机械工程材料
二零零五年十一月
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
? 1972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、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 1.8～ 2.1g/cm3和 2.4～
2.6g/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（ 1800～ 2000℃ ）和低密度（约
1.9g/cm3）。美、法、俄等研制的 C/C复合
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 k
6,断裂韧性 KI
7,疲劳强度
１, 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=σ/ε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（ σs,σ0.2）
? 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 σs，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 σ0.2表
示
2) 抗拉强度 σb
? 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 σb表示，单位 MPa。在图 1.1-1中的
D点所对应的应力值即为 σb
? 屈服强度与抗拉强度的比值 σs/σb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 δ
? 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，
用符号 δ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 ψ
? 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 ψ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
%1 0 0
1
10 ????
A
AA
? 材料的 δ和 ψ值越大，塑性越好
? 用 ψ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 450~650的材料，以 HBW表示
? 在测定材料的布氏硬度时，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.Rockwell）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 5~120kgf
（ 49.03~1176.80N）
? 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 1.1-４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。
22
8 5 4 4.1
68s i n2
d
P
d
P
S
P
HV ???
?
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，通常采用带缺口的试样进行
试验
? 标准冲击试样有两种，一种是夏比Ｕ形缺
口试样，另一种是夏比Ｖ形缺口试样
? 同一条件下同一材料制作的两种试样，其
Ｕ形试样的 a k值明显大于Ｖ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
G·H1；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 G·H2，
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 =
G·H1―G·H2，单位为 J。
? 试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的
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 σs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 MPa·m1/2，脚标Ｉ
表示Ｉ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 σ，它们之间的关系由下式表示：
KＩ ＝ Yσ
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
σ为外加应力场，单位为 MPa；
a为裂纹长度的一半，单位为 mm
a
? 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 σ和断裂循环周
次Ｎ之间的关系绘制出图 1.1—9所示的 σ－Ｎ
之间的关系曲线，即 疲劳曲线
? 疲劳曲线表明，随着应力 σ的减小，循环次
数Ｎ在增加，当应力 σ降到一定值后,σ－Ｎ
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 σ-l表示，单位
为 MＰ a
? 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 25—50％
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 ρ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） λ来表示,λ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/（ m·K）
? 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（ ρ）来表示，电阻率
表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为
Ω·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,ρ→0
? 导体,ρ＝ 10-8--10-5Ω·m
? 半导体,ρ＝ 10-5--107Ω·m
? 绝缘体,ρ＝ 107--1020Ω·m
? 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 160~230HB
? 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
1,晶体的基本概念
2,常见纯金属的晶格类型
3,晶格的致密度及其晶面和晶向
4,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、
c和棱边的夹角 α,β,γ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?=1× 10-10m）
? 当晶格常数 a=b=c，棱边夹角 α=β=γ=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，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 α-Fe、
Cr,V,W,Mo,Nb等。
21881 ???
21881 ???
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 γ-Fe,Al、
Cu,Ni,Au,Ag,Pb等。
42
4621881 ????
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/a≈1.663，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。
632126112 ?????
3,晶格的致密度及其晶面和晶向
（ 1）晶格的致密度
（ 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=135000MN/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
△ T＝ T0－ T1。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其多余的或能够对外作
功的这一部分能量叫做, 自由能（ Ｇ ）, 。自由
能可表示为：
? G=U-TS
? 式中：Ｕ为系统内能，即系统中各种能量的总和；
Ｔ为热力学温度；Ｓ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Ｇ固（Ｇ固＝ U固 -TS固）和Ｇ液（Ｇ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（Ｇ液）
高于固相晶体的自由能（Ｇ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（Ｇ液）低于
固相晶体的自由能（Ｇ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
（△Ｇ＝Ｇ液－Ｇ固＞０），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
/s?mm3）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（ ⊿ Ｇ ），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 δ-Fe；冷却至 1394~912℃ 之间，
转变为面心立方晶格称为 γ-Fe；继续冷却至 912℃ 以下又
转变为体心立方晶格，称为 α-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
? 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 1.2-1５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 10-1~10-3mm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 1012cm／ cm3
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 10-4~10-6cm。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
二零零五年十一月
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
? 1972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、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 1.8～ 2.1g/cm3和 2.4～
2.6g/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（ 1800～ 2000℃ ）和低密度（约
1.9g/cm3）。美、法、俄等研制的 C/C复合
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 k
6,断裂韧性 KI
7,疲劳强度
１, 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=σ/ε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（ σs,σ0.2）
? 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 σs，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 σ0.2表
示
2) 抗拉强度 σb
? 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 σb表示，单位 MPa。在图 1.1-1中的
D点所对应的应力值即为 σb
? 屈服强度与抗拉强度的比值 σs/σb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 δ
? 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，
用符号 δ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 ψ
? 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 ψ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
%1 0 0
1
10 ????
A
AA
? 材料的 δ和 ψ值越大，塑性越好
? 用 ψ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 450~650的材料，以 HBW表示
? 在测定材料的布氏硬度时，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.Rockwell）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 5~120kgf
（ 49.03~1176.80N）
? 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 1.1-４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。
22
8 5 4 4.1
68s i n2
d
P
d
P
S
P
HV ???
?
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，通常采用带缺口的试样进行
试验
? 标准冲击试样有两种，一种是夏比Ｕ形缺
口试样，另一种是夏比Ｖ形缺口试样
? 同一条件下同一材料制作的两种试样，其
Ｕ形试样的 a k值明显大于Ｖ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
G·H1；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 G·H2，
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 =
G·H1―G·H2，单位为 J。
? 试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的
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 σs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 MPa·m1/2，脚标Ｉ
表示Ｉ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 σ，它们之间的关系由下式表示：
KＩ ＝ Yσ
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
σ为外加应力场，单位为 MPa；
a为裂纹长度的一半，单位为 mm
a
? 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 σ和断裂循环周
次Ｎ之间的关系绘制出图 1.1—9所示的 σ－Ｎ
之间的关系曲线，即 疲劳曲线
? 疲劳曲线表明，随着应力 σ的减小，循环次
数Ｎ在增加，当应力 σ降到一定值后,σ－Ｎ
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 σ-l表示，单位
为 MＰ a
? 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 25—50％
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 ρ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） λ来表示,λ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/（ m·K）
? 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（ ρ）来表示，电阻率
表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为
Ω·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,ρ→0
? 导体,ρ＝ 10-8--10-5Ω·m
? 半导体,ρ＝ 10-5--107Ω·m
? 绝缘体,ρ＝ 107--1020Ω·m
? 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 160~230HB
? 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
1,晶体的基本概念
2,常见纯金属的晶格类型
3,晶格的致密度及其晶面和晶向
4,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、
c和棱边的夹角 α,β,γ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?=1× 10-10m）
? 当晶格常数 a=b=c，棱边夹角 α=β=γ=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，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 α-Fe、
Cr,V,W,Mo,Nb等。
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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 γ-Fe,Al、
Cu,Ni,Au,Ag,Pb等。
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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/a≈1.663，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。
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3,晶格的致密度及其晶面和晶向
（ 1）晶格的致密度
（ 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=135000MN/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
△ T＝ T0－ T1。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其多余的或能够对外作
功的这一部分能量叫做, 自由能（ Ｇ ）, 。自由
能可表示为：
? G=U-TS
? 式中：Ｕ为系统内能，即系统中各种能量的总和；
Ｔ为热力学温度；Ｓ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Ｇ固（Ｇ固＝ U固 -TS固）和Ｇ液（Ｇ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（Ｇ液）
高于固相晶体的自由能（Ｇ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（Ｇ液）低于
固相晶体的自由能（Ｇ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
（△Ｇ＝Ｇ液－Ｇ固＞０），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
/s?mm3）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（ ⊿ Ｇ ），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 δ-Fe；冷却至 1394~912℃ 之间，
转变为面心立方晶格称为 γ-Fe；继续冷却至 912℃ 以下又
转变为体心立方晶格，称为 α-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
? 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 1.2-1５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 10-1~10-3mm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 1012cm／ cm3
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 10-4~10-6cm。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
