03讲 金属的晶体结构

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1、《机械制造技术基础》教案教学内容：金属的晶体结构教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．了解晶体结构的基本知识；2．掌握三种典型的晶体结构；明确金属实际晶体结构；3．掌握晶体缺陷类型及其对金属性能的影响；4．了解合金的概念，掌握合金的相结构及对合金性能的影响。重点、难点：典型晶体结构晶体缺陷类型及其对金属性能的影响教学过程：1.2铁碳合金1.2.1金属的晶体结构与结晶不同的金属才来自具有不同的力学性能；即使是成分相同的材料，当经过不同的热加工或冷变形加工后性能也会有很大的差异。材料性能上的差异主要取决于金属内部原子排列规矩和结构缺陷。1.2.1.1

2、金属的晶体结构1．金属是晶体固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体：原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。晶体：原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。两者的性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。2．晶体结构的基本概念晶体中原子排列情况——晶体中原子在空间中是按一定规律堆砌在一起的。•晶格为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。•结点晶格中每个点叫

3、结点。•晶胞晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。在研究各种金属的晶体结构时，一般取出它的晶胞来研究就可以了。•晶格常数晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用Å来度量（1Å=10-8cm）。•致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。3．三种典型的晶体结构1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。它的

4、晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。1.2.1.2金属的实际晶体结构1．单晶体和多晶体单晶体：金属结构是理想的结构，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和

5、方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。金属的多晶体结构：实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图2-3所示。这种外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。实践表明，在每个晶粒内部，晶格位向也有位向差（1°～2°），这些位向差很小的小晶块嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚晶或亚结构，亚晶之间边界称为亚晶界。2．晶体缺陷在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它各种因素影响，原子规则排列

6、在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。1）点缺陷晶体缺陷呈点状分布，最常见的点缺陷有晶格空位、间隙原子等，如图2-4所示。由于点缺陷出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象，称为晶格畸变。晶格畸变的存在，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，如强度、硬度增加，它也是强化金属的手段之一。2）线缺陷晶体缺陷呈线状分布，线缺陷主要是指位错。最常见的位错是刃型位错，如图2-5所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上，多出一个半原子面，它如同刀刃一样插入晶体，故称为刃型位错，在位错

7、线附近一定范围内，晶格发生了畸变。3）面缺陷缺陷呈面状分布，通常指的是晶界和亚晶界。实际金属材料是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，如图2-6所示。晶界处原子处于不稳定状态，能量较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特征，如常温下晶界有较高的强度和硬度；晶界处原子扩散速度较快；晶界处容易被腐蚀、熔点低等。晶格畸变：多晶体晶界原子排列不规则，从一种位向过度到另一种位向——晶格畸变。晶格畸变会导致常温下金属材料的强度、硬度的提高。形变强化：用塑性变形使金属得到强化的方法。细晶粒的力学性能细晶

8、粒组织的金属内部，晶界面积大，晶体缺陷多，对金属力学性能影响很大。一般，细晶粒组