工程材料与热处理 教学课件 作者 黄晓明 第2章 晶体结构.ppt

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1、第二章金属学及热处理基础2.1金属的结构与结晶一、金属晶体结构1、晶体和非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、石墨及固态金属等。2．金属晶体的结构晶体中原子在空间是按一定规律堆砌排列的。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结点。结点晶胞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。晶格常数晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用Å

2、来度量（1Å=10-8cm）。晶格常数a=b=c，而α=β=γ=90o的晶胞为简单立方晶胞。金属的种类很多，而且它们的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的有三种晶格类型：⑴体心立方结构;⑵面心立方结构;⑶密排六方结构最常见的晶格类型a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。1、体心立方晶格b）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。c）致密度0.68b）每个体心立方晶胞中仅包含4个原子。2、面心立方晶格a）原子分布在各个结点及上下两个正六方c）致密度0.74面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。3

3、、密排六方晶格b）每个密排六方晶胞中包含6个原子。c）致密度0.74属于这类晶格的金属有：α-Fe、Cr、V、W、Mo等。属于这类晶格的金属有：γ-Fe、Al、Cu、Pb等。属于这类晶格的金属有：Mg、Zn等。晶格致密度三种晶格中原子排列的紧密程度：面心立方和密排六方晶格致密度均为0.74；体心立方晶格的致密度为0.68。体心立方、面心立方、密排六方晶格密度比较3金属的实际晶体结构1、单晶体和多晶体工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体，每个小晶体称为晶粒。如果一整块金属仅由一个晶粒组成，则称为单晶体。反之则为多晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的界面。显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形

4、态和分布。2、晶体缺陷在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按缺陷的几何形态分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。1）点缺陷：空位和间隙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。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度。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：晶界和亚晶界晶界是晶粒与晶粒

5、之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。二、金属的结晶1、结晶液态转变为固态的过程称为凝固。液态金属的凝固过程就称为结晶。2、冷却曲线与过冷度12))冷过却冷曲度线：是温度与TT0时间的图关中系T曲为线理，论可结用晶来温描度，温0度T述金属的结晶规律。通过热n金属实际结晶温度(Tn)总是低分析法测量绘制，即使熔化于理论结晶温度的现象，称为ΔT=T0—Tn后的液体金属缓慢冷却，每过冷现象。而隔一定时间记录下温度值，将温度过T和冷对度应ΔT时=T间0—t绘T制n成T-t曲线。时间t2、结晶的过程晶核的形成和长大过程4、

6、金属结晶后的晶粒大小晶粒大小控制:晶核数目:多—细(晶核长得慢也细)冷却速度:快—细(因冷却速度受限,故多加外来质点)晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.细化晶粒的方法一般来说，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。1、过冷度大：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶粒愈细。2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。三、

7、二元合金相图㈠、合金及其结构1、合金由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。2、组元组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。3、显微组织在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。3、合金系合金系是指有相