工程材料与机械制造基础第三章

1、第三章 金属的晶体结构与结晶n3.1 金属的晶体结构n3.2 实际金属的结构n3.3 金属的结晶本章的重点：1、三种常见的晶体结构及其基本性能。2、实际金属的晶体缺陷及其对性能的影响。3、结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。难点：结晶机理。3.1 金属的晶体结构晶体：原子在空间呈长程有序排列的固态物质。如：固态金属、金刚石、硅酸盐非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。如：玻璃、松香、沥青3.1.1 晶体概念晶体的特征1、原子在空间呈长程有序排列；2、是各向异性的；3、有固定的熔点；4、有特定的几何外形。金属键金属键的基本特点是电子共有化。在金属原子相互紧密接近时，由于原子间的相互

2、作用，金属原子的价电子便从各个原子中脱离出来，为整个金属所共用，形成“电子云”。金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子结合起来，形成金属晶体，这种结合方式称为金属键3.1 金属的晶体结构3.1 金属的晶体结构为了便于研究晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞 晶胞的形状和大小 可用晶胞的棱边长度a、b、c(晶格常数）和棱面夹角、来

3、表示。晶格就是有许多大小、形状晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。3.1 金属的晶体结构3.1 金属的晶体结构3.1.2 常见的金属晶格(1)体心立方晶格（bcc晶格） a）其晶胞形状为立方体 b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心 c）a=b=c，=90 d）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子 属于这类金属的有： -Fe、Mn、Cr、V、W、Mo等3.1 金属的晶体结构(2)面心立方晶格（fcc晶格） a）其晶胞为立方体 b）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处 c） a=b=c，=90 d）每个晶胞中含有4个原子具有面心立方

4、晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。3.1 金属的晶体结构(3)密排六方晶格（hcp晶格） a）其晶胞形状为六方柱体 b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子 c）每个晶胞中含有6个原子属于这类金属的有：Mg、Zn、 -Ti等。3.1 金属的晶体结构21818n体心立方4216818n面心立方632126112n密排六方晶胞中的原子数算法3.1 金属的晶体结构3.1.3 晶体结构的致密度原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半体心立方 面心立方 密排六方43ar 42ar 2ar 3.1 金属的晶体结构配位数：晶体结构中任一原子周围最

5、近且等距离的原子数致密度：晶胞中原子所占的体积分数配位数与致密度定量的表示了原子排列的紧密程度u面心立方配位数为面心立方配位数为121274. 0)42(34433aaVnvKu体心立方配位数为体心立方配位数为8 868. 0)43(34233aaVnvK3.1 金属的晶体结构3.1 金属的晶体结构u密排六方配位数为1274. 023216)2(3463caaaVnvK38/ac其中c3.1 金属的晶体结构在三种常见的晶体结构中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而体心立方晶格要差些。 三种常见金属晶格的结构特点 3.2.1 单晶体和多晶体单晶体:晶体材料内部原子规律排列，位向不发

6、生改变的晶体。多晶体:由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。每个小晶体称为晶粒晶粒与晶粒之间的界面称晶界亚晶粒之间的交界称为亚晶界3.2 实际金属的结构单晶体晶粒晶界多晶体3.2.2 晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种： 点缺陷线缺陷面缺陷3.2 实际金属的结构 (1)点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷 晶格空位、置换原子和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。取代原来原子位置的外来原子称置换原子。3.2 实

7、际金属的结构空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子n点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。3.2 实际金属的结构采用合金化的方法提高材料的强度(2)线缺陷位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错3.2 实际金属的结构位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。螺型位错：晶体右前边的点相对于左边的距点向下错动一个原子间距，即右边前部相对于左部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺

8、旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。 3.2 实际金属的结构透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)3.2 实际金属的结构(3)面缺陷晶界、亚晶界 晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。 晶粒细晶粒细晶界面晶界面积越大积越大强度高强度高如如:晶粒细化晶粒细化3.2 实际金属的结构晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷与性能的关系1

9、. 晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性,使晶格产生畸变,晶格能量增加,因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一种不稳定状态,它们在外界条件(温度外力等)变化时会首先发生变化,从而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的强度,一般情况下,强度随晶体缺陷的增加而增加,可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度. 点缺陷合金化增加缺陷的办法 线缺陷增加塑性变形(如加工硬化) 面缺陷晶粒细化3. 晶体缺陷金属缺点3.2 实际金属的结构3.3 金属的结晶凝固 物质由液态转变成固态的过程。结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常,金属的凝固过程属于结晶过程。如：

10、铸件水的结晶：北水的结晶：北方冬天窗花方冬天窗花时间温度To实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1：实际结晶温度：实际结晶温度 理论冷却曲线理论冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线3.3 金属的结晶过冷：实际结晶温度 T1 总是低于理论结晶温度 T0 的现象过冷度 T = T0 - T1 （ 冷速 T ）结晶的必要条件：过冷 3.3 金属的结晶结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。结晶过程是晶核不断形成和长大的过程晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核的长大方式树枝状3.3

11、金属的结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶晶粒越细晶粒越细塑性、韧性越好；强度、硬度越高塑性、韧性越好；强度、硬度越高 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N（单位时间、单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大率G（单位时间内晶核长大的线速度）NG晶粒越细晶粒越细3.3 金属的结晶细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度V V冷冷T TN/GN/G晶粒细小晶粒细小2）进行变质处理（在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为晶核，以细化晶粒和改善组织）3）附加振动： 机械振动 超声波振动 电磁搅拌等*对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快 变形、开裂,因此只适用于小铸件，简单件常用于大铸件，实际效果较好3.3 金属的结晶3.3 金属的结晶 有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。在金属晶体中，铁的同素异晶转变最为典型，也是最重要的。纯铁的冷却曲线如右图所示。-Fe、-Fe、 -Fe是铁在不同温度下的同素异构体。 -Fe和-Fe都是体心立方晶格，分别存在于熔点1538 至1394之间及912以下。-Fe是面心立方晶格，存在于1394912之间。 金属的铸锭组织1)表面细等轴晶层力学性能虽好，但由