金属学基础

第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。

固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。

常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。

第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。

而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。

常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。

我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。

(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。

食盐、水结成的冰，都是晶体。

一般的固态金属及合金也都是晶体。

并非所有固态物质都是晶体。

如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。

晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。

在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。

而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。

由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。

(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。

金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。

体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。

图1—4 典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。

这种晶格的转变，称为同素异晶转变。

纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。

《金属学原理》典型题例晶体结构章节1. 纯铁在912 ℃由bcc结构转变为fcc结构，体积减少1.06%，根据fcc形态的原子半径计算bcc形态的原子半径。

它们的相对变化为多少？如果假定转变前后原子半径不便，计算转变后的体积变化。

这些结果说明了什么？2. 铜的相对原子质量为63.55，密度为8.96g/cm3，计算铜的点阵常数和原子半径。

测得Au的摩尔分数为40%的Cu-Au固溶体，点阵常数a=0.3795nm，密度为14.213g/cm3，计算说明他是什么类型的固溶体。

3. Fe-Mn-C合金中，Mn和C的质量分数为12.3%及1.34%，它是面心立方固溶体，测得点阵常数a=0.3642nm，合金密度为7.83g/cm3，计算说明它是什么类型的固溶体。

4 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：①立方晶系(421)，(1—23)，(130)，[21—1—]，[311]；②六方晶系(211——1)，(11—01)，(321——2)，[211——1]，[12—13]。

α和高温稳定的体5 已知纯钛有两种同素异构体：低温稳定的密排六方结构Ti-β，其同素异构转变温度为882.5℃，计算纯钛在室温(20℃)和心立方结构Ti-900℃时晶体中(112)和(001)的晶面间距(已知aα20℃=0.2951nm，cα20℃=0.4679 nm，aβ900℃=0.3307nm)。

6 试计算面心立方晶体的(100)，(110)，(111)等晶面的面间距和面致密度，并指出面间距最大的面。

7 Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为α为0.632nm，ρ为7.26g/cm3，r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？8 ①按晶体的钢球模型，若球的直径不变，当Fe从fcc转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？②经X射线衍射测定，在912℃，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm，计算从γ-Fe转变为α-Fe时，其体积膨胀为多少？与①相比，说明其产生差异的原因。

金属材料工程大一学习计划引言在当今社会，金属材料工程是一个非常重要的学科领域。

金属材料一直以来都是制造业的基础材料，被广泛地应用在各个行业中。

因此，学习金属材料工程对于从事相关行业的学生来说是非常重要的。

本文将从大一学生的角度出发，制定出一份详细的金属材料工程学习计划，以帮助大一新生更好地学习和掌握这门学科。

一、课程安排大一的金属材料工程专业课程通常包括《工程材料学》和《金属学基础》两门课程。

在学习这两门课程之前，大一学生通常会先学习大学物理学、高等数学、英语等基础课程。

因此，在进行金属材料工程学习计划之前，我们需要先了解在大一的课程安排。

1.1 大学物理学大学物理学是金属材料工程学习的基础，它是对物质运动规律和物质结构的研究。

在大学物理学课程中，学生将学习到原子结构、能量转换、热学、波动光学、电磁学等基础知识。

这门课程对于学生以后学习金属材料工程学科非常重要，因为它是金属材料工程学科的基础知识。

1.2 高等数学高等数学是金属材料工程学习的数学基础，它是现代数学的一个重要分支，是应用数学的基础。

在高等数学课程中，学生将学习到微积分、多元函数微积分、常微分方程、偏微分方程等数学知识。

这些知识对于学生以后学习金属材料工程学科非常重要，因为它是金属材料工程学科的数学基础。

1.3 英语英语是金属材料工程学习的语言基础，因为金属材料工程学科是一个国际性学科，需要与世界各地的专家进行学术交流。

因此，学生需要通过英语课程学习到足够的英语知识和技能，以便能够进行学术交流和研究合作。

1.4 工程材料学《工程材料学》是金属材料工程学科的重要课程之一，它是专门研究工程材料的组织、性能和应用的一门学科。

在这门课程中，学生将学习到金属材料的组织、性能和应用方面的知识。

这对于学生掌握金属材料工程学科非常重要。

1.5 金属学基础《金属学基础》是金属材料工程学科的另一门重要课程，它是专门研究金属材料原子结构、物理性质和机械性能的一门学科。

第五章金属学基础第五节铁碳合金相图由α-Fe转变为γ-Fe就是属于________。

A.同素异构转变B.共析转变C.共晶转变D.匀晶转变Fe-Fe3C相图就是Fe-C合金相图的一部分,生产中使用的碳钢与铸铁的含碳量不超过________,Fe－Fe3C相图部分就可满足生产上的要求。

A.2、11%B.1、5%C.4、3%D.5%Fe-Fe3C相图就是Fe-C合金相图的一部分,其组元为________。

A.F+AB.F+Fe3CC.Fe+Fe3CD.P+Fe3C当温度在室温至727℃时,α-Fe的体心立方晶格中的溶碳量为________。

A.0、0008%～0、0218%B.0、0008%～0、077%C.0、0218%～0、77%D.0、77%～2、11%当温度在727～1148℃时,γ-Fe的面心立方晶格中的溶碳量为________。

A.0、0008%～0、0218%B.0、0008%～0、077%C.0、0218%～0、77%D.0、77%～2、11%在下列铁的形态中,具有体心立方晶格的就是________。

A.α-FeB.γ-FeC.δ-FeD.α-Fe与δ-Fe在下列铁的形态中,具有面心立方晶格的就是________。

A.α-FeB.γ-FeC.δ-FeD.α-Fe与δ-Fe渗碳体的性能特点就是________。

Ⅰ.硬度高;Ⅱ.硬度低;Ⅲ.强度高;Ⅳ.强度低;Ⅴ.塑性高;Ⅵ.塑性低。

A.Ⅱ+Ⅲ+ⅤB.Ⅰ+ⅤC.Ⅰ+Ⅳ+ⅥD.Ⅰ+Ⅵ碳溶于α-Fe的晶格中形成的固溶体称为________。

A.铁体素B.奥氏体C.渗碳体D.马氏体铁素体的最大的溶碳量为________。

A.0、77%B.0、0008%C.0、0218%D.2、11%在室温时,铁素体的最大的溶碳量为________。

A.0、77%B.0、0008%C.0、0218%D.2、11%在727℃时,铁素体的最大的溶碳量为________。

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，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。

机械工程材料复习题第一章金属学基础一、名词解释1.过冷度2.均质成核3.非均质成核4.冷变形5.热变性6.加工硬化7.再结晶8.纤维组织9.锻造流线二、选择题1. 每个体心立方晶胞中包含有（）个原子。

A.1B.2C.3D.42. 每个面心立方晶胞中包含有（）个原子。

A.1B.2C.3D.43.属于面心立方晶格的金属有（）。

A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒C.γ-Fe,铜D.γ-Fe,钒4.属于体心立方晶格的金属有（）。

A.α-Fe,铝B.α-Fe,铬C.γ-Fe,铝D.γ-Fe,铬5.在晶体缺陷中，属于点缺陷的有（）。

A.间隙原子B.位错C.晶界D.缩孔6.金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：A．越高 B. 越低 C. 越接近理论结晶温度7.为细化晶粒，可采用：A. 快速浇注B. 加变质剂C. 以砂型代金属型8.铸锭剖面由表面到中心的晶粒特点依次为：A．表面等轴粗晶粒层，中间柱状晶粒层，心部细晶粒层B．表面细晶粒层，中间柱状晶粒层，心部等轴粗晶粒层C．表面等轴粗晶粒层，中间细晶粒层，心部柱状晶粒层D．表面等轴粗晶粒层，中间柱状晶粒层，心部等轴粗晶粒层9.下列三种方法制造紧固螺栓，哪一种比较理想（）。

A.直接用圆钢切削加工而成；B.将圆钢局部镦粗，然后再加工；C.用一厚钢板切削加工而成。

10.对重要受力零件，纤维组织的方向应该是与（）。

A.最大正应力和最大剪应力平行；B.最大正应力垂直和最大剪应力平行；C.最大正应力平行和最大剪应力垂直。

三、是非题1. 非晶体具有各向异性。

2. 每个体心立方晶胞中实际包含有2个原子。

3. 每个面心立方晶胞中实际包含有2个原子。

4. 每个面心立方晶胞中实际包含有4个原子。

5. 每个体心立方晶胞中实际包含有4个原子。

6. 单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。

7. 晶体具有各向同性。

8. 单晶体具有各向同性，多晶体具有各向异性。

9. 物质从液体状态转变为固体状态的过程称为结晶。

第一章金属学基础知识1．什么是强度什么是塑性衡量这两种性能的指标有哪些各用什么符号表示金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。

常用的强度指标有弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb。

塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。

常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。

2．什么是硬度HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度各种硬度测试方法的特点有何不同硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

HBS：用淬火钢球作压头时的布氏硬度。

不能测试太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。

通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。

HBW：用硬质合金球作压头的布氏硬度。

用于测试硬度在650HBW以下的材料。

HRA：洛氏硬度，表示试验载荷（60KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥压头试压。

用于硬度极高的材料，例如硬质合金。

HRB：洛氏硬度，表示试验载荷（100KG），使用直径的淬火钢球试压。

用于硬度较低的材料，例如退火钢、铸铁等。

HRC：洛氏硬度，表示试验载荷（150KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥头试压。

用于硬度很高的材料，例如淬火钢等。

3．简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的。

静载荷作用下测试：强度、塑性、硬度。

动载荷作用下测试：冲击韧度、疲劳强度。

4．试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简要解释。

晶体：物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体。

晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的空间架格称为晶格。

晶胞：能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞。

单晶体：如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。

多晶体：由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体。

5．常见金属晶格类型有哪几种试绘图说明。

①体心立方晶格②面心立方晶格③密排六方晶格6．晶体的各向异性是如何产生的为何实际晶体一般都显示不出各向异性在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，因而原子间距不同，原子间相互作用的强弱不同，从而导致晶体的宏观性能在不同方向上具有不同数值，此现象称为晶体的各向异性。

金属学原理
金属学是研究物理和化学特性以及结构的有趣的领域，旨在提高金属的性能，以满足多种工业应用的需求。

在这里，我们将介绍金属学的基本原理，包括金属的结构特性和行为的影响因素。

一、金属的结构特性
金属具有以下特性：（1）表面强度：金属表面结构紧密，具有良好的抗腐蚀性和力学性能；（2）熔点低：金属在常温下易于熔化，熔点较低；（3）优异的导热性和导电性：金属具有优异的导热性和导电性，适宜在高温下的工作环境。

二、行为的影响因素
1.金成分：合金中的元素成分会影响金属的性能。

2.度：温度也会影响金属的性能。

随着温度升高，金属的塑性和硬度会下降；随着温度升高，金属的蠕变和抗腐蚀性能也会减弱。

3.力：应力也会影响金属的性能。

受到外力作用时，应力会增大，导致金属容易变形和断裂。

三、金属的应用
金属在工业上的应用十分广泛，如制造发动机的金属零件、航空发动机的燃料系统、家用电器的部件、工程机械的结构支撑等。

有了这些基本的金属学原理，人们就可以利用不同的金属材料来满足各种不同的需求，为社会建设做出重要贡献。

四、总结
金属学是一个关于金属结构和性能的学科，它提高了人们对金属
的认识，促进了金属材料的研发和应用。

它通过分析金属的结构和行为的影响因素，从而为金属材料的制造与应用提供了理论基础和实践指导。

在今天的日常生活和工业生产中，金属的应用无处不在，我们也因为金属学的存在而受益良多。

第五章金属学基础第二节金属的结晶过程与同素异构转变由液态金属变为固态金属的过程称为________。

A．凝固B．结晶C．再结晶D．重结晶金属从一种固态晶体结构转变成另一种固态晶体结构的过程称为重结晶，下列转变中________属于重结晶转变。

A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．同素异构转变金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为________。

A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．重结晶关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是________。

A．过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值B．实际结晶温度高于理论结晶温度C．冷却速度越大，过冷度则越大D．过冷度是实际液态金属结晶的必要条件对纯金属而言，下列说法________是错误的。

A．不会在恒温下结晶B．不会发生相变C．都能进行形变强化D．都能进行时效强化当系统的温度________T0时，系统过热，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，熔化自发进行。

A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于当系统的温度________T0时，系统过冷，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，结晶自发进行。

A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于液态金属结晶时，过冷度ΔT________，自由能差ΔE________，所以液态金属结晶的倾向越大。

A．越大/越大B．越大/越小C．越小/越小D．越小/越大下列关于金属结晶过程的说法不正确的是________。

A．金属结晶不是瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程B．对一个晶粒的形成来说，它具有严格区分的成核和长大两个阶段C．对整体液态金属结晶过程来说，成核与长大过程始终交叉进行，所以说结晶是成核与长大并进的过程D．尺寸增大稳定性增高的远程有序原子团称为晶胚金属的结晶过程包含________和________。

A．晶核不断形成/晶核长大B．晶粒/晶界C．晶界/亚晶界D．晶核/晶核长大液态金属在晶体长大过程中，________是其动力。

（一）熟悉金属及合金的固态结构晶体：人们将原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，金属和合金在固态下通常都是晶体。

晶体的特性：(1) 晶体具有一定的熔点；(2) 各向异性或异向性。

即在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。

(3)一般具有规则的外形。

1、三种典型的金属晶体结构：金属晶体中，金属键使原子（分子或离子）的排列趋于尽可能紧密，构成高度对称性的简单晶体结构，常见的有以下三种。

(1) 体心立方结构（body-centered cubic, “bcc”）如下图，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。

具有bcc结构的金属有α-Fe, Cr, V, Nb, Mo, W等约30种。

(2) 面心立方结构（face-centered cubic, “fcc”）见下图。

γ-Fe, Cu, Ni, Al, Ag等约20种金属具有这种晶体结构。

(3) 密排六方结构（hexagonal closed-packed, “hcp”）见下图。

在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。

具有hcp结构的金属有Zn, Mg, α-Ti, Cd等。

多晶型转变（同素异构转变）：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。

当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。

如Fe在912℃以下为bcc结构，称为α-Fe，在912-1394℃，具有fcc结构，称为γ-Fe，而从1394℃至熔点，又转变为bcc结构，称为δ-Fe。

2、合金的晶体结构：在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，称为均匀的液体，因而只具有一个液相。

但凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元之间的相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构（phase structure），主要有固溶体（solid solution）和金属化合物（intermetallic compound）两大类。

一、填空题：1.材料常用的塑性指标有“延伸率”“断面收缩率”，其中“断面收缩率”表示塑性更接近硬度2.检验淬火钢成品件硬度一般用“洛氏”硬度，而布氏硬度适用于测定“退火零件”的硬度3.零件表面的加工质量对其“疲劳”性能有很大的影响4.材料性能是指“铸造”性、“可锻”性、“切削加工”性5.表征材料抵抗冲击荷载能力的性能指标是“冲击韧性”，单位是“J/m2”6.工程材料的结合键有“离子键”“共价键”“金属键”“分子键”7.体心立方晶格和面心立方晶格晶胞内原子数分别是“2”“4”，其致密度分别是“0.68”“0.74”8.实际金属中存在有“点缺陷”“线缺陷”和“面缺陷”3类缺陷，错位是“线”缺陷，晶界是“面”缺陷。

金属的晶粒越小，晶界总面积就越“大”，金属的强度也越“大”9已知银的原子半径为0.144nm，则其晶格常数为“0.407”nm1.金属的结晶过程主要由形核和长大两个基本过程组成。

2.金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有增加过冷度、和震动、搅拌。

3.物质在固体下的晶体结构随温度变化的现象成为同素异构转变。

铁的同素异构转变为4.金属从液态转变为固态的过程成为凝固。

金属在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程为固态相变。

5.金属在结晶过程中，冷却速度越大，则过冷度越大，晶粒越小，强度和硬度越强，塑形越好。

6.二元合金的杠杆定律中，杠杆的端点是所求的相或组织组成物部分，杠杆的支点是合金的成分1．常温下，金属单晶体的塑性变形方式滑移和＿孪生。

2．滑移只能在切应力的作用下发生。

3．纯铁在室温下塑性变形时的滑移面为＿{110}，在1100℃塑性变形时的滑移面为＿{111}。

5．由于位错的易动性，金属容易产生滑移变形，使其实际强度远低于理论强度值。

6.与单晶体相比，影响多晶体塑性变形的两个主要因素是＿晶界＿＿＿和＿晶粒位相差＿＿＿。

7.在金属学中，冷变形加工的界限是以再结晶温度＿来划分的。

因此，Cu（熔点为1084℃），在室温下的变形加工为＿冷＿加工，Sn（熔点为232℃）在室温下的变形加工为热＿加工。