金属材料与热处理第二章

第一节金属的晶体结构a）天然水晶b）普通玻璃天然水晶和普通玻璃当前1页，总共22页。自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态和固态。固态物质根据其结构的不同可分为晶体和非晶体。在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如普通玻璃、松香、石蜡等均属于非晶体；相反，凡原子呈有序、有规则排列的，称为晶体，例如石英、食盐等，金属在固态下一般均属于晶体一、晶体与非晶体当前2页，总共22页。二、金属的晶体结构1.晶体结构的概念晶体内部原子是按一定几何规律排列的，为了便于理解，可以把原子看成一个小球，则金属晶体就是由这些小球按一定规律堆积而成的晶体内部原子排列模型当前3页，总共22页。a）晶格

b）晶胞

晶格和晶胞示意图为了更加直观地表示晶体中原子的排列规律，再将原子简化成一个质点，用假想的线将这些质点连接起来，就形成了具有一定规律性的空间架格，这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格，如图所示当前4页，总共22页。晶格类型晶胞结构示意图常见金属体心立方晶格立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α－铁（α－Fe）等面心立方晶格立方体八个顶角和六个面的中心各有一个原子铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）、金（Au）及γ－铁（γ－Fe）等密排六方晶格正六棱柱体的十二个顶角和上下两底面中心各有一个原子，柱体中间还有三个原子镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）、铍（Be）等2.金属常见的晶格类型当前5页，总共22页。三、单晶体与多晶体如果晶体内部原子的排列位向是完整一致的，这样的的晶体称为单晶体，如图所示。

单晶体示意图

当前6页，总共22页。

多晶体示意图绝大多数情况下，金属晶体内部的原子排列并不是完整一致的，而是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，这样的小晶体称为晶粒，如图所示。每个晶粒的方位各不相同，它们之间的交界面称为晶界。象这样由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。当前7页，总共22页。四、金属的晶体缺陷实际晶体中出现的各种不规则原子排列现象统称为晶体缺陷，常见的晶体缺陷有以下几种：1.点缺陷——空位、间隙原子和置代原子空位、间隙原子和置代原子示意图

当前8页，总共22页。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错排的现象叫作位错。在晶体中，位错的晶格畸变发生在沿“半原子面”端面的狭长区域，故称为线缺陷。形式比较简单的一种叫作“刃型位错”，如图所示。a）立体图b）平面图刃型位错示意图当前9页，总共22页。3.面缺陷——晶界和亚晶界实际生产中所使用的金属材料几乎都是多晶体，它们是由大量外形不规则的晶粒相互衔接组成的，晶粒与晶粒之间的分界面就称为晶界。由于各晶粒彼此之间的位向不同，所以，晶界处的原子排列是不规则的，如图所示。晶界过渡结构示意图当前10页，总共22页。试验证明，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不象理想晶体那样完全一致，而是分隔成许多尺寸更小、位向差别不大的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小晶界，如图所示。亚晶界结构示意图当前11页，总共22页。1．金属的晶格类型在生产中的应用金属的晶格类型与其力学性能和生产应用具有直接关系。在金属常见的三种晶格类型中，面心立方晶格金属的塑性最好，体心立方晶格金属次之，密排六方晶格金属最差。塑性好的金属能够承受比较大的塑性变形，可以通过轧制、挤压、冷拔、锻造、冲压等压力加工方法获得形状相对复杂的产品。部分金属的晶格类型随温度变化是可以改变的，可以利用这一现象合理安排压力加工的工艺。

金属的晶体特性在实际生产中的应用当前12页，总共22页。2．金属的晶体缺陷在生产中的应用

金属实际晶体中存在的所有结构缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。在实际生产中，可以利用这一规律寻找强化金属的手段。当前13页，总共22页。第二节纯金属的结晶金属材料在生产和加工中通常要经过液态和固态的过程。如在生产过程中首先通过冶炼得到液态金属，再转变成固体状态。钢就是将从铁矿石中提炼出的液态生铁，放到炼钢炉内熔炼，再浇铸成钢锭或者钢坯。金属材料在加工过程中，也会遇到由液态转变为固态的情况，如铸造加工就是将金属加热成液态后，再浇铸成一定形状的工件。金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。当前14页，总共22页。

转炉炼钢当前15页，总共22页。浇铸示意图

b)钢锭

钢锭浇铸示意图当前16页，总共22页。一、纯金属的结晶过程1．纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，右图为热分析装置示意图。1－电炉

2－坩埚

3－金属液

4－热电偶

热分析法装置示意图当前17页，总共22页。

纯金属的冷却曲线将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，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，便获得了纯金属的冷却曲线，如右图所示当前18页，总共22页。a)理论结晶

b)实际结晶

纯金属结晶时的冷却曲线金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象过冷现象理论结晶温度T0和实际结晶温度T1之差称为过冷度（△T＝T0－T1）过冷度当前19页，总共22页。2．纯金属的结晶过程

纯金属结晶过程示意图结晶过程是晶核的形成与长大的过程当前20页，总共22页。

纯金属显微组织图结晶完成后形成的晶粒与晶界如下图所示当前21页，总共22页。二、金属结晶后的晶粒大小及对力学性能的影响晶粒大小对力学性能的影响晶粒平均直径（μm）Rm（MPa）ReL（MPa）A（%）70