金属材料概述.pdfVIP

金属材料概述

金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。

一般分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属包括铁、铬、

锰等，有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称，

一般还包括有色合金。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和

功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以

及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记

忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

一、金属的组成与结构

1、金属的原子结构

金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，

彼此失去最外层电子，成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子

之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子

之间的强烈静电吸引力，这种结合方式称为金属键。除锡、锑、铋等

少数几种金属的原子最外层电子数大于或等于4以外，绝大多数金属

n

原子的最外层电子数均小于4，主族金属原子的外围电子排布为s1

或ns2或ns2np(1-4)，过渡金属的外围电子排布可表示为

nn

(-1)d(1-10)s(1-2)。主族金属元素的原子半径均比同周期非金

属元素（稀有气体除外）的原子半径大。

金属材料都具有相同的原子结合方式，但不同的金属材料性能各不相

同，因为材料的性能与原子的结合方式有关，还取决于材料的内部结

构。结构即为原子的排列方式和空间分布。

2、金属的晶体结构

按原子在空间的排列方式不同，固态物质可分为晶体和非晶体两大类。

晶体：是指原子在三维空间有规则的周期性重复排列的物质，如金刚

石、石墨、固态金属等。晶体一般有规则的外形和固定的熔点，在各

个方向上原子密度不同，因而表现出各向异性

非晶体：是指原子在空间无规则排列的物质，表现出各向同性

金属材料在固态下通常为晶体，其结合键主要是金属键，将原子抽象

成一个质点，用直线把这些质点连接起来，就形成一定形状的空间格

子，这个空间格子，称为晶格，能够完全代表晶格中原子排列规律的

最小几何单元称为晶胞，晶胞中各棱边的长度称为晶格常数。

金属晶格的类型：主要有体心立方晶格，如α-Fe、Cr、V、W、Mo等

30种金属；面心立方晶格，如γ-Fe、Al、Cu、Ni等20种金属；

密排六方晶格，如Mg、Zn、Be、α－Ti、α－Co、Cd等。

晶体缺陷：在实际金属中，局部原子排列不完整的区域，称为晶体缺

陷。

点缺陷：三维方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸。随着温度

的升高，原子热运动加剧，晶体内点缺陷增多，点缺陷会造成晶格畸

变，晶体电阻率升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。晶体中晶

格空位和间隙原子都处在不断的运动和变化之中，这是金属中原子扩

散的主要方式之一，对热处理起着重要的作用。

线缺陷：线缺陷是指在某一方向尺寸较大，而在三维空间内的其他两

个方向尺寸很小的晶体缺陷，其具体形式是位错，主要有刃型位错和

螺形位错两种形式。

面缺陷：

在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向的尺寸相对很大，例如晶界

和亚晶界。晶界是不同位向晶粒之间的过渡区，晶界上的原子受相邻

精粒的影响处于折中位置，位向相差很小的亚晶粒间的界面称为亚晶

界。

晶界特性：

1）高温时，晶粒易长大（晶界处原子偏离平衡位置，具有晶界能，

晶界能越高，晶界越不稳定；晶粒长大和晶界的平直化能降低晶界的

总能量）

2）晶界越多，发生相变时，新相晶粒越细小

3）晶界越多，金属的强度和硬度越高，塑性越好（晶界对室温下的

塑性变形起阻碍作用，可以提高金属强度和硬度。晶界越多，晶粒越

细，金属塑性变形的能力越大，塑性越好）

4）晶界熔点低于晶粒内部，易腐蚀和氧化

二、性质与性能

1）机械性能

应力的概念，物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用

引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应

力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的

残余应力…等等）。机械性能，金属在一定温度条件下承受外力（载

荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称

为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，

也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸