机械制造基础-晶体结构

1、基本内容：常见金属的三种晶体结构；晶体缺陷。金属的结晶。 单元2. 金属的晶体结构与结晶重点：是常见金属三种晶体结构；难点；是刃型位错概念。空间点阵将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点）。晶胞代表性的基本单元（最小平行六面体）一、金属理论晶体结构在晶格中选取能够完全反映晶格特征的最小几何单元，建立晶胞等概念晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，是能代表原子排列形式特征的最小几何单元。晶胞在三维空间的重复构成点阵常见 金属的晶体结构体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵(一)体心立方结构Fe、Cr、V、Mo、W等。 (二)面心立方结构有铝、铜、铅、金、银、镍、rFe（9121394C）

2、等。 (三)密排六方结构具有这种结构的金属有镁、铍、锌、aTi等 二、 实际金属的晶体结构晶体结构缺陷：原子排列在局部区域的某些不规则性。根据缺陷空间几何特征：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 结构上：造成晶格畸变。 性能上：强度，电阻； 影响扩散过程。实际造成的晶格畸变最大1.点缺陷位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界 两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列。 一维缺陷2.线缺陷 刃型位错： (1)有一额外半原子面； (2)位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。 金属中各种形态位错两维尺寸很大,第三向尺寸很小（1）晶界：3. 面缺陷小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10的晶界。基本上由位错构成

3、。晶界类型及模型：（3）相界：不同结构的晶粒之间的界面相界晶界三、金属的结晶金属结晶的微观过程:金属结晶的宏观现象： (1) 过冷现象 金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固 温度Tm的现象。(2)过冷度（ T）：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Tm-Tn。(3)结晶过程伴随潜热释放 结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。1.金属结晶的现象2.金属结晶的微观过程:（1）形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核) 的过程 （2）长大 晶核由小变大长成晶粒的过程 实际金属最终形成多晶体注： 单个晶粒由形核长大 多个晶粒形核与长大交错重叠 当只有一个晶核时 单晶体 晶核越多，最终晶

4、粒越细。 金属的结晶过程（形核，长大）t1 形核t3 长大形成晶粒t2 形核并长大，有新的晶核形成t4 液体消失，结晶结束1）表示：用单位体积中的晶粒数来衡量或近似地把晶粒看作球体，用它们的平均直径来衡量。2） 控制晶粒大小的途径 a.增加过冷度 过冷度增大，冷却速度增加 。 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的。 b.变质处理 c.振动，搅拌。 3.晶粒大小及控制工业上常用的方法：（1）增加过冷度 过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G增加过冷度 加大冷却速度（2）变质处理 添加固相微粒或表面非均匀形核 变质处理定义：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核

5、，该工艺称为变质处理。孕育剂选择原则： 点阵匹配：即结构相似、尺寸相当。 孕育剂熔点远高于金属本身（3）振动、搅动： 机械方法、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。实际应用举例实际应用举例u铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区1.激冷层（表面细晶区）2.柱状晶区3.中心等轴晶区弱面铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶AlMg合金没有变质处理晶粒AlMg合金经过变质处理晶粒四、合金的相结构o 合金：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特

6、性的物质。o 合金相图：用图的形式表明一个合金系的成份、温度和相态之间的关系。 o 相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。 相结构，实指合金的晶体结构 1.固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 2.金属化合物 定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。（一）相的分类（二） 合金的相结构（1）置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体代位固溶体（2）间隙固溶体 溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。1.固溶体的分类例：90 Cu10Ni合金置换固溶体

7、C 固溶于Fe中形成间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体按固溶度分类 （1）有限固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。 （2）无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。固溶体对性能的影响： （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的，固溶体的电阻率，电阻温度系数，导热性。 固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象。称之为固溶强化。金属材料的主要强化手段或途径之一固溶强化的特点： (1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大； (2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分之间关系的图解。又称状态图或平衡图 五、 二元合金相图的建立 相图建立的