第二章 工程材料的组织结构

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1、第二章工程材料的组织结构是什么因素影响材料的性能呢？如果掌握影响材料性能的因素，我们改变这些因素，不就能改变材料的性能了吗？那么，我们不就能更好的合理选材和使用材料了吗！实验研究表明，材料的性能主要取决于其化学成分和内部结构，材料的成分不同其性能也不同，同一成分的材料可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能。因此，研究机械工程材料的结构及组织状态，对于生产、加工、使用现有材料和发展新型材料均具有重要意义。§2-1纯金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固体物质可分为晶体与非晶体两类。晶

2、体是指其内部的原子按一定几何形状作有规则的周期性排列，如金刚石、石墨及固态金属与合金都是晶体。非晶体内部的原子无规则地排列在一起，如松香、沥青、玻璃等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。1、晶体结构的基本概念晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。（1）晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列的空间几何图形。晶格中直线的交点称为结点。（2）晶胞——能代表晶格特征的最小几何单元。（3）晶格常数——各种晶体由于其晶格类型与晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。2、常见金属的晶格类型

3、（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列一个原子，立方体中心有一个原子。属于这种晶格类型的金属有α铁、Cr（铬）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）等。（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、Al（铝）、Cu（铜）、Ni（镍）、Au（金）、Ag（银）等。（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶点和上、下面中心各排列一个原子，六方柱体的中间还有三个原子。属这种晶格类型的金属有Mg（镁）、Zn（

4、锌）、Be（铍）、α-Ti等。晶格类型不同，原子排列的致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）也不同。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。二、实际金属的晶体结构1、多晶体结构实际金属都是多晶体，即是由很多单晶体组成的，即使体积很小，其内部仍包含许多小晶体。晶粒：外形不规则的小晶体。晶界：多晶体材料中相邻晶粒的界面。实际金属是各向同性的。宏观组织：显微（或微观）组织：晶体的组织易随材料的成分及加工工艺而变化，是一个影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。2、晶体的缺陷实际的金属晶体结构不仅是多晶体，且原子的排列并不像理

5、想晶体那样规则和完整。晶体缺陷：包括点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。（1）点缺陷晶格空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成空着的位置。间隙原子：在其它晶格空隙处出现多余原子而形成间隙原子。点缺陷的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围原子离开了原来的平衡位置而发生靠拢或撑开，因此明显可知发生歪曲，造成晶格畸变，使金属的强度和硬度提高，而间隔性和韧性降低。空位和间隙原子不是固定不变的。当空位周围的某个原子获得足够的振动能量时，它就会脱离原来的位置而进入空位，而在原来的位置上形成新的空位，这就是空位运动。同理，间隙原子也可以从这一间

6、隙跑到另一间隙。这种空位或间隙原子的运动，是化学热处理时原子扩散的重要方式。图2-8金属强度与位错密度的关系（2）线缺陷是指在晶体中呈线状分布（在一个方向上尺寸很大，另两个方向上尺寸很小）的缺陷，常见的线缺陷是各种类型的位错。位错：既是指在晶体中有一层或几层原子发生有规律的排错位置的缺陷。位错常见的有刃型位错和螺型位错，其中刃型位错是一种比较简单的位错。晶体中位错的数量可用位错的密度来表示。位错密度对材料性能的影响（特别是对力学性能的影响）比点缺陷要大，如图2-8所示。(3)面缺陷面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上的尺寸很

7、大，在第三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。多晶体中各相邻晶粒位向不同，所以晶界处实际是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层原子排列不规则，使明显可知处于歪扭畸变状态。每个晶粒内部晶格位向也不像理想那样完全一致,而是存在许多位向很小（一般2°～3°）尺寸也很小的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”（又称为嵌镶块或亚结构）。两相邻亚晶粒的界面称为“亚晶界”。亚晶界是由许多位错组成小角度晶界，其原子排列不规则，也产生晶格畸变。这种具有亚晶粒与亚晶界的组织称为亚组织。综上所述，实际晶体内部存在各种缺陷

8、，在缺陷处及其附近，晶格均处于畸变状态，直接影响到金属的力学性能，使金属的强度、硬度有所提高。三、纯金属的结晶金属材料的生产一般都是要经过由液态到固态的凝固过程，如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。由于固态金属大都是晶体，所以金属凝固的