规则的现象）。
这些晶体缺陷的存在，对实际晶体的性能具有很大的影响，金属材料的塑性变形和各种强化机理都与晶体缺陷密切相关。
1、点缺陷——空位、间隙原子和置换原子在点缺陷的附近，周围原子偏离了原来的平衡位置，产生了晶格畸变，由于晶格畸变会阻碍位错移动，导致晶体的强度、硬度提高——固溶强化。
2、线缺陷——位错在晶体中的某处，一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，称为位错。
（1）位错的分类位错分为刃型位错和螺型位错两类。
刃型位错螺型位错（2）位错密度位错密度ρ——单位体积中位错线的总长度。
单位为cm-2(cm/cm3)ρ= S/V (S—晶体中位错线的总长度；V——晶体的体积）实际金属材料中，位错是大量存在的。
例如，变形铝合金中ρ∝1012 cm-2= 107km/cm3。
位错对金属性能的影响：A、位错密度与金属的强度的关系：从图中可以看出，当金属处于退火状态时强度是最低的；理想晶体（无位错）的强度很高；金属产生冷加工变形时，由于位错密度提高，使金属的强度和硬度提高——加工硬化/ 形变强化。
B、“位错易动性”金属材料的塑性变形实际上是通过位错的运动来实现的。
如图所示，在位错移动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生相对移动，而每次只需位错中心附近的少数原子作微量运动，那么位错移动所需临界切应力很小，因此实际金属的强度比理想晶体（无位错）的强度要低很多——“位错易动性”。
3、面缺陷——晶界和亚晶界在多晶体中，相邻晶粒之间的分界处称为晶界。
由于晶界位于两晶粒间的过渡带，原子排列不规则，产生晶格畸变，阻碍位错移动，使材料的塑性变形抗力增大。
细化材料的晶粒，可以使材料的晶界面积显著提高，从而提高材料的强度和硬度——细晶强化。
同时，由于晶界处原子排列不规则，原子间隙较大，所以晶界处原子能量较高，杂质容易聚集，导致：晶界处容易被腐蚀；晶界处的熔点较低等等。
（介绍）金相实验的基本原理金相试样在抛光后，需要对试样表面进行浸蚀，显示出各种组织的组成物及其形态特征。
浸蚀的主要原理是：单相组织的浸蚀是一个纯化学腐蚀过程，由于晶界处原子排列不规则，能量较高且杂质聚集，因此晶界处容易被浸蚀而呈现凹沟；而两相以上的组织的浸蚀则主要是一个电化学过程，由于各组成相的化学成分和结构不同，因此具有不同的电极电位，受浸蚀的程度就不相同，使得试样观察面上形成凹凸不平的状态。
