机械制造基础- 课件 第二章 金属的晶体结构与结晶

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是相同的金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。如用高碳钢制造的锉刀，没有淬火时硬度不高，经淬火后可以使锉刀具有很高的硬度和耐磨性。金属材料力学性能上的这种差异是由其化学成分和组织结构所决定的。为了合理应用金属材料，必须首先了解金属材料的成分、组织结构和性能之间的关系。一、晶体与非晶体1.非晶体指组成物质的原子不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体材料往往没有固定的熔点，随着温度的升高，固态非晶体将逐渐变软，最终成为有流动性的液体。液体冷却时逐渐稠化，最终变成固体。非晶体在各个方向的性能是相同的，即所谓各向同性。2.晶体晶体是指组成物质的原子在空间按一定规律周期重复地排列的固体。晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。二、晶体结构的基本概念1.晶格原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。2.晶胞晶格是由许多形状、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。（a）晶体内部原子排列；（b）晶格；（c）晶胞三、金属晶格的类型1.体心立方晶格晶胞中实际原子数为1/8×8+1=2（个）。属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-铁（α-Fe）等金属。金属材料性能：其强度较大而塑性相对较差一些。图2-2体心立方晶格晶胞示意图2.面心立方晶格三、金属晶格的类型图2-3面心立方晶格晶胞示意图晶胞中实际原子数为1/8×8＋1/2×6=4（个）。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-铁(γ-Fe)等金属。金属材料性能：其强度较低而塑性很好。三、金属晶格的类型3.密排六方晶格图2-4密排六方晶格晶胞示意图

晶胞中实际原子数为1/6×12＋1/2×2＋3=6（个）。

属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）及锌（Zn）等。这类金属强度和塑性都不好，脆性较大。

金属的结晶是指金属自液态冷却转变为固态的过程，也就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子呈规则排列的晶体状态的过程。金属结晶时形成的铸态组织，不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后所形成的材料的性能。因此，掌握结晶规律可以有效地控制金属的结晶过程，从而获得性能优良的金属材料。一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件金属结晶的温度和结晶过程的规律通过热分析法进行研究。图2-5热分析法装置示意图图2-6纯金属冷却曲线一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件当液体金属缓慢冷却到a点时，液体金属开始结晶，到b点结晶终了，a～b两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢的冷却条件下（即平衡条件）的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度，称为理论结晶温度，用T0表示。一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件金属实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（T0）的现象称为“过冷”现象。理论结晶温度和实际结晶温度之差（△T），称为过冷度（△T＝T0－T1）。过冷是金属能够自动进行结晶的必要条件。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。图2-7纯金属实际结晶时的冷却曲线2.纯金属的结晶过程

实验证明，纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有，由小变大的过程，即晶核的形成与长大的过程。图2-8纯金属结晶过程示意图一、纯金属的结晶过程二、纯铁的同素异晶转变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晶转变。同素异晶转变也是形核长大过程。图2-9纯铁的冷却曲线纯铁发生同素异晶转变时，金属的体积也发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.实际金属的晶体结构

金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。多晶体材料是指一块金属材料中包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。图2-10金属的晶体结构示意图（a）单晶体（b）多晶体2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷晶体中原子排列不规则的区域，称为晶体缺陷。（1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）

晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。当异类原子占据晶格的位置时，称此异类原子为置换原子。

点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷（2）线缺陷（位错）线缺陷是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，位错的主要类型有螺型位错和刃型位错。位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散和相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。位错的产生会使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷（3）面缺陷（晶界、亚晶界）

在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界。（a）晶界（b）亚晶界四、晶粒大小与细化晶粒的方法1.增加过冷度增加过冷度能使晶粒细化。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小，就是因为金属型浇注散热快，过冷度大的缘故。这种方法只适用于小型铸件。图2-14形核率和长大速度与过冷度的关系四、晶粒大小与细化晶粒的方法2.变质处理在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂（又称孕育剂），以增加形核率或降低晶核长大速度，获得细小的晶粒，这种方法称为变质处理（或孕育处理）。变质处理是生产中最常用的细化晶粒的方法。3.振动处理金属在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作为结晶核心，增加形核率，达到细化晶粒的目的。一、概念1.合金：是由一种金属元素为主导，加入其他金属或非金属元素，经过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。具有优良的综合性能，应用广泛。2.组元：是组成合金的最基本的独立物质，简称元。组元可以是金属或非金属元素。有时较稳定的化合物也可以构成组元。3.相：合金中具有同一种化学成分且其晶体结构及性能相同的均匀组成部分称为相。液态物质称液相，固态物质称固相。4.合金组织：数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织。组织可由单相组成，也可由多相组成。合金的性能一般由组成合金各相的成分、结构、形态、性能及各相的组合形式共同决定，组织是决定材料性能的最终关键因素。二、合金的相结构1.固溶体合金由液态结晶为固态时，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称为固溶体。其中，溶入的元素称为溶质，而基体元素(占主要地位)称为溶剂。固溶体的晶格类型仍然保持溶剂的晶格类型根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。二、合金的相结构(1)间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体。间隙固溶体的溶质都是些原子半径很小的非金属元素，如碳、硼、氢等。由于溶剂晶格本身的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限的固溶体。二、合金的相结构(2)置换固溶体溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小，则溶解度越大。无沦是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶体的晶格发生畸变。晶格畸变使位错运动阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，但塑性下降，此现象称为固溶强化。二、合金的相结构2.金属化合物金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相，其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。3.机械混合物若组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

表示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。合金相图是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。一、二元合金相图的建立

建立相图最常用的实验方法是热分析法、膨胀法、射线分析法等。下面以铜镍合金系为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。图2-16Cu-Ni合金冷却曲线及相图建立二、匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。三、共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。四、包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。图2-19Pt-Ag合金相图五、共析相图图2-20共析相图六、合金的性能与相图的关系1.合金的力学性能和物理性能相图能够反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。图2-21合金的使用性能与相图关系六、合金的性能与相图的关系2.合金的铸造性能液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得优质铸件。图2-22合金的铸造性能与相图关系一、金属的塑性变形1.单晶体的塑性变形（1）滑移单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。图2-23单晶体拉伸示意图实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的。图2-24通过位错实现滑移示意图（2）孪生单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面)及晶向(孪生方向)产生剪切变形。一、金属的塑性变形1.单晶体的塑性变形图2-25孪生过程示意图2.多晶体的塑性变形一、金属的塑性变形（1）晶格位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的塑性变形抗力增大。图2-26多晶体塑性变形示意图2.多晶体的塑性变形一、金属的塑性变形（2）晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列混乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，多晶体往往表现出竹节状变形。

图2-27两个晶粒试样在拉伸时的变形二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1.冷塑性变形对金属组织的影响图2-28冷加工纤维组织（a）变形前晶体组织（b）变形后晶体组织形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向)的力学性能高于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，使金属在冷塑性变形后其内部存在着残留应力。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响2.冷塑性变形对金属性能的影响随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化。3.冷塑性变形使金属产生残余应力降低工件的承载能力、使工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐蚀性等，但残留压应力可使金属的疲劳强度提高。热处理可以消除冷塑性变形后金属内部的残余应力。4.冷变形强化在生产中的影响可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。三、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化图2-29冷变形金属加热时组织和性能的变化1.回复冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。三、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化图2-29冷变形金属加热时组织和性能的变化2.再结晶再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。使冷塑性变形金属的组织与性能基本