物理冶金学

金属水晶结构

金属被用于工程结构(例如,汽车、桥梁、压力容器)，因为与玻璃或陶瓷不同，它们在破裂前可以经历明显的塑性变形。这种可塑性源于构成一块金属的晶体中原子排列的简单性，以及原子间键的无方向性。在结晶固体中，原子可以有多种不同的排列方式，但在金属中，原子的排列方式有三种简单形式之一。在最具延展性的金属中，原子以紧密排列的方式排列。如果原子被想象成相同的球体，并且这些球体以尽可能接近的方式被打包成平面，那么将有两种方法将紧密排列的平面堆叠在另一层之上数字)．一种是六角形晶体对称(称为六角装得满满的，或hcp);另一种方法将导致一种具有立方对称的晶体，这种晶体也可以被看作是在角落和每个面中心有原子的立方体的组合(称为以平面为中心的立方，或fcc)。具有hcp结构类型的金属的例子有镁、镉、锌，和钛．催化裂化结构的金属包括铝、铜，镍γ铁，黄金,银．

金属中第三种常见的晶体结构可以被想象成一个立方体的组合，每个立方体的角上有一个原子，每个立方体的中心有一个原子;这被称为体心立方，或bcc。金属的例子bcc结构是铁，钨，铬,β钛。

一些金属，如钛和铁，在不同的温度下表现出不同的晶体结构。温度最低的结构标记为alpha (α)，以及温度较高的结构β (β)， gamma (γ)和delta (δ)．这同素异形或随着变化从一种结构向另一种结构的转变温度，会导致热处理后的性能发生显著变化(见下文)热处理)．

当金属经受相变从液体到固体或从一种晶体结构到另一种晶体结构，这种转变始于新相的许多小晶体的成核和生长。所有这些晶体或颗粒都具有相同的结构，但取向不同，因此，当它们最终生长在一起时，颗粒之间就形成了边界。这些边界在决定一块金属的性能方面起着重要的作用。在室温下，它们增强金属而不降低其延展性，但在高温下，它们往往会削弱结构并导致早期失效。它们可以是本地化的站点腐蚀，这也会导致失败。

机械性能

当一根金属棒被轻负载时，会产生应变(用变化的长度除以原来的长度)正比于压力(单位截面积荷载)。这意味着，随着负载的增加，杆的长度会成比例地增加，当负载被移除时，杆会收缩到原来的尺寸。这里的应变是弹性的，应力与应变的比值称为弹性模量．然而，如果负荷进一步增加，一个点称为屈服应力将会达到超过了．应变现在将比应力更快地增加，并且，当样品卸载时，残余塑性应变(或伸长)将保留。屈服应力下的弹性应变通常为0.1%至1%，而当试样被拉到破裂时，塑性应变通常为20%至40%合金(在某些情况下可能超过100%)。

金属最重要的机械性能是它的屈服应力延性(由断裂伸长率测定)，及其韧性(由撕裂金属时所吸收的能量来衡量)。的收益率金属的应力是由一个原子平面在另一个原子平面上滑动的阻力决定的。通过热处理和合金化可以产生各种防滑屏障;这种障碍的例子是晶界，细小的沉淀物，金属冷加工引起的变形，以及溶解在金属中的合金元素。

当一种金属通过这些方法中的一种或多种变得非常坚固时，它可能会在负载下突然断裂，而不是屈服。当金属含有局部提高应力和局部屈服的缺口或裂缝时，情况尤其如此。然后，我们感兴趣的性质就变成了断裂韧性，通过扩展一块金属中现有裂纹所需的能量来衡量。在几乎所有的情况下，断裂韧性的合金只能通过降低其屈服强度来提高。唯一的例外是较小的晶粒尺寸，这增加了韧性和强度。