机械工程材料电子

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1、第2章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.2纯金属的结晶2.3金属的同素异构转变2.1金属的晶体结构2.1.1晶体的概念物质都由原子构成。自然界的固态物质，根据其内部原子的聚集状态不同，可分为晶体和非晶体两大类。在物质内部，凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。绝大多数金属在固态下一般均属于晶体，如纯铁、纯铝、天然金刚石等。相反，凡原子呈无序堆积状态的，称为非晶体，例如沥青、普通玻璃、松香、树脂等，均属于非晶体。晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。下一页返回2.1金属的晶体结构2.1

2、.2晶体结构的基础知识1.晶格和晶胞通过X射线分析法得知,晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体，如图2-1所示。下一页上一页返回图2-1晶体内部原子排列示意图返回2.1金属的晶体结构为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，如图2-2（a）所示。由图2-2（a）可见，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

3、晶胞，如图2-2（b）所示。下一页上一页返回图2-2晶格和晶胞示意图返回2.1金属的晶体结构2.晶面和晶向在晶体中由一系列原子组成的平面,称为晶面。如图2-3所示为简单立方晶格的一些晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如图2-4所示。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。下一页上一页返回图2-3立方晶格中的一些晶面返回图2-4立方晶格中的几个晶向返回2.1金属的晶体结构2.1.3金属晶格的类型金属的晶格类型很多,但绝大多数(占85%)

4、金属属于下面3种晶格。1.体心立方晶格它的晶胞是一个立方体,原子位于立方体的8个顶角上和立方体的中心,如图2-5所示。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。下一页上一页返回图2-5体心立方晶胞返回2.1金属的晶体结构2.面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的8个顶角上和立方体6个面的中心，如图2-6所示。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。下一页上一页返回图2-6面心立方晶胞返回2.1金属的晶体结构3.密排六方晶格它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和

5、上、下底面的中心，另外3个原子排列在柱体内，如图2-7所示。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）及锌（Zn）等。下一页上一页返回图2-7密排六方晶胞返回2.1金属的晶体结构2.1.4金属晶体结构的缺陷⑴点缺陷:最常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等，如图2-8所示。由于点缺陷的出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”的现象，这种现象称为晶格畸变。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、硬度和电阻增加，体积发生变化。晶格畸变也是强化金属的手段之一。下一页上一页返回图2-8点缺陷示意图返回2.1金属的晶体结构⑵线缺陷：线缺陷主要指的是位错。最常见的位

6、错形态是刃形位错，如图2-9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刃形位错，在位错线附近一定范围内，晶格发生了畸变。下一页上一页返回图2-9刃形位错晶体结构示意图返回2.1金属的晶体结构⑶面缺陷：通常指的是晶界和亚晶界。如图2-10和图2-11所示。实际金属材料都是多晶体结构，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。晶界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性，例如，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。亚晶界处原子排列也

7、是不规则的，其作用与晶界相似。上一页返回图2-10晶界的过渡结构示意图返回图2-11亚晶界示意图返回2.2纯金属的结晶2.2.1纯金属的冷却曲线及过冷度金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究,如图2-12所示为热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度，时间坐标图中，便获得纯金属的冷却曲线，如图2-13所示。下一页返回图2-12热分析