《金属材料与热处理》课件-第一章 金属的结构与结晶

第一章金属的结构与结晶§1－1金属的晶体结构§1－2纯金属的结晶§1－3观察结晶过程（试验）第一章金属的结构与结晶

§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体气态液态固态晶体物质存在状态结构特点晶体和非晶体的对比项目晶体非晶体定义原子呈有序、有规则排列的物质原子呈无序、无规则堆积物质性能特点具有规则的几何形状有一定的熔点，性能呈各向异性没有规则的几何形状有固定的熔点，性能呈各向同性典型物质石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶强调：自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为非晶体。所有的金属都是晶体。二、金属的晶格类型金属中原子的排列情况晶格与晶胞

金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。

晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。观看视频思考：什么是晶体？什么是晶胞？课堂讨论大家知道金刚石和石墨都是由碳元素构成的，可谓“孪生兄弟”，但二者却“性格迥异”：金刚石具有正八体结构，不导电，但硬度极高，能做成玻璃刀；石墨具有层状的六连形结构，能导电，但硬度低。你知道二者“性格迥异”的原因吗？绝大多数(约占85%)金属属于三种简单晶格类型。1.体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是两个（1/8×8+1=2），如图所示。具有这种晶格的金属有α—Fe、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)、铌(Nb)等约30种。原子排列模型晶胞原子个数2.面心立方晶体

面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是四个（1/8×8+1/2×6=4），如图所示。具有这种晶格的金属有γ—Fe、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)等。原子排列模型晶胞原子个数3.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是六方柱体,在六方柱体的12个顶角和上、下底面中心各有一个原子。另外在上、下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个（1/6×12+1/2×2+3=6），如图所示。具有这种晶格的金属有α—Ti、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。原子排列模型晶胞原子个数即使是相同原子构成的晶体，只要原子排列的晶格形式不同，则它们之间的性能也存在很大的差别，如金刚石和石墨就是典型的例子

只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体。

多晶体是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界。单晶体多晶体单晶体和多晶体三、单晶体与多晶体观看视频思考：什么是单晶体？什么是多晶体？四、晶体的缺陷

晶体缺陷——由于各种原因，实际晶体中原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性。常见的晶体缺陷观看视频思考：晶体有哪些缺陷？

按照晶体缺陷的几何形态特征，常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种，其对性能的影响见下表。注：金属的性能主要包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能等，这里主要指材料在受到外力作用时表现出的强度、硬度等力学性能的改变。

结晶——金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程。§1-2纯金属的结晶结晶潜热——结晶的过程中放出的热量。*一、纯金属的结晶过程

过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差（△T=T0－

T1）。金属结晶时，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度△T也就越大。金属的结晶过程由晶核的产生(形核)和生成枝晶(长大)两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。金属结晶过程示意图二、晶粒大小对金属材料的影响从图中不难看出，形核率越高，长大速率相对增长较慢，则结晶后的晶粒越细，因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速率的方法来细化晶粒。核率、长大速率与过冷度的关系形核率——单位时间、单位体积所形成的晶核数，用字母

N表示。

强调：晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。1.增加过冷度金属结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。2.变质处理即在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂，以提高形核率。3.振动处理金属在结晶时，对液态金属采取机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎而细化，破碎的枝晶还可作为结晶核心，从而达到提高形核率、阻碍晶粒长大的双重目的，以细化晶粒。四、同素异构转变

大多数金属结晶完成后晶格类型就不会再发生变化，但也有少量金属(如铁、钴、钛、锡、锰等)在结晶为固态后，再继续冷却时其晶格类型还会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象称为同素异构转变或同素异晶转变。

如图所示，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ—Fe继续冷却到1394℃时,发生同素异构转变，由体心立方晶格的δ—Fe转变为面心立方晶格的γ—Fe再冷却到912℃时，由面心立方晶格的γ—Fe转变为体心立方晶格的α—Fe上述转变过程可由下式表示:纯铁的同素异构转变冷却曲线图注：α:阿尔法