机械制造基础-第2章-晶体结构与结晶

1、1第二章第二章 金属、合金的晶体结构与结晶金属、合金的晶体结构与结晶2 固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同分为晶固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同分为晶体与非晶体。非晶体的原子是无规则杂乱地堆积的，没有体与非晶体。非晶体的原子是无规则杂乱地堆积的，没有固定的熔点，各向同性。晶体的原子是按一定的几何形状固定的熔点，各向同性。晶体的原子是按一定的几何形状作有规律的排列，有固定的熔点，各向异性。作有规律的排列，有固定的熔点，各向异性。2.1.1 纯金属的结构1、晶体与非晶体、晶体与非晶体 2、常见的金属晶格类型、常见的金属晶格类型 用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为用于描述原

2、子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶晶格格。晶格中直线的交点称为晶格中直线的交点称为结点结点。晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞晶胞。常见的金属晶格类型：常见的金属晶格类型：体心立方晶格体心立方晶格、面心立方晶格面心立方晶格、密密排六方晶格排六方晶格。34 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。各有一个原子。2.1.1 纯金属的结构体心立方晶格：体心立方晶格：5 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。各有

3、一个原子。 2.1.1 纯金属的结构面心立方晶格面心立方晶格 ：6 晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。 2.1.1 纯金属的结构密排六方晶格：密排六方晶格：7 1）多晶体结构）多晶体结构 2.1.1 纯金属的结构3、金属的实际晶体结构、金属的实际晶体结构 晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为的晶体称为单晶体单晶体。 由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，这些小晶由许多小晶体组成的晶

4、体称为多晶体，这些小晶体称为体称为晶粒晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界晶界。 虽然每个晶粒具有各向异性，但不同方向的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但不同方向的金属性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料表现为各向同性。表现为各向同性。 8 2）晶体缺陷）晶体缺陷 2.1.1 纯金属的结构 晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶晶体缺陷体缺陷。晶体缺陷按其几何特征分为晶体缺陷按其几何特征分为 晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度和硬度晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度

5、和硬度有所提高。有所提高。 点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷9单晶体晶格位单晶体晶格位 多晶体晶格位向示意图多晶体晶格位向示意图 点缺陷点缺陷-空位示意图空位示意图 面缺陷面缺陷-晶界示意图晶界示意图 线缺陷线缺陷-刃型位错刃型位错10 1、纯金属的冷却曲线和过冷现象、纯金属的冷却曲线和过冷现象 2.1.2 纯金属的结晶 金属由液态转变为固态晶体的过程称为金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶结晶。纯金属的结晶是在固定的温度下进行的。纯金属的结晶是在固定的温度下进行的。右图为纯金属的冷却右图为纯金属的冷却曲线。（热分析法）曲线。（热分析法）理论结晶温度：理论结晶温度：t0实际结晶温度：实际

6、结晶温度：t1过冷度：过冷度：tt0t1。过冷是金属结晶的必过冷是金属结晶的必要条件。要条件。 金属从一种原子排列状态过度到另一种原子排列状态的金属从一种原子排列状态过度到另一种原子排列状态的转变都属于结晶过程。转变都属于结晶过程。11 2、纯金属的结晶过程、纯金属的结晶过程 2.1.2 纯金属的结晶 纯金属的结晶过程是一个不断形成晶核和晶核纯金属的结晶过程是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程。不断长大的过程。 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图 123、金属晶粒大小及细化方法、金属晶粒大小及细化方法 结晶后，得到多晶体金属。一般，晶粒越细小，强度、硬结晶后，得到多晶体金属。一般，晶粒越细

7、小，强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。度越高，塑性、韧性也越好。 工业生产中常采用以下方法来细化晶粒，从而工业生产中常采用以下方法来细化晶粒，从而提高金属的力学性能：提高金属的力学性能： 1）增加过冷度）增加过冷度 2）变质处理）变质处理 3）附加振动）附加振动13 4、金属的同素异晶转变（二次结晶）、金属的同素异晶转变（二次结晶） 2.1.2 纯金属的结晶 在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变，这种现象称为金属的同素异晶转变。纯铁的转变，这种现象称为金属的同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变可用下式表示：同素异晶转变可用下式表示： 金属的同素异晶转

8、变是通过原子的重新排列来金属的同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。有一定的转变完成的，实质上是一个重结晶过程。有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热释放；转变过程也温度；转变时需要过冷；有潜热释放；转变过程也是通过形核和晶核长大来完成的。是通过形核和晶核长大来完成的。 1415 1、合金的基本概念、合金的基本概念2.1.3 合金的结构与结晶 1）合金）合金 合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 2）组元）组元 组成合金独立的、最基本

9、的物质称为组元，简称元。组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元。合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。 3）合金系）合金系 由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。 162.1.3 合金的结构与结晶4）相）相 合金中凡是晶体结构、成分和性能相同并且与合金中凡是晶体结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。 5）组织）组织 组织是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有组织是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有某种形态特征的合金组成物。其实质是不同相的组某种形态特征的合金组成物。其实质是不同相的组合。它直接决定合金的性能。合。它直接决定合金的性能。 17 2、合金的结构、合金的结构 2.1.3 合金的结构与结晶根据合根据合金中各金中各组元之组元之间的相间的相互作用互作用不同，不同，可分为可分为 1）固溶体）固溶体 2）金