《金属材料与热处理》课件2.项目二

1、金属材料与热处理项目二 金属的晶体结构与结晶项目导入通过学习金属的性能，我们知道不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的，金属力学性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部组织结构所决定的，研究金属材料的内部结构及其变化规律，是了解金属材料性能，正确选用材料，合理确定金属材料成型加工方法的基础。 01目录CONTENT金属晶体的堆积方式纯金属的结晶合金的相结构020403纯铁的同素异构转变CONTENT任务 一金属晶体的堆积方式物质是由原子组成的，在物质的内部，原子的堆积方式不同，其性能也不同，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体和非晶体两类。

2、学习目标会识别晶体结构。知道金属晶格的缺陷对材料性能的影响。任务描述晶体的概念和特点。 金属晶格常见类型。 金属晶格的缺陷。 一、晶体与非晶体 在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。 1.晶体 晶体是指在物质的内部，凡原子在空间呈有序、有规则排列的称为晶体。如:金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等均属晶体。 晶体的特点: （1）原子在三维空间呈有规律的周期性重复排列。 （2）晶体具有固定的熔点。 （3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，在不同的方向上具有不同的性能，呈各向异性。 一、晶体与非晶体2.非晶体 在物质的内部，凡原子呈无序堆积状

3、况的称为非晶体。如:普通玻璃、石蜡、松香、树脂、沥青等都是常见的非晶体。非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。二、晶体结构的概念1.晶格 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子简化成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就构成了有明显规律性的空间格架。这种用来描述原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格。二、晶体结构的概念2.晶胞 由于晶体中原子的排列是有规律的，晶胞是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞

4、。晶胞 的大小及几何形状用晶胞的三条棱边长度 a、b、c和三条棱边之间的夹角、六个参数来描述，其中晶胞的各棱边长为 a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数 a=b=c，棱边交角=90时，这种晶胞称为简单立方晶胞。 三、金属晶格的类型金属的晶格类型很多，但绝大多数（85%）金属属于以下三种晶格: 1.体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于这种晶格类型的金属有铬、钒、钨、钼及-Fe等。 2.面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。属于这种晶格类型的金属有铝、铜、铅及-Fe等。 3.密排六方晶格 它的晶胞是一个正

5、六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角及上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，如图2 15所示。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等。 三、金属晶格的类型四、金属的实际晶体结构在实际使用的金属材料中，由于加进了其他类型的原子及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律排列的原子堆积方式受到干扰，不像理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷有以下几种。 1.空位、间隙原子和置换原子 如果晶格上应该有原子的地方没有原子，在那里就会出现“空洞”，这种原子堆积上的缺陷叫“空位”。在晶格的某些空隙处出现多余的原子或挤入外来原子的现象，叫间隙原子。

6、异类原子占据晶格的结点位置的现象，称为置换原子。四、金属的实际晶体结构2.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叫位错。可以认为位错是由于晶体中局部晶体滑移造成的，滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，金属中常见的位错是刃型位错和螺型位错。由于位错的存在，造成金属晶格畸变，对金属的性能如强度、塑性、疲劳及原子扩散、相变过程等产生重要的影响。四、金属的实际晶体结构3.晶界和亚晶界 实际金属为多晶体，由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成，每一个晶粒可以为单晶体，所有晶粒的结构完全相同，但彼此的位向不同，位向差为几度或几十度。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。晶界处的原子排列是不规则的

7、，原子处于不稳定的状态。实验证明，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也不像理想晶体那样完全一致，而是分隔许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们互相嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的。四、金属的实际晶体结构任务二纯金属的结晶大多数金属材料制件都是通过熔化、冶炼和浇注等工序获得的。金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于固态金属是晶体。故金属的凝固过程称为金属的结晶，金属的结晶过程决定了金属材料的性能。 学习目标会画纯金属的冷却曲线。 熟悉金属的结晶过程。 任务描述纯金属的结晶过程。晶粒大小对金属力学性能的影响，细化晶粒的方法。

8、一、纯金属的冷却曲线与过冷度纯金属的结晶是在恒温下进行的，通常采用热分析法测量其结晶温度。将金属熔化成液体，以缓慢的速度冷却，每隔一定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度时间坐标图中，获得纯金属的冷却曲线。一、纯金属的冷却曲线与过冷度由冷却曲线可见，液体金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断向外散失，温度也不断下降，当降到a点时，液体金属开始结晶，由于结晶过程中释放出来的结晶潜热，补偿了散失在空气中的热量，因而温度并不随时间的延长而下降，直到 b点结晶终了时才继续下降。 ab两点之间的水平线段即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。理论上金属冷却的结晶温度与加热时熔化温度二

9、者应在同一温度，即金属的理论结晶温度（ T0 ）。 实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，实际结晶温度（ T1 ）低于理论结晶温度（ T0 ）这一现象称为“过冷现象”。理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度（T=T0-T1 ）。过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关，冷却速度越快，金属的结晶温度越低，过冷度T越大。 一、纯金属的冷却曲线与过冷度二、纯金属的结晶过程金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体晶核，随着时间的推移，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其他部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，

10、直到液态金属全部消失，结晶结束。因此，液态金属的结晶是形核和晶核长大的基本过程。 二、纯金属的结晶过程结晶开始时，液体中的原子或原子集团先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核，随着晶核的长大，逐渐形成了晶体的棱角，由于棱边和角部的散热条件优于其他部位，又便于原子扩散，因而优先成长。晶核的长大先长出干枝，再长出分枝，当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止。最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个晶粒的方位不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称晶界。二、纯金

11、属的结晶过程结晶后，只有一个晶粒的晶体称为单晶体，单晶体中原子排列位向是完全一 致的，其性能是各向异性。常见的单晶体如单晶硅、单晶石英。单晶硅用于制造半导体器件、太阳能电池等。石英晶体是一种重要的电子材料。如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成的，则称多晶体。由于多晶体内部晶粒位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性，亦称为“伪各向同性”。 三、晶粒大小对金属力学性能的影响金属晶粒大小对金属力学性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。 为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小，金属晶粒的大小取决于结晶时的形

12、核率（ N单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度 G 。形核率 N 大，而长大速度 G 相对小，则晶粒愈细，即 N 与 G 的比值大则晶粒细。因此，细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度。 三、晶粒大小对金属力学性能的影响常用的细化晶粒方法有以下几种: 1.增加过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 这种方法只适用于中、小型铸件，对于大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。 三、晶粒大小对金属力学性能的影响2.变质处理 在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成

13、大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。如在钢液中加入钛、铝等，铸铁中加入硅、钙等均能起到细化晶粒的作用。 3.附加振动 在结晶时、对金属液体施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，达到细化晶粒的目的。四、金属铸锭的组织影响金属结晶的因素很多，除了过冷度和未熔杂质两个重要因素之外，熔化和浇注温度、冷却条件等因素也对结晶过程产生一定的影响。下面以铸锭组织为例。说明冷却条件对铸锭结晶过程的影响。 金属铸锭的结晶虽是大体积液态金属结晶，同样也遵循结晶的基本规律，但是，结晶是

14、在铸锭模中进行的。由于冷却条件不同，铸锭组织从表面到心部是由三层外形不同的晶粒组成的。四、金属铸锭的组织1.细晶区 由于金属铸模的温度较低，散热快，当液态金属刚注入锭模时，其表层受到模壁的强烈冷却，造成了很大的过冷度，形核率很高，而且模壁的粗糙表面对形核有一定的促进作用。因此，铸锭表层获得了细小的等轴晶粒，组织比较致密。表面细晶区的组织特点是晶粒细小，组织致密，化学成分均匀，力学性能较好。四、金属铸锭的组织2.柱状晶区 随着细晶区的形成，模壁温度不断升高，铸锭的冷却速度逐渐减慢。由于结晶潜热的释放，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，因而细晶区的前沿晶粒继续向液体中生长。由于垂直于模壁

15、方向散热速度最快，故凡是枝晶轴垂直于模壁的晶粒优先得到成长，而且这种定向成长也不至于因相互抵触受到限制，从而形成了柱状晶区。柱状晶区的组织特点是组织比较致密，并且彼此定向排列，故呈现各向异性。在柱状晶的接触面常存在有金属夹杂和低熔点杂质而成为脆弱界面，在压力加工时容易开裂，因此，铸锭一般不希望得到柱状晶，生产上常采用振动浇注和变质处理等方法抑制柱状晶的扩展。但对于铝、铜等有色金属，反而希望得到柱状组织，因为这种组织致密，具有良好力学性能。 四、金属铸锭的组织3.等轴晶区 随着柱晶区的发展，模壁温度继续升高，散热速度越来越慢。散热的方向性也不明显，锭模中心的剩余液态金属的温度逐渐趋于均匀，最终几

16、乎同时达到过冷状态。同时由于种种原因，剩余液态金属中聚集了一些未熔杂质，以及从柱状晶上被冲刷下来的枝晶碎块，漂移到铸锭中心区域，它们都可成为剩余液体的晶核，在均匀而缓慢的冷却条件下长大，最后形成粗大的等轴晶区。等轴晶区的组织特点是晶粒粗大，组织疏松，力学性能差。 综上所述，金属铸锭的组织是不均匀的，从表面至心部分别为细小的等轴晶区、柱状晶区和粗大的等轴晶区，通常外层较薄，其他两个晶区较大。 在铸锭中经常存在着各种铸造缺陷，如缩孔、疏松、气泡和偏析等。任务三纯铁的同素异构转变大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数金属（如铁、铬、锡、钴、钛等），在结晶后，继续冷却时晶格类型会发生变化。学

17、习目标会画纯铁的冷却曲线。 知道纯铁的同素异构转变过程。任务描述画纯铁的冷却曲线。理解纯铁的同素异构转变过程。一、同素异构转变金属在固态下，随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、锡、钴、钛、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母、等表示。 二、纯铁的同素异构转变 液态纯铁在1538 进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe。继续冷却到 1394 发生同素异构转变，-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再冷却到912 又发生同素异构转变，-Fe转变为体心立

18、方晶格的-Fe。如再继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化。这些转变可以用下式表示:二、纯铁的同素异构转变 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处:有一定的转变温度，转变时有过冷现象;放出和吸收潜热;转变过程也是一个形核和晶核长大的过程同素异构转变时，新晶格的晶核最容易在晶界处形成，这与晶界处原子活动能力较高，有利于重新改组晶格有关。新晶格的长大，是借助于原晶体中原子逐渐转移到新晶体的表面上来，新晶体的分界面逐渐向旧晶体迁移的方式进行的，转变到原晶体全部消失为止。任务四合金的相结构作为工业用的金属材料，纯金属的强度、硬度和耐磨性较差，而且品种有限，价格较高，故应用较少，工业上应用的

19、金属材料一般都是合金。合金除了具有金属特性外，还具有优良的力学性能、物理、化学性能，这是纯金属所不及的。学习目标根据合金的相，会识别合金。 了解合金的基本类型。任务描述合金的含义及基本概念。 合金相结构分类及特点。一、基本概念 1.合金 合金是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属元素，如黄铜（由铜和锌组成），也可以是金属元素与非金属元素，如碳钢（由铁和碳组成）。 2.组元 组成合金最基本的独立物质称为组元，简称元。组元可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。根据合金中组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如普通的黄铜是由铜和锌两个组元

20、组成的二元合金。硬铝是由铝、铜和镁或铝、铜、锰组成的三元合金。 二、合金的晶体结构根据合金中各组元间的相互作用，合金中相的晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。 1.固溶体 固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体。 二、合金的晶体结构（1）间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体。由于溶剂晶格的空隙很小，故能够形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小于1埃的非金属元素，如碳、氢等非金属元素溶入铁中形成的固溶体即属于间隙固溶体。由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体能溶解的溶质原子数量也是有限的。 （2）置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格节点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。二、合金的晶体结构（3）固溶体的溶解度 固溶体的溶