金属

由于金属的电子倾向脱离，因此具有良好的导电性， 且金属元素在化合物中通常带正价电，但当温度越高时，因为受到了原子核的热震荡阻碍，电阻将会变大。金属分子之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属伸展性良好的原因。

在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、银、铂、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物，其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。

属于金属的物质有金、银、铜、铁、锰、锌等。在一大气压及25摄氏度的常温下，除汞（液态）外，其他金属都是固体。大部分的纯金属是银白（灰）色，只有少数不是，如金为黄赤色，铜为紫红色。金属大多带“钅”旁。

通常将具有正的温度电阻系数的物质定义为金属。使用的含112种元素的元素周期表中，金属元素共90种。位于“硼-砹分界线”的左下方，在s区、p区、d区、f区等5个区域都有金属元素，过渡元素全部是金属元素。

在固态金属导体内，有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚于任何特定原子，但都束缚于金属的晶格内；甚至于在没有外电场作用下，因为热能，这些电子仍旧会随机地移动。但是，在导体内，平均净电流是零。挑选导线内部任意截面，在任意时间间隔内，从截面一边移到另一边的电子数目，等于反方向移过截面的数目。

除锡Sn、锑Sb、铋Bi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ns1或ns2或ns2np(1-4），过渡金属的外 围电子排布可表示为(n-1)d(1-10)ns(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。

根据原子在物质内部的排列方式，可将固态物质分为两大类：晶体，内部原子呈规则排列的物质。如固态金属；非晶体——内部原子无规则排列的物质。如松香、玻璃等。

金属的晶体结构：是指金属材料内部的原子的排列规律。它决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。

金属键：金属原子间的结合键称为金属键。（带负电的自由电子与带正电的的金属正离子之间产生静电吸力，使金属原子结合在一起，这就是金属键结合的本质。金属特性：良好的导电性和导热性；强度高；具有塑性；

有固定熔点；各向异性。

1、晶胞：晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。

2、晶格参数：晶体学中用来描述晶胞大小与形状的几何参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角α、β、γ。

3、晶格常数：决定晶胞大小的三个棱长a、b、c。

1、体心立方晶格：晶格参数 a=b=c；α=β=γ

=90°；立方体八个角上各有一个原子，体心处有一个原子。每个晶胞中原子数为2=1/8×8+1。

属于体心立方晶格的常用金属：α铬、钨、钼、钒、α铁、β钛、铌等。

2、面心立方晶格：晶格参数：a=b=c；α=β=γ=90°；晶胞的八个角上各有一个原子，立方体六个面的面心各有一个原子。每个晶胞中原子数为4=1/8×8+1/2×6

属于面心立方晶格的常用金属：γ铁、铝、铜、镍等。结构图如图所示：

3、密排六方晶格：晶格参数：a=b≠c；α=β=90°、γ=120°；每个晶胞中原子数为：6=1/6×12+1/2×2+3。

属于密排六方晶格的常用金属：镁、锌、铍、α钛、镉等。

致密度=原子所占的总体积÷晶胞的体积

体心立方晶格的致密度=0.68，计算公式为：

面心立方晶格的致密度=0.74

密排六方晶格的致密度=0.74

晶面：晶体中由物质质点所组成的平面。

晶向：由物质质点所决定的直线。

每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。

晶面指数的确定：晶面与三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如（111）、（112）。

晶向指数的确定：通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。

晶面族与晶向族

晶面族：晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。如{110}=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011）

晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。

在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。

晶体分单晶体和多晶体

单晶体：晶体内各处晶格位向一致的晶体。

多晶体：晶体内晶格位向不相同的晶体。

实际金属是多晶体

晶粒——金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域。

晶界——晶粒之间原子排列不规则的区域。

实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。

亚晶粒——晶粒内部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶块。

亚晶界——亚晶粒间的过渡区。

晶体缺陷：是指晶体中原子排列不规则的区域。

根据晶体缺陷的几何特点和对原子排列不规则性的影响范围可分为三大类：

1、点缺陷；

2、线缺陷；

3、面缺陷。

1）点缺陷

以一个点为中心，在它周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的缺陷。点缺陷类型主要有三种：

（1）间隙原子

（2）晶格空位

（3）置换原子

在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子的晶体缺陷。置换原子示意图，如图所示：

☆间隙原子：在晶格的间隙处出现多馀原子的晶体缺陷。

☆晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷。如图所示：

2）线缺陷

主要是指各种形式的位错。

位错：是指晶体中某一列或若干列原子发

生了有规律的错排现象。位错密度：单位体积内位错线的长度，（cm），如图所示：

3）面缺陷

主要是指晶界和亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。

如图所示：

合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。

相：是指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。

合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属化合物。

显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组成的。

合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物；也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。

合金的晶体结构：是指合金中各个相的晶体结构，简称相结构。

合金的相结构通常分为两大类：

（一）固溶体；

（二）金属化合物。

固溶体：合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。

固溶体与溶剂具有相同晶体结构。

固溶体的类型：1、间隙固溶体 ；2、置换固溶体。

1、间隙固溶体

间隙固溶体： 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。都是有限固溶体，也是无序固溶体。如图所示：

2、置换固溶体

置换固溶体：溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。置换固溶体可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。

有限固溶体：固溶体的溶解度是有限的。

无限固溶体：固溶体的溶解度是无限的。（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。）

形成无限固溶体的必要条件：是溶剂与溶质的晶体结构相同。

无序固溶体：溶质原子的分布是无序的。

有序固溶体：溶质原子的分布是有序的。

固溶体的有序化：无序固溶体向有序固溶体的转变过程。 硬度和脆性增加，塑性下降。

3、影响溶解度的主要因素

溶解度：溶质在固溶体中的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。

影响溶解度的主要因素：

1)温度

2)原子直径因素

3)晶体结构因素

4、固溶体的性能

固溶强化：溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。

固溶体的性能：一般来说，固溶体是一个硬度不高、塑性较好的一个相。

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。

这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如：FeC、FeS。

金属化合物：具有金属性质的化合物。

（1）金属化合物的性能

金属化合物性能：一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。

金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。

在合金中，金属化合物的多少、形态、大小、分布等对合金的性能有不同的影响。

（2）金属化合物的种类

1、正常价化合物：这类化合物符合正常的原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。

2、电子化合物：这类化合物不遵守原子价规律而服从电子浓度规律。其晶体结构主要取决于电子浓度。

3、间隙化合物：间隙化合物一般是由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素组成的化合物。(非金属元素有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中）

a)当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相.

b)当非金属原子直径与金属原子直径比值大于0.59时，则不能产生间隙相，而形成复杂结构的间隙化合物.

间隙相、复杂结构的间隙化合物、间隙固溶体的区别：

1、晶体结构：间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同；而间隙相和复杂结构的间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，间隙相具有简单的晶体结构。

2、性能：间隙固溶体硬度低、塑性好，通常作为基体使用；间隙相和复杂结构的间隙化合物都具有高熔点、高硬度。（尤其是间隙相）通常作为弥散强化相。

压力加工：是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。

当单晶体受拉力F时，在一定的晶面上分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τ。

应力的分解，如图所示：

正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂——脆性断裂。正应力作用下晶体变形示意图，如图所示:

切应力使晶体产生滑移。

——延性断裂（断口呈纤维状，且灰暗无光泽）.切应力作用下晶体变形示意图，如图所示：

单晶体的塑性变形方式主要有两种：

（一）滑移

（二）孪生

（一）滑移

晶体塑性变形时，分切应力使晶体内部上下两部分的原子沿着某特定的晶面相对移动，这种现象称为滑移。

它主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。

（一）滑移系：如图所示：

1）滑移面：发生滑移的面。

2）滑移方向：发生滑移的方向。

3）滑移系：晶体中每个滑移面 和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多，塑性越好。

滑移带，滑移线，如图所示：

2、引起滑移的临界切应力

1）滑移面内的切应力分解到滑移方向上的分切应力是晶体产生滑移的动力。

2）分切应力：τ=σcosφcosλ（ φ为滑移面与外力的夹角；λ为滑移方向与外力的夹角）

3） cosφcosλ被称为取向因子，分切应力大的位向称为软位向，反之为硬位向。

4）能使滑移系产生滑移的最小分切应力值称为临界切应力： τc= σscosφcosλ

3、滑移是怎样进行的

滑移是由位错的移动来实现的，如图所示：

（二）孪生（孪晶）

所谓孪生，就是晶体中的一部分原子对应特定的晶面（孪生面）沿着一定晶向（孪生方向）产生剪切变形。

如图所示：

孪生与滑移的主要区别是：发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。如图所示：

1、晶界及晶粒位向的影响：

晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大， 多晶体中, 由于晶界上原子排列不很规则, 阻碍位错的运动, 使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。

2、实际金属塑性变形过程

（1）多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最 大切应力方向(称晶粒处于软位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最 大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。

（2）当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。

（3）晶粒越细，晶界面积越大，对位错的阻力越大，多晶体的强度就越高。

（4）由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

金属材料性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等），化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。

材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。金属材料比表面积研究是非常重要的。

机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。

1、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。

2、屈服点（бs）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2(N/mm）表示。

3、抗拉强度（бb）也叫强度极限指材料在拉断前承受最 大应力值。单位用牛顿/毫米(N/mm）表示。如铝锂合金抗拉强度可达689.5MPa

4、延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。

工程上常将δ≥5%的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等；而把δ≤5%的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。

5、断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最 大缩小面积与原断面积百分比。

6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW）和洛氏硬度（HKA、HKB、HRC）。

7、冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米(J/cm）。

8、弹性：εe=σe/E， 指标σe，E

9、刚性：△L=P·l/E·F，抵抗弹性变形的能力强度，其中，P---拉力，l---材料原长，E---弹性模量，F---截面面积

10、韧性（冲击韧性）：常用冲击吸收功 Ak 表示，指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的力。

11、延展性：

1）延性：是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最 大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。延伸率δ=（△l0/l）×100 % 断面收缩率ψ=((A-A1)/A）×100 %

2）展性：指物体可以压成薄片的性质。

金是金属中延性及展性最高的──一1克的金可以打成一平方米的薄片，或者说是一盎司的金可以 打成300平方尺。金叶甚至可以被打薄至透明，透过金叶的光会显露出绿蓝色，因为金反射黄色光及红色光的能力很强。因延展性非常好，黄金可以打成金箔。金箔用于塑像、建筑、工艺品的贴金，常见于寺庙、教堂内的装饰贴金。金箔也可入中药。

12、疲劳强度：疲劳强度：材料抵抗无限次应力（10E7）循环也不疲劳断裂的强度指标，交变负荷σ-1<；σs为设计标准。

13、硬度：材料软硬程度。

测定硬度试验的方法很多，大体上可以分为弹性回跳法（肖氏硬度）压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）和划痕法（莫氏硬度）等三大类，生产上应用最广泛的是压入法。它是将一定形状、尺寸的硬质压头在一定大小载荷作用下压入被测材料表层，以留下的压痕表面面积大小或深度计算材料的硬度值。

由于硬度测定时的测定规范，所用仪器设备等不同，用压入法井台测定材料的硬度的方法也有多种。

常用的方法是布氏硬度法（HB），维氏硬度法（HV），洛氏硬度法（HR）。

14、塑性变形：外力去处后，不能恢复的变形，即残馀变形称塑性变形。材料能经受较大塑性变形而不破坏的能力，称为材料的塑性或延伸性。衡量材料塑性的两个指标是延伸率和断面收缩率。

对低碳钢拉伸的应力——应变曲线分析：

【Ⅰ阶段 线弹性阶段】拉伸初期应力—应变曲线为一直线，此阶段应力最高限称为材料的比例极限σe.

【Ⅱ阶段 屈服阶段】当应力增加至一定值时，应力—应变曲线出现水平线段（有微小波动），在此阶段内，应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称屈服，相应的应力称为屈服应力或屈服极限，并用σs表示。

【Ⅲ阶段 为强化阶段】经过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力。强化阶段的最高点所对应的应力，称材料的强度极限。用σb表示，强度极限是材料所能承受的最 大应力。

【Ⅳ阶段 颈缩阶段】当应力增至最 大值σb后，试件的某一局部显着收缩，最后在缩颈处断裂。

对低碳钢σs与σb为衡量其强度的主要指标。

指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。8、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。

1、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。

2、顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。

3、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。

4、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。

5、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。

1、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。

2、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。

金属的氧化有两种含义，狭义的含义是指金属与环境介质中的氧化合而生成金属氧化物的过程；广义金属氧化就是金属与介质作用失去电子的过程，氧化反应产物不一定是氧化物也可以是硫化物、卤化物、或其他化合物。

金属分为活性金属和钝性金属两种。 根据金属活动性顺序，氢前金属称为活性金属，氢后金属就是钝性金属。

1、改变金属的内部结构（如制造成合金等）；2、在金属表面复盖保护层；3、电化学保护法：外加电源的阴极保护法，牺牲阳极的阴极保护法；4、缓蚀剂法。

金属表面工程技术是一种可以改变金属表面特性，达到预防金属腐蚀、提高金属的疲劳强度和抗应力腐蚀性能等目的的技术。在我国，这一技术的应用可以追溯到古代几千年前。

地壳中含量最高的金属元素：铝（含量为7.73%）

人体中含量最高的金属元素：钙（含量为1.5%）

目前世界年产量最高的金属：铁

密度最小的金属：锂（0.53×10³㎏/m³）

密度最 大的金属：锇（22.48×10³㎏/m³）

最硬的金属：铬（莫氏硬度约为9）

最软的金属：铯（莫氏硬度约0.5）

导电性最 强的金属：银

导热性最 强的金属：银

制造新型高速飞机最重要的金属：钛（被科学家称为“二十一世纪的金属”或“未来的钢铁”）

海水中储量最 大的放射性元素：铀（陆地铀矿的总储量约200万吨，海洋里含铀的总量高达40万万吨）

含同位素最多的元素：锡（有10种稳定的同位素）

含同位素最少的元素：钠（只有Na-23稳定）

展性最 强的金属：金（最薄的金厚度只有1/10000mm）

延性最 好的金属：铂（最细的铂丝直径只有1/5000mm）

熔点最高的金属：钨（熔点：3410±20℃）

熔点最低的金属：汞（熔点-38.8℃）

熔沸点相差最 大的元素是镓（熔点30℃，沸点2403℃）

地壳中含量最少的金属是钫（即使是在含量最高的矿石中，每吨也只有37×10负13次方克；地壳中的含量约为1×10^-21 %）

光照下最易产生电流的金属元素：铯（当其表面受到光线照射时，电子便能获得能量从表面逸出，产生光电流）

金属性最 强的金属：铯

世界上最贵的金属：锎（每克1千万美元，比金贵50多万倍）

世界上最便宜的金属：铁

最易应用的超导元素：铌（把它冷却到-263.9℃的超低温时，会变成一个几乎没有电阻的超导体）

最能吸收气体的金属元素：钯（1体积胶状钯能吸收氢气1200体积）