金属工艺学 第2章 金属与合金的晶体结构与结晶

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1、金属工艺学主讲人：2.1金属的晶体结构2.2金属的结晶2.3合金的晶体结构2.4合金的结晶目的要求：掌握三种典型的金属晶体结构，掌握纯金属的结晶过程及结晶后晶粒大小对力学性能的影响，掌握合金的组织了解合金的结晶过程能。重点：三种典型的金属晶体结构结晶后晶粒大小对力学性能的影响合金的组织难点：合金的结晶第二章金属与合金的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构一基本概念:固体物质按原子排列的特征分为:晶体:原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性.非晶体:原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性如:金属,合金,金刚石—晶体 玻璃,松香沥青—非晶体2.1.1晶体结构的基本知识1.晶格:为了便于表

2、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。2.结点:晶格中每个点叫结点。3.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。4.晶格常数:晶胞中各棱边的长度(及夹角),以A(1A=10-8cm)度量金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.5.原子半径:金属晶体中最邻近的原子间距的一半。6.致密度：金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数。2.1.2常见晶格类型体心立方晶格:Cr,W,α-Fe,Mo,V等,特

3、点:强度大,塑性较好,原子数:1/8X8+1=2面心立方晶格:Cu Ag Au Ni AlPbγ-Fe塑性好原子数:4密排六方晶格:MgZnBe β-Crα-TiCd(镉)纯铁在室温高压(130x108N/M2)成ε-Fe原子数=1/6x12+1/2x2+3=6,三种常见的金属的晶格类型：体心立方;面心立方;密排六方1、体心立方晶格a）其晶胞形状为立方体，a=b=c，á=â=ã=90°b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。c）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。属于这类金属的有：á-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo、K、Na等。2、面心立方晶胞a）其晶胞为立方体。b）原子分布在立方体的各

4、个结点及各面的中心处。c）每个晶胞中含有4个原子。3、密排六方晶格a）其晶胞形状为六方柱体。b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。属于这类金属的有：Mg、Zn、Cd、Be等。2.1.3金属实际的晶体结构单晶体-晶体内部的晶格方位完全一致.多晶体—许多晶粒组成的晶体结构.各项同性.晶粒—外形不规则而内部晶各方位一致的小晶体.晶界—晶粒之间的界面.晶体缺陷1）点缺陷：空位和间隙原子空位和间隙原子的运动，是金属晶体中原子扩散的主要方式之一。金属的固态相变和化学热处理过程均依赖于原子的扩散。2）线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的

5、错排现象，最简单的位错是刃型位错和螺型位错。位错对金属的性能有着重要影响。3）面缺陷：主要指晶界和亚晶界a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为晶界强度高。b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往在晶界处形核。c）晶界处有许多的空位，原子沿晶界扩散速度快。d）抗腐蚀性能差，电阻较高和熔点较低等。2.2金属的结晶2.2.1纯金属结晶ºCLT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）2.2.2纯金属结晶过程结晶的必要条件----过冷度金属的结晶过程：原子团形核晶核长大小晶粒晶粒（外形不规则的小晶体）细化晶粒的方法细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷

6、度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。铸锭组织（1）表面细晶粒层（2）柱状晶粒层（3）中心等轴晶粒区2.3合金的晶体结构2.3.1合金的概念1、合金合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。2、组元组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。3、合金系合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4、相相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。例如：单一的液.;单一的固相；液相、固相两相共存；问题：水

7、、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？固溶体1、固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。2、金属化合物合金元素间相互作用而形