上海大学材料成型技术

2020-03-03 22:04:00 来源：范文大全收藏下载本文

绪论

“材料成形技术基础”是机械工程专业和相关工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。

材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hael（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。

近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。

类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。

美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%～50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料如下图所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。

在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。图2为航空器飞行速率与效益的关系。

在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67℃。而工作温度每提高83℃，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50℃，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50～100℃，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650℃。推重比达15～20的叶片材料要能承受1930～2220℃的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。

材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m ，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。

材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，1953～1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。

对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比7～8，在研机9～10，预研机15～20，我国相应为5.5、6.5～7.

5、8～10。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。

材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”和“信息化”的特色。

1.精密的材料成形特征随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。

2.优质的成形技术特征反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。

3.快速的成形技术特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计 (RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50％。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65％。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。

4.复合的材料成形特征激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5.绿色的材料成形特征成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： ①高效利用原材料，对环境清洁；②以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； ③符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Proce），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。

6.信息化特征成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化、信息化特征。

综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛坯或零件的现代制造方法。

所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形和堆积成形。

（1）受迫成形利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。

（2）去除成形运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件限制，难以加工形状极为复杂的零件。

（3）堆积成形利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的限制，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。

第一章工程材料

1.1 概述

材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。

1.1.1 金属材料的发展

人类早在6000年以前就发明了金属冶炼。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍7.5％的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸气机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。

19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2003年，全世界的钢产量由2.1亿吨增加到9.6亿吨。而我国2003年钢产量达到2.2亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量，跃居全球钢产量首位。 1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。

1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。 1.2 固体材料的性能

固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。

1.强度和塑性

材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。动画为低碳钢拉伸实验测得的应力-应变图。实验时将材料做成如图标准试样，试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以ζ表示。

1）弹性和弹性模量

试样加载后应力不超过ζe，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。ζe为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。 OP的斜率E（E=ζ/ε）称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。

2) 塑性载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率δ和断面收缩率ψ表示。

3）强度

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。当材料承受拉力时，强度主要是指屈服强度ζs和抗拉强度ζb。

（1）屈服强度σs 在S点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。ζs即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。

需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2％时的应力，记为ζp0.2，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用ζ0.2表示。

（2）抗拉强度抗拉强度为动画所示的σb值，是试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂。 σs与σb的比值称为屈强比，其值一般在0.65～0.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的σs与σb均有很大的影响。

冲击韧度

评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度αk。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB229-84制成带U型缺口的标准试样，将具有质量G（N）的摆锤举至高度为H（m），使之自由落下，将试样冲断后，摆锤升至高度h（m）。如试样断口处的截面积为S（cm）。则冲击韧性αk 的值为：αk =G(H-h)/S(J/cm) 材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。

224.疲劳强度

许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。

5.断裂韧度

一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力ζ作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子KⅠ来描述。

6.金属的高温力学性能

金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度ζS、硬度等值降低，而塑性增加的现象称高温蠕变。小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零2分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。

1.3 金属的结构

固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。 1.3.1金属的晶体结构 1.晶体和金属的特性

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

● 金属键

金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；同时金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。

2.晶格、晶胞和晶格常数

为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为“晶格”所示。

晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以（埃）为单位（1 =1×10-8cm）。晶胞各边之间的夹角以α、β、γ表示，如动画所示。

3.晶向与晶面

1）立方晶系的晶向指数

在晶体中，任意二个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。确定立方晶系的晶向指数方法如下：

（1）选定晶胞某一点阵为原点，以晶胞3条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；

（2）过原点作一有向线平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指数[uvw]，如果方向相反，则它们的晶向指数的数值相同，但符号相反；

（3）取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，[uvw]即为晶向指数。例如，当座标值X=1，Y=2, Z=1/3时，其晶向指数为[361]。

2）立方晶系的晶面指数

晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标轴的截距来决定。晶面指数的一般表示形式为（h k l），其确定步骤如下：

（1）建立坐标：选晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点（以免出现零截距），以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；

（2）取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号（）内，即为该晶面的晶面指数。

与晶向指数相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指数。指数值相同而符号相反的两个晶面，如（100）与（），则平行地分布在原点两边。

4.常见的晶格类型

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵。大多数金属属于以下三种晶格类型。 1) 体心立方晶格

其中心的原子周围有8个最邻近原子环绕，称其配位数为8。

2) 面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子，中心面上的原子为二个晶胞共有，故晶胞中实际原子数为 4个。属于这类晶格的金属有：γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、镍（Ni）、金（Au）等。

3) 密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，故晶胞中实际原子数为6个。属于这类晶格的金属有：镁Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等。

1.3.2实际金属的晶体结构

1.多晶体与亚结构

单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小（1°～2°）的小晶块，称为“亚晶粒”，亚晶粒的边界称为“亚晶界”。

2.晶格缺陷

在实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，因而晶体内部存在大量的晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形状特点，可分为三类。

1) 点缺陷

点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”。

2) 线缺陷

线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”，好象沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“┴”表示；多出的一列原子位于晶体的下部称为“负刃型位错”，用符号“┬”表示。

3) 面缺陷

面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，晶界和亚晶界处原子不规则排列，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，使晶界表现出与晶粒内部不同的性能。如晶界易被腐蚀；晶界的熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。

1.4 金属的结晶

• 液体的结构

液体的结构不同于气体。有以下特点：

① 存在短程有序现象，即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团，一瞬间又变成另外的原子团。② 存在结构起伏现象，即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象。此现象也称为相起伏。③ 存在成分起伏现象，即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象。④ 在一定条件下形成长程有序，即晶体中大范围原子有序稳定排列。

金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程，称为结晶过程。

1.4.1 纯金属的冷却曲线和过冷现象

1．纯金属的冷却曲线

纯金属都有一个固定的熔点或结晶温度。金属的结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在坩埚中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据，并将其绘成如图1-19所示的纯金属冷却曲线。