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1、机械工程材料,绪论,一、历史新石器时代的仰韶文化已开始炼制和应用黄铜商周时期，青铜冶炼、铸造技术已达到很高的水平商代晚期，青铜业进入了鼎盛时期。最能反映这个时期青铜冶铸技术水平的，是1939年在河南安阳出土的司母戊鼎。它重达875公斤，带耳，高133厘米，横长110厘米，宽78厘米，它是我国到目前为止发掘出最大的青铜器，也是世界上最大的古青铜器，它造型瑰丽、浑厚，鼎外布满花纹。司母戊鼎的铸造，若没有规模巨大和相当高超的采矿、冶炼、制范、熔铸等技术，是不可想象的，它的铸造充分体现了我国古代劳动人民的高度智慧。距今3000多年,秦公一号墓出土的铁铲、铁杈，比世界上发现最早的铁器工具要早1800年1
2、972年，在我国河北省藁城县台西村出土了一把商代铁刃青铜铖，其年代约在公元前十四世纪前后，在青铜铖上嵌有铁刃，该铁刃就是将陨铁经加热锻打后，和铖体嵌锻在一起的。,二、现在在机械制造业中，金属材料是目前使用量最大、使用范围最广的材料。金属材料分为钢铁材料和有色金属材料两大类。金属材料有着优良的使用性能和加工工艺性能。随着科学技术的进步，非金属材料以其具有一些金属材料所不具备的性能特点（如耐蚀性、绝缘、消声、质轻、生产率高、成本低等）而得到迅速发展。金属材料与非金属材料有着各自的优缺点，将两种各有所长的材料组合在一起，扬长避短，这就构成了复合材料。按基体材料的不同，可将复合材料分为高分子基、金属基
3、、和陶瓷基复合材料,三、目前在新材料和新材料构件制造技术出现了以下一些新的突破点,轻合金材料,发展轻量化合金材料技术，建立铝、镁合金半固态与挤压铸造、镁合金超塑性成型与钛合金成型技术、高温铝合金粉末与铝基复材，开发高热传导率铝基碳铁复合材料、发泡铝板成型与轨道车辆轻量化技术,金属基复合材料构件制造技术,以SiC长纤维增强的Ti基复合材料（TiMMC）具有比强度高、比刚度高，使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的SCS-6 SiC/IMI834复合材料的抗拉强度高达2200MPa，刚度达220GPa，而且具有极为优异的热稳定性，在700温度暴露2000h后，力学性能不降低。主要应用于
4、未来发动机中的构件,陶瓷基复合材料构件制造技术,连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）耐温高，密度低，具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁。其中，连续纤维增韧碳化硅复合材料包括C/SiC和SiC/SiC两种。C/SiC和SiC/SiC的密度分别为1.82.1g/cm3和2.42.6g/cm3，SiC基CMC的最高工作温度为1650，C/SiC和SiC/SiC可分别在有限寿命和长寿命条件下使用。主要应用于高性能航空发动机的涡轮,碳/碳复合材料构件制造技术,碳/碳复合材料（C/C）的最显著的优点是耐高温（18002000）和低密度（约1.9g/cm3）。美、法、俄等研制的C/C复
5、合材料部件有：燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘、涡轮外环等。美国将整体涡轮盘在1760进行了地面超转试验。C/C构件的关键制造技术包括碳纤维预制体的设计与制备、C/C的致密化技术和C/C防氧化涂层的设计与制造,第一章 金属材料的基本知识,工程材料可分为：金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料,金属材料在现代生产及人们的日常生活中占有极其重要的地位。金属材料的品种繁多、性能各异，并能通过适当的工艺改变其性能。金属材料的性能由材料的成分、组织及加工工艺来确定。掌握各种材料的性能对材料的选择、加工、应用，以及新材料的开发都有着非常重要的作用。,1.1 金属材料的性能,1.1.1 金
6、属材料的力学性能1.1.2 金属材料的其它性能简介,1.1.1 金属材料的力学性能,1弹性和刚度2强度3塑性4硬度5冲击韧性 a k6断裂韧性KI7疲劳强度,.弹性和刚度,金属材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性。这种随外力消除而消除的变形，称为弹性变形,材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/称为弹性模量，单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值的大小主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。,需要注意的是，材料的刚度不等于机件的刚度，机件的刚度除与材料的刚度有关外，还与机
7、件的结构有关提高零件刚度的方法有增加横截面面积改变截面形状选用弹性模量较大的材料,2.强度,在外力作用下，材料抵抗塑性变形和破断的能力称为强度。常用的强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度,1)屈服强度（s、0.2）,当曲线达到B点时，曲线出现应变增加而应力不变的现象称为屈服。屈服时的应力称为屈服强度，记为s，单位MPa对没有明显的屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以0.2表示,2)抗拉强度b,材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用b表示，单位MPa。在图1.1-1中的D点所对应的应力值即为b屈服强度与抗拉强度的比值s
8、/b称为屈强比屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即 断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。,3.塑性,材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力，称为塑性工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标,1)延伸率,试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号表示，即式中：L0试样原始标距长度；L1试样拉断后的标距长度。,2)断面收缩率,试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号表示，即式中：A0试样原始的横截面积；A1试样拉断处的横截面积,材料的和值越大，塑性越好用表示塑性更接近材料的真实应变,4.硬度,硬度是材料抵抗局
9、部塑性变形的能力硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力通常材料的强度越高，硬度也越高工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等,1)布氏硬度HBS（W）,布氏硬度的测量方法如图1.1-2所示。用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=P/F布氏硬度的单位为kgf/mm2,当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450650的材料，以HBW表示 在测定
10、材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽荷P和载荷保持时间等布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell）于1900年提出来的,2)洛氏硬度HR,洛氏硬度的测量方法如图1.1-3所示将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种,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其缺点是：由于压痕小，测量误差稍大，因此常在工件不同部位测量数次取平均值洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell 和H.M.Rockw
11、ell）于1919年提出来的,3)维氏硬度HV,维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（49.031176.80N）它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，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各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦,图1.1-为维氏硬度测试示意图在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值,其计算公式如下：维氏硬度试
12、验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。,5.冲击韧性 a k,冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性a k指标来度量,有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力,为了讨论材料的冲击韧性a k值，常采用一次冲击弯曲试验法由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用
13、带缺口的试样进行试验标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较,试验时，将试样放在试验机两支座上，如图1.1-7所示。将一定重量G的摆锤升至一定高度H1，如图1.1-8所示，使它获得位能为GH1；再将摆锤释放，使其刀口冲向图1.1-7箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为H2，相应位能为GH2，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功Ak，即Ak=GH1GH2，单位为J。,试验时，冲击功的数值
14、可从冲击试验机的刻度标盘上直接读出冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧性值ak，即a k=Ak/F，单位为J/cm2。有些国家（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功 Ak作为冲击韧性指标,材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，材料的脆性愈大通常把a k 值小的材料称为脆性材料研究表明，材料的a k 值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必
15、须作低温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂,6.断裂韧性KI,有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于s的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展,材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产 生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用应力强度因子KI来描述，其单位为MPam1/2，脚标表示型裂纹强度因子,KI值的大小决定于裂纹尺寸（2a）和外加应力场，它们之间的关系由下式表示：KY 式中：Y为与裂纹形状、加载方式和试样几 何尺寸有关的无量纲系数 为外加应力场，单位为MPa；a为裂纹长度的一半，单位为
16、mm,由上式可见，随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示。它反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现KIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关,7.疲劳强度,1)疲劳的概念,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段,2)疲劳强度,当零件所受的应力
17、低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限,材料的疲劳强度通过实验得到用实验得到的交变应力大小和断裂循环周次之间的关系绘制出图1.19所示的之间的关系曲线，即疲劳曲线疲劳曲线表明，随着应力的减小，循环次数在增加，当应力降到一定值后，曲线趋于水平，这就意味着材料在此应力作用下无限次循环也不会产生断裂，此应力称为材料对称弯曲疲劳极限，用-l表示，单位为Ma,在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108影响疲劳强度的因素甚多,其
18、中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织、表面状态、残留应力等钢的疲劳强度约为抗拉强度的40一50，有色金属约为抗拉强度2550,1.1.2 金属材料的其它性能,1物理性能材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导磁性、导热性及热膨胀性等（1）密度密度是指单位体积材料的质量抗拉强度与密度之比称为比强度；弹性模量与密度之比称为比弹性模量在飞机和宇宙飞船上使用的结构材料，对比强度的要求特别高。,（2）熔点熔点是指材料的熔化温度材料的熔点越高，高温性能就越好,（3）热膨胀性材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来al来表示它表示材料温度每变化1时引起的材料长度上相对膨胀量的大小对于精密仪器或机器的零件，热
19、膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在有两种以上材料组合成的零件中，常因材料的热膨胀系数相差大而导致零件的变形或破坏,（4）导热性热量会通过固体发生传递，材料的导热性用热导率（导热系数）来表示，表示当物体内的温度梯度为1/m时，单位时间内，单位面积的传热量，其单位为W/（mK）材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部件一般常用导热性好的材料（如铜、铝等）来制造通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料,（5）导电性材料的导电性一般用电阻率（）来表示，电阻率表示单位长度、单
20、位面积导体的电阻，其单位为m。电阻率越低，材料的导电性越好根据电阻率数值的大小可把材料分为：超导体：0导体：10-8-10-5m半导体：10-5-107m绝缘体：107-1020m通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反,2化学性能,（1）耐腐蚀性耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）Ka（mm/a）表示对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种，一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀,（2）高温抗氧化性除了要在高温下保
21、持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能所谓高温抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性,3工艺性能,材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。材料的工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。,（1）铸造性铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收缩率、偏析倾向等流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。一般来说，共晶成份的合金铸造性好,(2)可锻性可锻性是指材
22、料是否易于进行压力加工的性能可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量一般来说。钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工,（3）焊接性焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量低碳钢具有优良持焊接性，而铸铁和铝合金的焊接性就很差,（4）切削加工性切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能它与材料种一类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关有利切削的材料硬度为160230HB切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁,1.2 金属的晶体构造和结晶过程,1.2.1 金属的晶体结构1.2.2 金属的结晶过程1.2.3 金属
23、的同素异构转变1.2.4 实际金属的晶体结构,1.2.1 金属的晶体结构,晶体的基本概念常见纯金属的晶格类型晶格的致密度及其晶面和晶向晶体的各向异性,1.晶体的基本概念,晶体是指基原子具有规则排列的物体晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式晶体结构不同，其性能往往相差很大为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架，称为晶格，如图1.2-1所示；晶格中各边线的交点称为结点；晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。晶格可以看成由晶胞堆积而成,晶胞的形状和大小是用晶粒的棱边长度a、b、
24、c和棱边的夹角、来表示的，见图1.2-1c晶胞的棱边长度a、b、c称为晶格常数，其大小以（埃）为单位（1=110-10m）当晶格常数a=b=c，棱边夹角=90 时，这种晶胞称为简单立方晶胞具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。,2.常见纯金属的晶格类型,在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的晶格类型有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格（1）体心立方晶格（2）面心立方晶格（3）密排立方晶格,(1)体心立方晶格(Body-centred cubic lattice，简称b.c.c),体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处，
25、如图1.2-3所示。因其晶格常数a=b=c，故只用一个常数a表示即可。该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密排列的，故由对角线长度（a）和对角线上分布的原子数量（2个），就可以计算出原子的半径r为 a。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的8个晶胞所公有，所以体心立方晶胞中的原子数目为 个。属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。,面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，简称f.c.c）,面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和各面的中心处，如图1.2-4所示。这种晶胞中，每个面的对角线上原子紧密排列，故其原子半径r 为 a；又因为面
26、心中的原子为两个晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数目为个。属于这类晶格的金属有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。,密排立方晶格(Close-packed hexagonal lattice，简称c.p.h),密排立方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，在由12个原子所构成的正六面体的上下两个六边形的中心各有一个原子，在上下底中间有三个原子，如图1.2-5所示。这种晶胞中，其晶格常数用正六边形边长a和立方体的高c来表示，两者的比值c/a1.663，其原子半径r=a/2；每个晶胞所包含的原子数为 个。属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。,3.晶格的致密度及其晶面和晶向,（1）晶
27、格的致密度（2）晶面指数及晶向指数（3）晶面及晶向的原子密度,1）晶格的致密度,晶格的致密度是指其晶胞中所包含的原子所占的体积与该晶胞体积之比在定性评定晶体中原子排列的紧密程度时，还常应用“配位数”这一概念。所谓配位数即指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。显然，配位数越大，原子排列也就越紧密,2）晶面指数及晶向指数,晶体中各种方位上的原子面叫晶面；各种方向上的原子列叫晶向。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面的这种符号叫“晶面指数”，晶向的符号叫“晶向
28、指数”。,确定晶面指数的步骤如下：,（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图1.2-6）。（2）将所得三截距之值变为倒数；（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（hkl）表示。,晶向指数的确定方法是：,（1）以格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；（2）求出该直线上任意一点的三个坐标来；（3）将三个坐标值按比例化为最小
29、整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为uvw。,3）晶面及晶向的原子密度,所谓某晶面的原子密度指其单位面积中的原子数，而晶向原子密度则指其单位长度上的原子数。在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。例如，在体心立方晶格中的各主要晶面和晶向的原子密度见表1-2,4.晶体的各向异性,由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的性能差异，晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一例如，体心立方的Fe晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量E便不同。在111方向E=290000MN/m2，在100方向E=1
30、35000MN/m2。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。,晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得优异性能的产品如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的 100晶向平行于轧制方向从而得到优异的导磁率等。,1.2.2 金属的结晶过程,1.金属结晶时的过冷现象2.金属结晶时的过冷现象3.结晶的过程4.影响晶核的形成和成长速率的因素（1）过冷度
31、的影响（2）未熔杂质的影响,1.金属结晶时的过冷现象,图中的T0为理论结晶温度，它是液态金属在无限缓慢冷却条件下的结晶温度。而实际生产中，液态金属都是以较快的速度冷却的，液态金属只能在理论结晶温度以下才开始结晶，这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷，与T0之差为过冷度T，即TT0T1。冷却速度越快，T越大。特定金属的过冷度不是一个定值，它随冷却速度的变化而变化，冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度也就越低。,2.结晶时的能量条件,为什么纯金属的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体和晶体两者之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。物质中能够自动向外界释放出
32、其多余的或能够对外作功的这一部分能量叫做“自由能（）”。自由能可表示为：G=U-TS式中：为系统内能，即系统中各种能量的总和；为热力学温度；为熵（系统中表征原子排列混乱程度的参数）,对于固态金属和液态金属可将它们的自由能分别用固（固U固-TS固）和液（液U液-TS液）来表示。由于液体与晶体的结构不同，同一物质中它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如图1.2-10所示，因此它们便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度（T0）。低于理论结晶温度时，由于液相的自由能（液）高于固相晶体的自由能（固），液体向晶体的转变便会使能量降低，于是便发生结晶；高于理论结晶温度时，由于液相的自由能（液）低
33、于固相晶体的自由能（固），晶体将要熔化。换名话说，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（液固），即具有一定的结晶推动力才行可见过冷度是金属结晶的必要条件。,3.结晶的过程,液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核的成长两个阶段晶核的形成，一是由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体的固有规律排列起来称为自发晶核。二是由液态金属中一些外来的微细固态质点而形成的，称为外来晶核,图1.2-11为金属结晶过程示意图当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子团开始变得稳定，成为极细小的晶体，称之为晶核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的几何形状不断地排
34、列起来，形成晶体。晶体在各个方向生长的速度是不一致的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶轴、三次晶轴、，成树枝状，当金属液体消耗完时，就形成晶粒。,由每个晶核长成的晶体称为晶粒，晶粒之间的接触面称为晶界。晶粒的外形是不规则的。因此，金属实际上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体晶粒的大小对金属的性能影响很大。因为晶粒小则晶界就多，而晶界增强了金属的结合力。因此，一般金属的晶粒越小，强度、塑性和韧性就越好。生产上常
35、用增加冷却速度或向液态金属加入某些难熔质点，以增加晶核数目，而细化晶粒,4.影响晶核的形成和成长速率的因素,影响晶核的形成率和成长率的最重要因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质,1)过冷度的影响,金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，不同过冷度T对晶核的形成率N（晶核形成数目/smm3）和成长率G（mm/s）的影响如图1.2-12所示,过冷度对晶核的形成率和成长率的这些影响，主要是因为在结晶过程中有两个相反的因素同时在起作用其中之一即如前所述的晶体与液体的自由能差（），它是晶核的形成和成长的推动力另一相反因素便是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），这是形成晶核及其成长的必需条件，因为原子
36、的扩散系数太小的话，晶核的形成和成长同样也是难以进行的。,在图1.2-12中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈大时，金属的晶粒度便愈细图1.2-12中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示，但近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成率和成长率确能再度减小为零，此时金属将不再通过结晶的方式发生凝固，而是形成非晶质的固态金属,2)未熔杂质的影响,任何
37、金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至会远大于加速冷却增大过冷度的影响,在金属结晶时，从为向液态金属中加入某种难溶杂质来有效地细化金属的晶粒，以达到提高其力学性能的目的，这种细化晶粒的方法叫做“变质处理”，所加入的难溶杂质叫“变质剂”或“人工晶核”。,1.2.3 金属的同素异构转变,某些金属在不同温度和压
38、力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种晶体结构不同的稳定状态的转变，称为同素异构转变。此时除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。例如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构特性。铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如图1.2-14所示。铁在1394以上时具有体心立方晶格，称为-Fe；冷却至1394912之间，转变为面心立方晶格称为-Fe；继续冷却至912以下又转变为体心立方晶格，称为-Fe。,1.2.4 实际金属的晶体结构,1.多晶体2.晶体缺陷（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷,1.多晶体,
39、以上研究金属的晶体结构时，是把晶体看成由原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有经过持殊制作才能获得，如半导体工业中的单晶硅。,实际的金属都是由很多小晶体组成的，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。晶粒内部的晶格位向是均匀一致的，晶粒与晶粒之间，晶格位向却却彼此不同。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1.2-1所示。多晶体的性能在各个方向基本是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加
40、上晶界的作用，因而表现出各向同性。这种各向同性被称伪各向同性。,晶粒的尺寸很小，如钢铁材料的晶粒尺寸一般为10-110-3mm左右，必须在显微镜下才能观察到。在显微镜下才能观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称显微组织，简称组织。金属的组织对金属的力学性能有很大的影响,2.晶体缺陷,实际上每个晶粒内部，其结构也不是那么理想，存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。,1）点缺陷,点缺陷的具体形式有如下三种。(1)空位 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动等）脱离其晶格节点将产生此类点缺陷。这些点缺陷的存在会使其周围的
41、晶格产生畸变。(2)间隙原子 在晶格节点以外存在的原子，称为间隙原子。在金属的晶体结构中都存在者间隙，一些尺寸较少的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。(3)置换原子 杂质元素占据金属晶格的结点位置称为置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。三种点缺陷的形态如图1.2-16所示。,2）线缺陷,晶体中最普通的线缺陷就是位错，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。这种错徘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，可形成不同类型的位错，如图1.2-17所示为常见的一种刃型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上
42、半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了畸变。,金属晶体中的位错很多，相互连结成网状分布。位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示，通常为104一1012cmcm3之间。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一,3）面缺陷,面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述，晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原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粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而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（如图1.2-18）。另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10-410-6cm。亚晶粒的交界称为亚晶界（如图1.2-19）。,实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响如下：,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，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低面缺陷能提高金属材料的强度和塑性细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段,
