第一章 金属与合金的晶体构造及其结晶过程

第一章金属与合金的晶体构造及其结晶过程第1页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU基本内容145263金属与合金的晶体构造及其结晶过程铁碳合金相图钢的热处理钢铁有色金属及其合金非金属材料第2页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU第一篇机械工程材料

第一章

金属与合金的晶体结构及其结晶过程

第3页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU金属与合金的晶体构造及其结晶过程

基本概念金属：

合金：

由一种金属元素所组成。如Cu，Al，Mg，Zn由一种金属元素为主，加入其他金属（或非金属）元素所组成，例

Fe＋C→铁碳合金(钢、铸铁)Cu＋Zn→铜锌合金(黄铜)1第4页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU第一节金属的晶体结构

一、晶体与非晶体

1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。有固定熔点。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。无固定熔点。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。

第5页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU金属晶体模型第6页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、晶格、晶胞、晶格常数名词术语晶体非晶体晶格晶胞晶格常数原子呈有序排列原子呈无序排列描述原子排列规律的空间格子组成晶格的最基本单元晶胞的棱边长度将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架第7页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU第8页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、晶格、晶胞、晶格常数第9页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、晶格、晶胞、晶格常数

晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。晶格常数三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。第10页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、晶格、晶胞、晶格常数晶面：晶格中原子所构成的平面。晶向：原子所构成的方向。第11页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU三、金属中常见的三种晶格类型常见金属晶格类型体心立方晶格Mn，Mo，W，Cr，V，α－Fe，δ－Fe等第12页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU体心立方晶格体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。

体心立方晶胞特征：

晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°第13页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU体心立方晶格原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。

第14页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU体心立方晶格原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：

第15页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU体心立方晶格致密度晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为：晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。

第16页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU面心立方晶格面心立方晶格Cu，Ag，Pb，Ni，γ

－Fe等第17页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU面心立方晶格金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°第18页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU面心立方晶格原子个数4原子半径致密度0.74（74%）第19页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU密排六方晶格密排六方晶格Mg，Zn，Be，Cd等第20页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU密排六方晶格十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。

密排六方晶胞的特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。第21页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU密排六方晶格原子个数6原子半径致密度0.74（74%）R=a/2

第22页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU第二节金属的结晶

一、金属的冷却曲线和过冷现象

金属的结晶

冷却曲线（热分析法）

（液态金属转变为固态金属的过程）第23页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、金属的冷却曲线和过冷现象Tm是理论结晶温度T1是实际结晶温度T1不变T1<Tm特点过冷度∆T＝T1-Tm冷却速度↑∆T↑

纯金属结晶

冷却曲线第24页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、金属的结晶过程形核和长大自发形核非自发形核

呈树枝状

特点在一定时间内完成过程：局部整体实质：形核＋长大

第25页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、金属的结晶过程晶核长大—沿着有利于散热的方向按树枝状方式生长。晶核—在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚集成为结晶核心。术语第26页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、金属的结晶过程晶粒大小及其控制细晶强化的基本原理↑v形核，↓v长大

细晶强化的方法--增大过冷度∆T(中、小型零件)↑形核率，↓v长大--变质处理↑形核率--震动、搅拌结晶↓v长大，↑形核率金属晶粒愈细小，力学性能愈好！第27页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU三、金属的同素异晶转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变特点：转变发生于固态在一定温度下进行晶格类型发生变化

形核＋长大局部整体

1538℃L(体心)912℃(体心)1394℃(面心)α－Feγ

－Feδ－Fe第28页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU三、金属的同素异晶转变纯铁的同素异构转变曲线第29页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU三、金属的同素异晶转变金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜热。金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化，因而容易在金属中引起较大的内应力。金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。第30页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构单晶体与多晶体第31页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。第32页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构晶体缺陷晶体缺陷按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第33页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构点缺陷

产生原因：由于原子热振动造成的。

过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。

结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）

性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）第34页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构点缺陷（空位和间隙原子）第35页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构线缺陷（位错）

位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。最常见的有刃型位错和螺型位错。研究位错的意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。第36页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构第37页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构位错密度：（1）单位体积中位错线的总长度，

ρ＝ΣL/V式中：ρ为位错密度,单位为m-2，ΣL为位错线总长度,单位为m,

V为体积,单位为m3。

（2）晶体强度与位错密度的关系。（3）位错观察：浸蚀法、电境法。第38页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构

不锈钢中的位错线强度与位错密度的关系第39页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。第40页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界，为位错结构。金-镍合金的亚结构第41页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU四、实际金属的晶体结构界面特性（1）

界面能会引起界面吸附。（2）

界面上原子扩散速度较快。（3）

对位错运动有阻碍作用。（4）

易被氧化和腐蚀。（5）

原子的混乱排列利于固态相变的形核。（6）熔点低。第42页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU第三节合金的相结构和二元合金相图

一、合金的相结构

合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。

组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。（如一元、二元、三元合金〕

合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。

相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。第43页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。第44页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构

相的分类：合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物。

固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。

金属化合物：组元之间形成的新相，其结构不同于任何组元。第45页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构固溶体合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。第46页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构

置换固溶体溶质原子取代溶剂原子

间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中第47页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构间隙固溶体置换固溶体特点↑，HB↑，↓，↓

(晶格畸变↑，强化效果↑)

晶格：与溶剂相同

性能：产生固溶强化＋(体心)(六方)(体心)α－FeCF第48页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构

溶质原子对晶格畸变影响示意图第49页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构金属化合物合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质特点一般，T熔↑，HB↑，↓晶格：与各组元不同性能：硬而脆(不同于各组元)Fe＋C

Fe3C(体心)(六方)(复杂)

第50页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构

渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图第51页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构金属化合物的特性

力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。第52页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU一、合金的相结构机械混合物各组元在固态下以混合的形式存在特点

F＋Fe3C

P(体心)(六方)(体心＋六方)晶格：保持各组元晶格类型性能：取决于各组元的性能和数量比形式：固+固、固+化、固+元素、化+化、元素+化、元素+元素等

第53页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图或平衡图）是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺等的重要工具。第54页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图二元合金相图的建立金相法膨胀法电阻法热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；测定上述合金的冷却曲线找出各合金的临界点以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图第55页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图匀晶相图第56页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图匀晶相图特点：液态、固态均无限互溶同类：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等AB温度abab:液相线ab

:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区第57页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图L+

匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程第58页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图晶内偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象Cu-Ni合金的铸态组织示意图偏析的存在，将使晶粒内部性能不一致，影响合金的力学性能、抗蚀性及加工工艺性能。为了达到成分的均匀化，必须加热到高温并保持相当一段时间，这种热处理方法称为均匀化退火。第59页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图共晶相图共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织相图分析：点、线、区结晶过程：冷却曲线、组织转变第60页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图相图分析：点、线、区点：线：区：第61页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶第62页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图结晶过程：共晶合金冷却曲线组织转变第63页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图结晶过程：亚共晶合金冷却曲线组织转变第64页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二元合金相图结晶过程：过共晶合金冷却曲线组织转变思考题！第65页，课件共72页，创作于2023年2月机电学院NWPU二、二