脆性↑韧性↓
取决于材料本身.试样形状.尺寸.温度。
用来估计在使用时是否发生脆性断裂，只是一个相对指标，不能用于设计计算。
温度↓AKaK↓冷脆现象
TK脆性转变温度〈Tk.温度脆性↑↑
§3.疲劳强度材料承受交变应力的能力.交变载荷
交变应力：
大小和方向随时间作周期性变化
交变应力σ<σb甚至σ<σs材料断裂称“疲劳破坏”.是危险的
疲劳强度：
材料在无数次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值称为疲
劳强度。
σ-1表示对称循环时疲劳强度
循环基数一般钢材106~107次有色金属108次单位N/mm2
影响因素：
不仅与材料有关，而且受零件尺寸形状.表面质量等因素影响。
∴↑σ-1：
保证材料本身内在质量；零件结构形状避免应力集中；表面强
化（淬火.喷丸.滚压等），↑表面光洁度。
§4.硬度材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力
衡量材料软硬的指标常用压入法
常用硬度指标布氏洛氏维氏
一.布氏硬度测量压痕面积根据GB231-84
HBS淬火钢球压头<450硬度不高.软钢.铸铁.有色.示为╳╳╳HBS
HBW硬质合金球压头<650示为╳╳╳HBW不常用
表示例：
200HBS10/1000/30测量直径查表
★用淬火钢球压头准确不用于成品不能测淬火钢件
常用于测<450HBS原材料.毛坯.退火.正火.调质钢件.铸铁.有色.
二.洛氏硬度测量压痕深度h
K-hK常数
HR=--------无单位
0.002
★有三种指标
金刚石圆锥压头HRC载荷10+140Kgf测淬火硬化钢件
金刚石圆锥压头HRA载荷10+50Kgf测淬火更硬薄层
淬火钢球压头HRB载荷10+90Kgf测软.未淬火钢件.
直接读数，用于成品件或较薄材料的硬度，但不如布氏硬度准确
三.维氏硬度
顶角1360的金刚石四棱锥
载荷小、范围大5–120Kgf
可测软、硬材料..
测两对角线均值查表
标注640HV30/20
麻烦少用洛氏硬度不能测时才用维氏硬度测表面硬化层.电镀层.氮
化层.薄片金属
第二章、金属及合金的结构与结晶
§1.金属的结构与结晶
一.金属键与金属的特性
金属键：
金属原子是依靠正离子和自由电子的相互吸引而结合起来的，这种结
合方式称为金属键。
金属的特性光泽良好的导电性良好的导热性良好的塑性
二.金属的晶体结构
1.晶体的概念
晶体有规则周期性重复排列
固体
非晶体无规则
晶格：
表示晶体中原子排列的空间格子。
“点阵”
晶胞：
构成晶格的最基本单元。
代表意义
结点：
晶格中的每个点。
平衡位置
晶格常数：
晶胞的各边尺寸a.b.c。
大小以Å为单位（1Å=10-10m），晶胞中
各边夹角分别以α.β.γ表示。
a=b=cα=β=γ=900该晶胞称简单立方晶胞，简单立方晶格
晶面：
晶格中各方位的原子面。
晶向：
晶格中各方位的原子列。
2常见的三种金属晶格
两个参数：
（1）配位数：
晶格中任一个原子周围紧邻.等距的原子数目。
愈大愈紧密
（2）致密度：
晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比。
n·v
致密度k=--------%致密度↑紧密程度↑
V
晶格类型
面心立方晶格fcc
体心立方晶格bcc
密排六方晶格hcp
晶格常数
a
a
a.c.c/a=（8/3）1/2=1.633
原子半径
21/2·a=4r
31/2·a=4r
d=a=2r
原子半径r
（21/2/4）·a
（31/2/4）·a
（1/2）·a
晶胞原子数n
4
2
6
晶胞体积v
a3=（4r/21/2）3
a3=（4r/31/2）3
3·21/2a3=24·21/2r3
配位数
12
8
12
致密度
74%
68%
74%
最大间隙半径
0.41r
0.29r
0.41r
代表金属
γ-Fe.AI.Cu.Ni
α-Fe.Cr.W.β-Ti
Mg.Zn.α-Ti.Be
结论
最紧密排列
次紧密排列
最紧密排列
晶面.晶向及其原子密度
晶面：
晶格中各方位的原子面。
排列相同位向一致一组平行原子面
称为一种晶面用晶面指数来描述
晶面指数：
表示晶面空间方位的符号。
晶向：
晶格中各方位的原子列。
排列相同位向一致一组平行原子列或
行称为一种晶向用晶向指数来描述
晶向指数：
表示原子列空间方位的符号。
（1）立方晶格中晶面指数的确定方法
a.结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X.Y.Z；
b.以晶格常数a.b.c为单位求出晶面在三个坐标轴上的截距；
c.取其截距的倒数；
d.将各倒数化为最小整数，并加圆括号，如（100）.（110）.（111）为普通
形式。
晶面族：
晶体中原子排列相同而空间位向不同的各组晶面可归为一个晶面族。
指数外加大括号{}
例：
（100）.（010）.（001）归为{100}晶面族
立方晶格中三种重要的晶面族{100}.{110}.{111}
（2）立方晶格中晶向指数的确定方法
a.结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X.Y.Z；
b.过原点作一直线，使其平行于待求晶向，读出该方向上任一点的空间坐标值；
c.将坐标值化为最小整数，并加上方括号[]，即晶向指数。
如[100].[110].[111]三种重要晶向为普通形式
∴[]表示一组相互平行的晶向，而不是仅仅表示某一原子列的方位。
所有原子排列相同而空间位向不同的各组晶向可归为一个晶向族。
用<>表示
例如：
[100].[010].[001]属<100>晶向族
<100>.<110>.<111>为立方晶格中三种重要的晶向族。
（3）晶面及晶向的原子密度
晶面的原子密度：
通常以该晶面单位面积实际占有的原子数来表示。
晶向的原子密度：
以晶向单位长度的原子数来表示
。
体心立方晶格主要晶面及晶向的原子密度
晶面指数示意图晶面密度（原子数/面积）晶向指数晶向密度（原子数/长度）
{100}（1/4）4/a2=1/a2<100>（1/2）2/a=1/a
X轴
{110}（1/4）4+1/21/2a2=1.4/a2<110>（1/2）2/21/2a=0.7/a
原子密排面面对角线
{111}（1/6）3/（31/2/2）a2=0.58/a2<111>（1/2）2+1/31/2a=1.06/a
体对角线原子密排方向
原子密排面：
具有最大原子密度的晶面
原子密排方向：
具有最大原子密度的晶向
4.晶体的各向异性-------晶体不同方向上的性能差异
单晶体
各向异性是晶体特有，区别晶体和非晶体一个重要标志
三.金属的实际晶体结构与晶体缺陷
1、单晶体多晶体
单晶体具有各向异性
工业用金属一般是多晶体----多个单晶体（晶粒）组成呈现出各向同性
晶界：
晶粒之间的界面
亚晶粒：
晶粒内部晶格位向也不完全一致，其中不同小区晶格位向相差大约
10ˊ--20ˊ.这些小区为亚晶粒。
亚晶界：
亚晶粒之间的界面
2、实际金属的晶体缺陷----金属中原子排列的不完整性
（1）点缺陷---空位.间隙原子（离位原子）.置换原子
特点：
在X.Y.Z三维方向上尺寸都很小
（2）线缺陷---位错（位错线）
刃型位错“┻”
两种位错
螺型位错
特点：
在二维方向上尺寸都很小，另一维方向上尺寸相对较长
以位错密度表示“р”单位cm/cm3或cm2
└单位体积中所包含位错线总长度
（3）.面缺陷---晶界.亚晶界
特点：
在一维方向上尺寸很小，另二维方向上尺寸相对较大
“亚晶”（亚结构）或嵌镶快
晶体缺陷并非一成不变，总之，对金属的性能和行为有极重要的作用
四.金属的结晶
凝固---物质由液态转变为固态的过程
结晶---凝固后得到固态物质为晶体，这个转变过程称为结晶。
不规则（液）→规则（固）
1.金属结晶的概念
温度---时间坐标
过冷---实际结晶温度总是低于熔点
过冷度△T=T0-Tn
“过冷”是金属结晶的必要条件
△T与V冷.金属种类.结构.纯度有关
同一金属V冷↑△T↑
结晶平台：
结晶潜热补偿了它向外逸散的热量，Tn不变，液.固共存。
2.金属结晶的能量条件
高能→低能
自由能F结晶的驱动力
温度T>T0F固>F液液体较稳
TT0理论结晶温度
Tn↓△T↑两相F差大，结晶加速
3.金属结晶的基本过程
自发形核难
（1）形成晶核
非自发形核多
（2）晶粒长大：
树枝状方式长大
4.晶粒大小及其控制
晶粒---每个晶核长成的晶体
晶界---晶粒与晶粒的接触面不规则畸变不稳定…塑变抗力↑.强度↑.硬度↑
晶粒小，晶界多，塑韧性好，抗力小
∴控制晶粒要小
形核率（形核速度）N
长大率（长大速度）G
要细化总的要↑N↓G比值N/G↑
★细化晶粒的措施：
（1）提高金属在结晶时的冷却速度（提高过冷度）；
（2）变质处理；
（3）振动（机械.超声波…）.搅拌.破碎晶粒↑N.压力下结晶
5.金属的铸锭组织指宏观
（1）表层细等轴晶区
等轴晶粒---晶粒在X.Y.Z三维方向近似相等。
特点：
晶粒细小，厚度很薄，各向同性，组织致密，成分较均匀。
（2）柱状晶区
明显的方向性平行向液体中长大
特点：
晶粒细长，⊥模壁，厚度很大，组织致密，各向异性
穿晶（横晶）----柱状晶贯穿整个铸锭各向异性
（3）中心粗等轴晶区
V冷↓.△T小.形核率N↓
特点：
晶粒粗大，组织疏松。
§2合金的结构与二元合金相图
一.合金---由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成
的具有金属特性的物质。
钢铁（Fe-C）.黄铜（Cu-Zn）.青铜（Cu-Sn.Cu-AI…）.硬铝（AI-Cu-Mg）
系---所研究合金的系统，由相同的几个元素配制一系列不同成分的合金构
成合金系。
简称系。
Fe-C系.AI-Si系.AI-Cu系…
元---组成合金最基本、能够独立存在的物质称组元。
简称元。
相---一种聚集状态。
合金中具有相同的化学成分，同一晶体结构，同一聚集
状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分称为相。
单相.多相
相变---合金由一种相变为另一种相称为相变。
Fe在912℃α―Fe→γ―FeBcc→Fcc,液→固,固→另一固…
二.固态合金中的相结构
固溶体
两类相结构
金属化合物
1.固溶体
组成合金的元素在固态下能够溶解某些元素（互相溶解），从而形成一种成
分和性能均匀的新相，称为固溶体。
或者说溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的
合金相。
Fe-C合金C溶于Fe中
C溶于γ―Fe（Fcc）中→γ固溶体（A）叫奥氏体
C溶于α―Fe（Bcc）中→α固溶体（F）叫铁素体
☆特征：
溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍然保持溶剂的晶格。
以溶质原子在溶剂晶格中存在的位置（分布状况或溶解方式）分：
无限固溶体（连续固溶体）Cu-Ni…
置换固溶体以溶解度分
固溶体有限固溶体
间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的，溶解度总是有
限的。
（1）置换固溶体d质/d剂>0.59
溶质原子置换溶剂原子，并置于溶剂晶格的结点上所形成的固溶体称置换固
溶体。
溶解方式叫做置换溶解。
☆无限固溶满足三个条件：
（负电性因素；尺寸因素；晶体结构因素）
a.组元原子外层电子结构相近；（电化学因素的影响）（负电性因素）
b.组元间原子半径相差不大（较小）；（尺寸因素）（影响溶解度重要因素）
c.组元的晶格类型相同；（首先必要条件）（晶体结构因素）
组元无限固溶归纳三句话：
晶格类型相同；原子大小相近；周期表中位置相近。
★注意：
三个条件必要但不充分！
例Cu与γ―Fe…;Fe与Au…
（2）间隙固溶体d质/d剂〈0.59奥氏体铁素体
溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。
取决于原子半径差和溶剂晶格中间隙半径
无序固溶体分布任意无规律大多数
溶质在溶剂中分布固溶体分
有序固溶体有规律
（3）.固溶强化（性能）
┗溶质原子溶入溶剂中形成的固溶体,使金属的强度.硬度升高
的现象称为固溶强化。
一种强化方式，提高材料机性的主要途径之一
固溶体σb↑.HB↑,但仍不高,仍保持相当δ.ak,工业常用作基本相,还需
一种强化相---金属化合物。
2.金属化合物Fe3CWC…
合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构.性能.熔
点与两组元都不同，并具有金属特征，这种相称为金属化合物。
Fe+C→Fe3C
┗Bcc.Fcc+┗六方┗复杂晶格硬脆δ↓
正常价化合物
以形成分电子化合物
间隙相
间隙化合物
具有复杂结构的间隙化合物
（1）正常价化合物
特征：
严格遵守一般化合物的原子价规律（金属化合物少数遵守，在金属学
中被叫作正常价化合物）
性能：
硬度大.脆性大.合理分布于固溶体基体上起弥散强化作用。
（2）电子化合物
与正常价化合物不同，化学式不符合（不遵守）化合价规律，而是按一定的
电子浓度组成的，所以，称为电子化合物。
所谓电子浓度.是指化合物中的价电子数与原子数之比。
价电子数┗特征：
一定比值
即：
电子浓度C电==-----------
原子数
性能：
高熔点，高硬度，脆性大，塑性低。
不适于做合金基体，如与固溶体
基体适当配合，可获得良好的机性。
有色金属中为重要的强化相。
（3）间隙化合物碳化物氮化物硼化物…
不符合化合价规律取决于二组元的原子半径
都是由过渡族金属元素（Fe.Co.Ni等）与原子直径较小的非金属元素（C.N.H.
B.半径<1Å）形成一种新的晶体结构化合物。
（大的金属占据晶格结点，小的非
金属元素嵌入晶格间隙中）所以，称为间隙化合物。
间隙化合物分两类：
a.间隙相b.具有复杂结构的间隙化合物
d非/d金≤0.59d非/d金>0.59
简单晶体结构Fcc.hcp具有复杂晶格
金属M.非金属X.化学式M4XFe3C.Fe4W2.Cr7C3.Cr23C6
M2X.MX.MX2.┗正交晶格
Fcc---Fe4N.TiN.TiC.VC（α=β=γa≠b≠c）
hcp---Fe2N.Cr2N.W2CdC/dFe=0.63
简单六方晶格WC六个Fe构成一个八面体，内有一
化学成分不固定.如VC含个C.每个Fe为两个八面体所有
C量43~50%（原子%）∴Fe:
C=3:
1各个八面体位向不同，
金属原子可被其它金属原子所置换，
Fe3C中Fe可被Mn.Cr置换形成
（FeMn）3C.（FeCr）3C合金渗碳体。
间隙相不同与间隙固溶体
间隙化合物特性：
高熔点，高硬度，脆性大，塑性低，相对间隙相更高，都
是硬质合金.合金工具钢的重要强化相。
总结：
金属化合物都是硬而脆，不能作基本相。
一般固溶体为基本相+分布少量金属化合物强化相（第二相.中间相.），具有足够的强度，良好的塑性，满足使用。
即机械混合物。
（4）机械混合物
单一固溶体强度不够高，应用受限；化合物硬而脆无法用；两者混合，工业
多用。
多相.
常见F+Fe3C→P青铜.黄铜.Ai—Si…
各组元仍保持原来的晶格类型；强度.硬度高于单一固溶体，但塑性.可锻性
不如单一固溶体。
∴锻钢.先加热→单一固溶体（A），再锻打。
组织----显微镜下看到的具有一定形貌或形态的部分称为组织。
有单相.多相
三.二元合金相图
相图---就是表示不同浓度合金结晶过程的简明图解。
或叫状态图.平衡图
二元合金系
1.二元合金相图的建立
1.二元合金相图的基本类型
（1）匀晶相图Cu-NiAu-Ag…
特点：
两组元在液态.固态均能够完全无限互溶，形成单一均匀无限固溶体。
a.相图分析
b.合金结晶过程
d.杠杆定律及其应
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