§ 5. 1金属材料的基础知识§ 5. 1. 1金属结构的基本知识不同的金属材料有不同的性能，甚至同一种金属在不同条件下（例如受力、受热及不同加T 状态 等），其性能也不相同，这与金属及合金的内部结构和引起内部结构齐种变化的外因有关。

金属是由原子在空间呈有规则排列的集合体即晶体构成的，晶体有一定的熔点并 具有各向异性（即在不同方向受力吋表现出不同的机械性能，或在不同方向上对 超声波有不同的传播速度，或者对X 射线表现有不同的吸收或衍射等等）。

人多 数的金属和合金都属于多晶结构，亦即由许多方位不同的晶粒组成，称为多晶体, 由于各向异性被相互抵消而表现为各向同性（在各个方向上的机械性能，或者对 超声波的传播速度，或者对射线的吸收或衍射等有和同的表现），即所谓的“伪 等向性”。

晶体是山原了堆积而成的，山于原了空间排列方式的不同而将形成不同的晶格，主要的晶格形式 有：体心立方晶格：例如910°C 以下的铁（称为a-Fe ）和1394°C 以上的铁（称为o-Fe ）,以及室温 下的锯、鸭、钢、帆等元索。

面心立方晶格:例如910°C'、1390°C 的铁（称为Y-Fe,与前面所述的a-Fe 和。

-Fe 称为铁的同 索异构转变），以及室温下的铜、線、金、银、铝等。

密排六方晶格：例如镁、锌、镉、彼、钛等。

不同的晶格其原子排列规则与紧密程度不同，因而使不同金属的塑性、强度、热处理、合金化效 果以及其他物理化学性能等冇明显的不同，即使在相同晶格类型的情况下，视元索的原子宜径大 小和原子间的中心距离（晶格常数）不同，各原子包含的电子数不同，其性能仍有很大差别。

晶体的形成是在金属从液态转变到固态的凝固过程中进行的，此过程称为金属的结晶过程。

结晶 过程不同，形成的晶体结构不同，因而将有不同的性能。

金属的结晶过程可以分为三个步骤：晶核的形成；围绕晶核的长大与晶粒形成；各单独的小晶体 长大而相互接触，最终联结成整体（固体形成）。

山于各晶粒的空间方位不同，在接触面附近的 原了排列不会像晶体内部那样完整规则和方位一致，因而接触面上的组织和性能与晶体内部的组 织和性能将冇明显的不同。

各个不同方位的小晶体间交界接触面称为晶界，被晶界包围的各小晶 体称为晶粒。

此外，在金属的实际结晶过程中，山于金属材料受不同条件的加丁、冶炼、熔化、浇铸或其他加工、体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格处理以及杂质的影响，实际晶体中的某些原子可能会离开正常的晶格结点位置，造成“空穴”, 或者某些原子或杂质进入晶格原子的间隙中成为“间隙原子”，亦即产生“点缺陷”（实际生产中也常利川这一点形成特定性能的显微结构，即“间隙固溶体”）；在实际晶体中，同一晶粒中的某些晶体小块也会出现排列方位不一致而形成“线缺陷”，还有在多晶体的晶界上会因各晶粒的取向、方位不同，在晶界附近表现为晶格混乱，而忖杂质也多，形成''而缺陷”，这种缺陷表现为晶界上的化学成分、组织结构、性能等方面都与晶粒内部存在较大的差异。

工业上使用的金属材料绝大多数采用合金，因为合金的许多性能是纯金屈达不到的。

合金是山两种以上的金属和金属，金属和非金属元素组成，具冇金属特性的物质。

组成合金的独立的最基本的单元称为“组元”或“元”，组元可以是金属元索或非金属元索，或者山稳定的化合物组成，而合金中成分、性能和组织状态均匀一致的部分称为“相”。

合金的结构山组成合金的组元在结晶时彼此所起的作用决定，其基本结构为：（1）固溶体-合金在液态下部呈均匀的液相，即呈液体溶液，合金在转变成固态后，仍能保持组织结构的均匀性，这种合金结晶后所形成的固态相称为固溶体。

它只有一种晶格，其•内可以有两种或两种以上的元素存在，保持晶格不变的元素称为溶剂，而其它元素称为溶质。

根据溶质原了在溶剂原了晶格结点屮所应的位置不同，可以把固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种：置换同溶体：溶质原了部分r1!据了溶剂原了晶格结点位置，即由溶质原了部分替换了原来结点位置上的溶剂原了所形成的固溶体。

间隙固溶体：溶质原了溶入溶剂原子晶格的间隙Z屮而形成的固溶体。

上述两种固溶体的共同特点是都有一定的溶解度，随着溶解度的增大，由于不同原子的直径不同，将使固溶体晶格发生膨胀或收缩，以及引起晶格畸变，这会导致固溶体强度提高、导电性下降，这种现象称为同溶强化，对合金钢及钢的热处理有重要意义，因为溶质原了的大小和数量多少，将决定固溶体的性能。

（2）金属化合物-金属化合物具有与形成的各元素晶格完全不同的特殊晶格，其中各元素的原子呈有序扌『:列。

金属化合物具有一定的熔化（分解）温度，形成化合物的元素在某种条件下能溶解或者被其它元素替换形成新的化合物。

化合物可以是全部金属元素，也可以是金属和非金属元素组成（例如碳化物、氮化物等）。

化合物不能单独构成合金（单一化合物一般哽而脆，不能单独应用），而只能是作为一个组元，弥散分布在固溶体或纯金属的基体组织中，使合金的報性变形抗力增高，或者增高抗磨性等，能有效地改善合金的机械性能和热处理性能。

（3）机械混合物-当构成合金的两个纽•元在固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物时，就构成了机械混合物。

机械混合物屮各组元各H保持自己的晶格和性能，其形状、大小、分布状况对合金的性能有明显影响。

机械混合物可由纯金属之.间形成，也可由纯金属和化合物、纯金属和同溶体、固溶体和同溶体以及固溶体和化合物Z间形成。

铁碳合金的组织与性能和含碳量及温度有关，在常温下它的基本结构有：铁素体（常用代表符号F）-碳与合金元素溶解于a -Fe屮形成的间隙同溶体，为体心立方晶格，含碳量低，因而铁索体组织具有良好的報性和韧性，但是强度和硬度较低。

渗碳体（常用代表符号Fc3C）-一种铁碳化合物，呈复杂的斜方晶格。

渗碳体的熔点、硬度高，脆性大，槊性与韧性很低。

钢屮含碳量增大时，渗碳体的数量也增大，从而增加了钢的强度和硬度，但使其報性和韧性下降。

珠光体（常用代表符号P）-铁素体与渗碳体的机械混合物，呈现铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。

珠光体钢的强度较高，硬度适屮并有一定的塑性。

奥氏体（常用代表符号A）-碳和合金元素原了溶于y-Fe屮形成的间隙固溶体，呈面心立方晶格。

奥氏体钢的变形抗力较低、犁性好，而强度和硬度高于铁素体钢。

马氏体（常用代表符号M）-碳原了在a -Fe屮的过饱和固溶体，使a -Fe的体心立方晶格发生畸变成为体心正方晶格。

马氏体的硬度高、脆性大，槊•性和韧性差。

一般rfl奥氏体状态快速冷却时将转变成马氏体，由于马氏体的体积要比奥氏体的大（即比容大），在转变为马氏体时，钢将会发生体积膨胀，能产生很大的相变应力（内应力，也称为马氏体相变应力），容易导致钢制零件变形英至破裂。

马氏体在钢的显微组织小以有一定取向的针状结构存在。

§ 5. 2金属材料性能的基础知识金屈材料的性能决定看材料的适川范围及应用的合理性。

金属材料的性能主要分为四个方面，B|J：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

机械性能（一）应力的概念物体内部单位截血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丿'V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）。

（二）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应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：1•强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的嚴大能力，可分为抗拉强度极限（。

b）、抗弯强度极限（。

比）、抗压强度极限（obc）等。

由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金屈材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，肓至试样断裂，测定的强度指标主要有：（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用卞的抗拉强度极限, 以Ob表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（\%）,换算关系有：lMPa=lN/mJ（9. 8） 'Kgf/mm2或lKgf/mmJ? 8MPa 。

b二l〉b/Fo式屮：Pb-至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）;Fo- 拉伸试样原来的横截而积。

（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。

产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用os表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。

金属材料的拉伸试验曲线acetylene乙烘ampere电流安培angle welding 角焊arc 电弧argon arc welding 氮弧焊接bare electrode 光熔接条butt welding对接焊接camber电弧弯曲cascade阶叠熔接法clad weld被覆熔接crator 焊疤excess metal多余金属filler rod 焊条fillet we 1 d 填角焊接gas shield气体遮蔽groove welding起槽熔接hand face shield手握面罩hard facing硬表面堆焊jig welding工模焊接laser beam welding雷射光焊接metal electrode insert gas welding MIG 熔接nugget 点焊熔核overlaying 堆焊peening of welding 珠击熔接法plug welding 塞孔熔接positioned welding 正向熔接pressure welding 压焊propane gas cutting 丙烷气切割pure nickel electrode 纯鎳熔接条reinforcement of we 1 d 加强焊接resist抗蚀护膜root running背面熔接seam焊缝seaming接合seam welding 流缝熔接series seam welding 串联缝熔接skip welding process 跳焊法spark 火花spot welding 点焊接stitch welding 针角焊接stud arc welding 电弧焊接under laying 下部焊层void焊接空隙we 1 d flow mark焊接流痕we 1 d flush焊缝凸起we 1 d line焊接纹we 1 d mark 焊接痕we 1 d penetration 熔接透入we 1 d zone焊接区welding焊接welding bead 焊接泡welding direction 焊接方向welding distortion 焊接变形welding flux 焊剂welding ground 电熔接地welding interval 焊接周期welding stress 熔接应变welding torch 熔接气炬welding electrode product io n line 电焊条生产线welding el ectrode 焊条welding fixture 焊接夹具welding generator 电焊机welding goggles 焊工护H 镜welding gun 焊枪welding helmet 电焊帽welding inspection ruler 焊接检验尺welding machine 焊接机welding mill 焊管机welding motor generator电动焊接发电机welding nozzle 焊嘴welding paste焊接药膏welding pipe 焊接管welding powder 焊粉welding rectifier 焊接整流器welding robot焊接机器人welding rod extrusion press 焊条挤压机wel di ng rod with acidic coating 酸性焊条welding rod with alkaline coating 碱性焊条welding rod 焊条welding simulator 焊接模拟器welding stainless electrode 不锈电焊条welding steel tube 焊接钢管welding tin b订let焊锡棒料welding tongs焊接夹钳welding torch 焊炬welding transformer 电焊变压器welding unit 焊机welding wire machine 焊线机welding wire 焊丝welding-cutting hose熔焊及切割胶管welding-cutting tool 焊割具welding-rod core 焊条芯welding-seam cleaner 焊缝清理机weldless pipe 无缝管weldless steel tube 无缝钢管we 11 borer凿井机wel 1 counter井式计数器well deck vessel井形甲板船well drill钻井机well platform钻井平台well rig钻井机we 11 testing truck 试井车we 11 thermometer 井温计we 11 tube filter 井管滤管we 11 type tempering electric furnace 井式回火电炉well winch矿井绞车well-logging probe 测井探头 well-type counter 井型计数器Wei la Balsam Conditioner 威娜宝护发素Wei la Balsam shampoo 威娜宝香波Wei lene 韦纶聚酉旨短纤维 wellhead acid preventer 井口防酸器 Wellington 惠灵顿防雨呢Wellingtons 长筒皮靴Welltite 韦纶泰特聚内烯和聚乙烯单丝Welsbach's al 1 oy 韦尔斯巴赫发火合金 Welsh flannel 威尔士法兰绒 Welsh wool 威尔士粗羊毛 welsh-onion stalk 葱白 welsh-onion 葱we 11 cementing machine 贴边粘合机 we 11 coloring machine 贴边染色机 we 11 cutting machine 切沿条机 we 11 f itti ng ma ch ine 贴边机 we 11 footwear 加贴边的鞋 wel ter screen 翻滚筛 welter 镶边机Wepsin 三卩坐磷胺Werlisa 威里沙牌照相机Werner 维尔纳牌手表weskit 紧身背心Wessel silver 韦塞尔铜鎳锌合金West cigarette 威狮牌香烟West ginseng 西洋参West Lake Dragon Well tea 西湖龙井茶West Lake si lk umbrel la 西湖绸伞West Lake silk 西湖丝绸West Lake water shield 西湖苑菜 Westeeco 韦斯蒂科鎳锯铁耐热合金 Western king prawn 宽沟对虾Western saddl e pants 西式马裤西式衬衫 bed sheet 西式床单 hat 西式呢帽 pajamas 西式睡衣裤 pants 西裤 shirt 西式衬衫 shirt-waist blouse 西式衬衫丄衣 suit 西服 western tie 西式领带 Western wool 美国西部羊毛 Western-made shirt in plaid gingham 长方格贞咸布西式衬衫Westinghouse al 1 oy 西屋银铜热磁补偿合金 wet spinning frame 湿纺细纱机 wet air compressor 湿空气压缩机 wet air pump 湿空气泵 wet and dry bulb hygrometer 干湿球湿度计 wet and dry bulb recording hygrometer 干湿球自i 己湿度t ］， wet and dry bulb thermometer 干湿球温度 wet ball mill 湿式球磨机 wet blue goat leather 山羊蓝湿革 wet blue goat skin 蓝湿山羊皮 wet board machine 湿式纸板机 wet brush 湿刷 wet chrome goat skin 《各湿山羊皮 wet cleaner 湿法清洗器 wet cloth 湿光布 wet clutch 湿式离合器 wet col lector 湿式除尘器 wet condenser 湿式冷凝器 wet crude 含水原油 wet crushing mill 湿粉碎机 wet cylinder liner 湿式气缸套 wet dri 11湿式风Western Western western Western WesternWesternWesternWesternWesternsand cherry 沙樱桃shirt style stylestyle style stylestyle style钻wet dust collector 湿式收尘器wet dust separator 湿式除尘器wet electro-mag net 湿式电磁铁wet electrolytic capacitor 电解液电容器wet feeder湿式给料机wet fiber filter湿式纤维过滤器wet "Iter湿式过滤器wet fourdrinier board machine 长网湿抄机wet frame湿纺机wet furfural condenser含水糖醛冷凝器wet gas meter 湿式气量计wet gas scrubber湿法气体洗涤质量合格证书ceTtificdtion of fitness 原材料rawmaterial 底板bottom plate垫层 cushion侧壁sidewall中心线center line条形基不出strip footing附件accessories 型钢profile steel 钢板steel plate 熔渣slag 飞溅welding spatter 定位焊tacking 引弧generating of arc 熄弧quenching of arc 焊道welding bead 坡口beveled edges 夕卜观检查visual inspection 重皮doubleskin 水T•方向弧度radian in horizoritsl direction 成型molding 直线度straightness accuracy 焊缝角变形welding line angular distortion 水平度levelness 铅垂度verticality 翘曲变形buck! ing deformation 角尺angle square 对接焊缝butt weld 母材parent metal 法兰密封面flange sealing surface 夹层interlayer 表而锈蚀浓度surface corrosion concentration 挠曲变bending deformation 超声波探伤ultrasonic testing/ ultrasonic examination 压力容器pressure vessel 预制下料prefabricaticm baiting 排版直径set-type diameter 焊缝welding line 中幅板? center plate 测量方法measuring method 基准点datum mark 跳焊skip welding允许偏差allowable variation 补强板stiffening plate 开孑L tapping 对•接接头banjo fixing butt jointing 角钢angle iron 安装基准圆installation fundamental circle 吊装立柱hois ting upright column 焊接钢管welded steel pipe向心斜拉筋centripetal canting pull rope 带板band plate槽钢胀圈channel steel expansion ring 环口collar extension 局部变形local di stortion 环缝circumferential weld 顶板top plate拱顶vault 顶板加强肋stiffening rib 对接butt joint胎具clamping fixture 卷板机plate bending rolls 屮心支架center bearing bracket 椭圆度ovality 等分线bi sectri x 搭接宽度lap width 点焊spot welding 搭接焊overlap welding 对初symmetrically 螺旋爬梯cockle stairs 放料阀baiting valve 液位计content gauge 充水试验filling water test 错边量unfitness of butt joint 丿氏圈foundation ring 真空度检漏vacuum degree leak test 丁字焊缝tee welding 渗透探伤o 订whiting test 充水试验filling water test 内侧角焊缝接头interior angle welding 1 ine joint foundation settlement 基础沉降测量基准点datum mark?■稳定性试验stab订ity test 排气阀outlet val ve 角钢angle steel 构件component part 机械损伤mechanical damage 缩孑L shrinkage cavity enfol dment 折迭碳钢管carbon steel tube 公称直径nominal diameter 预埋件embedded part 轴测图axonometric drawing布置图arrangement diagram氧乙烘气割oxyacetylene gas cutting 低合金钢管low alloy steel 热影响区heat affected area 修磨pol i sh砂轮片grinding wheel等离子plasma panel重皮coldlap凹凸unevenness 缩口necking down 端而head face 倾斜偏差dip deviation 夕卜径external diameter 砂轮gririding wheel 管件pipe casting 单线图single line drawing 平齐parallel and level 两端two terminals 满扣buckle 螺栓紧固bol ton 周边periphery 附加应力additional stress 同轴度axiality 平行度parallelism 随机stochastic 允许偏差allowable variation 重直度verticality 水平度levelness 隔离盲板blind plate 嬴弧argon arc welding 压盖螺栓gland bolt 间距spacing有效期period of validity<br />担任take charge of ;undertake 焊条welding rod碳钢焊条carbon steel焊丝welding wire 熔化焊melting 钢丝steel wire 气体保护焊gas shielded arc welding 烘十drying 清洗ablution制度system焊接.T. 艺welding procedure 相应corresponding手工电弧焊manual electric arc welding 手丁钩极manual tungsten electrode 打底render 屯源power source交流al ternat i ng current 焊件weldment 管壁厚度pipe thickness 对接焊缝butt weld 工件壁厚workpiece 飞溅物splash沾污smirch 油污oil stain 细锂smooth file 铳刀milling cut ter 氧化膜oxide film 脱脂处理ungrease treatment] 棉质纤维cotton fibre 内酮acetone 硫sulfur 焊剂welding flux 钢板steel plate纵向焊缝longitudinal we 1 d longitudinal seam 筒节shell ring 封头end socket 卷管reelpipe 强度试验strength test 起弧arc star ting 穿堂风draught熔合fusion 反面reverse side 整体integral 封堵block up 焊口we 1 d bond 医用胶布medical proof fabric 高频high frequency 焊炬welding torch 送气air supply。