讲师介绍及金属晶体相关知识：晶格、晶胞、晶粒与缺陷

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讲师介绍：

担任质量、环境及职业健康安全领域的国家注册咨询师，同时身为智慧汽车供应链俱乐部的金牌讲师，并在热处理、电镀、喷涂等行业管理方面具有高级专家资格。

热处理行业出身，累积了超过23年的咨询行业辅导经历！是国内CQI系列课程中颇具权威的培训师之一。

一、晶体与非晶体

二、金属的晶格类型

晶格类型——金属中原子排列的规律。

晶格，这一概念旨在直观地展现晶体内部原子排列的秩序，通过将原子抽象为质点，并借助虚构的线条将它们串联，构建出一个能够体现原子排列特性的三维空间结构。

晶胞——晶格中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元。

三、单晶体与多晶体

晶粒——组成金属的小晶体。

晶界——由晶粒间不规则排列的原子构成。

四、晶体的缺陷

晶体内部存在缺陷——这些缺陷的产生，源于诸多因素的共同作用，导致晶体中原子的有序排列遭受干扰与损害，进而使得部分原子偏离了其原本的稳定位置，从而引发了原子排列的不完整性。

金属在高温下熔化成液态后，经过冷却，最终转变为原子排列有序的固态，这一过程被称为结晶。

结晶潜热——结晶的过程中放出的热量。

五、金属结晶

过冷度，即理论结晶温度与实际结晶温度（T1）之间的温差，用T表示，即T= T0－ T1。在金属结晶过程中，若冷却速度加快，其实际结晶温度将降低，进而导致过冷度T增大。金属结晶的具体过程，可参考下方的示意图。

六、晶粒大小对金属材料的影响

晶粒越细小，其强度和硬度就会相应增加，同时其塑性和韧性也会得到提升。形核率，即单位时间内、单位体积内所生成的晶核数量，通常用字母N来表示。

细化晶粒的途径包括：提升过冷度、实施变质处理、以及进行振动处理。

七、同素异构转变

金属在固态状态下，会随着温度的升降，经历从一种晶格结构向另一种晶格结构的转变，这一过程被称为金属的同素异构转变。

一、变形相关概念

1．载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力。

根据载荷作用性质的不同分：

（1）静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。

（2）冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

交变载荷是指那些在时间上呈现周期性变化的载荷，其特征在于大小、方向或同时包括大小和方向均发生变动。

内力是指，当工件或材料承受外部载荷的影响时，为了防止其发生形变，材料内部会产生一种力量，这种力量与外力相抗衡。

应力：若假定施加于零件横截面上的内部力量分布均匀，则指单位横截面积所承受的这种内部力量。

二、金属材料变形过程

三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

形变强化，即加工硬化，这一过程不仅导致晶粒形状的改变，还使得晶粒内部的位错密度上升，晶格畸变程度加深。随着变形量的不断增大，金属的强度和硬度也随之提升，然而其塑性和韧性则相应降低。

金属在经历塑性变形的过程中，其外形会发生改变，与此同时，晶粒的形态也会随之调整。一般情况下，晶粒会沿着变形的方向被压扁或者拉长。

塑性变形后的金属组织

四、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺特性，指的是其对于各种加工工艺手段的适应程度。这涵盖了诸如铸造能力、锻造能力、切削加工能力以及焊接能力和热处理能力等多个方面。

铸造能力，即在铸造成形过程中，实现外形精确且内部结构完整铸件的能力，这一能力主要受到金属流动性、收缩特性以及偏析趋势等因素的影响。

锻压性能是指通过锻压成形工艺制造出优质锻件所面临的难易程度，这一性能通常通过塑性和变形抗力这两个关键指标来进行全面评估。

焊接加工的适应性，即金属材料在特定焊接工艺中形成高质量焊接接头的难易程度，我们称之为焊接性能。对于碳钢和低合金钢来说，其焊接性能主要受到化学成分的影响，尤其是碳元素的影响最为显著。

切削加工性能指的是切削金属材料的难易程度，这一性能通常通过切削速度、切削阻力的大小、断屑能力、刀具的使用寿命以及加工完成后表面的粗糙度等多个方面进行评估。表面加工硬化是指在切削塑性金属材料的过程中，工件加工表面的硬度显著增加，而塑性则相应降低的现象。

热处理过程中的关键性能指标包括：淬透能力、淬硬程度、对过热现象的敏感度、抗变形和开裂的倾向、回火后出现的脆性倾向，以及氧化和脱碳的倾向。

机械零件或工具在应用中，常常遭遇各式各样的外力影响，因此，对金属材料提出了必须具备承受机械负荷且不超过允许变形范围或不会损坏的特性的要求，这种特性即称为材料的力学性能。

一、力学性能--强度

强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。

1．拉伸试样

d——试样直径

Lo——标距长度

2．力－伸长曲线

弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段

3．强度指标

屈服强度是指在金属材料发生屈服现象的过程中，实验期间所出现的，在塑性变形过程中应力值不再上升的那个特定应力点。其计算公式可表示为：

抗拉强度Rm指的是材料在断裂之前所能达到的最大应力值。其计算公式具体如下：

二、力学性能--塑性

塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。

断后伸长率A，是指将试样拉断之后，测量标距部分伸长的长度，然后将其与试样原始标距长度进行比较，所得结果以百分比形式表示。

断面收缩率Z，即试样断裂后，其缩颈部分面积减少的量与原始横截面面积之比，以百分比形式表示。

三、力学性能--硬度

材料的硬度，指的是其抵御局部形变的能力，尤其是塑性变形、压痕或划痕等方面的抵抗力。这种硬度值，是通过在特定的硬度试验设备上进行实验测量而得出的。

布氏硬度是通过测量球面压痕在单位面积上所承受的平均压力来确定的，其单位是帕斯卡（Pa），然而在实际应用中通常不予以标注，而是采用符号HBW来表示。

布氏硬度可通过硬度数值、硬度标志、压头直径、施加的实验力和实验力的持续时长来体现。若实验力的持续时间为10至15秒，则无需标注。

此方法适用于检测铸铁、多种有色金属，以及经过退火、正火和调质处理后的多种软钢等硬度相对较低的材料。

洛氏硬度测试，适用于样品尺寸较小或布氏硬度超过450的情况。此时，我们改用洛氏硬度进行计量。测试过程中，使用一个顶角为120度的金刚石圆锥体，或者直径分别为1.5875mm、3.175mm、6.35mm和12.7mm的钢球，在特定载荷作用下压入材料表面。通过测量压痕的深度，我们可以计算出材料的硬度值。

硬度值的表示方法中，HR符号前的数字代表其具体数值。而HR符号之后的字母则用以区分不同的洛氏硬度标尺。

应用范围：

四、力学性能--冲击韧性

冲击韧性是指金属在承受冲击载荷时，能够保持不破裂的性能。这种性能通常通过夏比摆锤冲击弯曲试验来评估。在此试验中，试样吸收的能量K值被用作判断材料韧性优劣的标准，这一指标被称为冲击吸收能量。具体来说，U形缺口和V形缺口试样所测得的冲击吸收能量分别以KU和KV来表示。

五、力学性能--疲劳强度

由于零件所承受的是交变载荷，尽管其应力水平并未超过材料的屈服强度，但在长时间的使用过程中，仍有可能出现裂纹甚至突然断裂的情况。这种金属在反复载荷作用下的断裂现象被称为疲劳断裂。而金属材料在抵抗交变载荷时，能够避免发生破坏的能力则被称作疲劳强度。疲劳强度的高低通常用符号R1来表示。

能量分别用KU和KV表示

六、力学性能--对照表

依据德国的DIN50150标准，以下列出了适用于常见领域的钢材，其抗拉强度与维氏硬度、布氏硬度以及洛氏硬度的对应关系表格。

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