材料成型基础 教学课件 作者 宋金虎 胡凤菊 1_ 2.ppt

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1、第2章金属材料结构的基本知识常温下、固态的金属大多数都是晶体结构，不同的金属材料具有不同的力学性能，不同的力学性能取决于金属材料的内部组织结构，而内部组织结构是由金属材料的化学成分组成和加工工艺所决定。因此，研究金属材料首先就应从晶体结构开始，了解金属内部结构对金属性能的影响，做到合理选择和加工金属材料。2.1金属的晶体结构与结晶2.1.1晶体的基本概念1．晶体与非晶体自然界固态物质按组成质点（原子、分子和离子）的空间排列位置，可分为晶体和非晶体两大类。在物质内部，凡是原子（离子或分子）按一定秩序有规则排列的物质称为晶体；如固态的金属、金刚石、合金等。晶体具有固定的熔点

2、和各向异性的特征。若是原子（离子或分子）呈无序堆积状况排列的物质称为非晶体；如玻璃、松香、石蜡等。非晶体没有固定的熔点，且各向同性。自然界中绝大多数的固体是晶体，由于各原子间的相互吸引力与排斥力相平衡使晶体具有规则的、规律性原子排列形式。有时能见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐及黄铁矿等，而金属晶体一般看不到这样规则的外形的。2．晶格、晶胞、晶格常数不同的晶体其内部的原子可按不同方式规则地排列。通常把晶体中原子规则排列的方式称为晶体结构。图2.1为最简单的金属晶体结构示意图。（a）晶体中的原子排列（b）晶格（c）晶胞图2.1简单的金属晶体结构示意图为形象地

3、描述各种晶体中的原子排列规律，可将晶体中的原子看成一个个小圆球，如图2.1（a）所示。通过原子中心用一些假想连线把它们连接起来，并将每个原子视为一个质点，这样就构成了有明显规律性的空间格子，如图2.1（b）所示。这种构成有明显规律性的空间格架，称为晶格。空间格架中各连线的交点称为“结点”，结点上的小圆圈（或质点）表示原子的中心。如图2.1（c）所示，在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律，这个最小几何单元称为晶胞。晶胞的几何特征可用晶格常数来表示，即晶胞的三条棱边长度a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ六个参数来表示。当晶

4、格常数a=b=c,晶轴间夹角α=β=γ=900时，称这种晶胞为立方体晶胞。具有立方体晶胞的晶格叫立方晶格。立方晶格只需要用一个晶格常数（a）就可以表示晶胞的大小和形状。2.1.2三种常见的晶体结构金属的晶格类型很多，但绝大多数的金属属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3种典型的晶体结构。1．体心立方晶格如图2.2所示，体心立方晶格的晶胞的形状为一立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。体心立方晶格的晶胞八个顶角的原子与晶格中邻近的8个晶胞所共有，晶胞中心有一个原子。为此，体心立方晶格的每个晶胞的原子数为：1/8×8+1=2个。具有体心立方晶格的金属有铬

5、（Cr）、钨（W）、钒（V）铁（α-Fe）等，这类金属一般具有较高的强度和良好的塑性。图2.2体心立方晶胞示意图2．面心立方晶格如图2.3所示，面心立方晶格的晶胞的形状为一个立方体，其原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。面心立方晶格的晶胞八个顶角的原子与晶格中邻近的8个晶胞所共有,六个面的中心原子各为邻近2个晶胞所共有。为此，面心立方晶格的每个晶胞的原子数为：1/8×8+1/2×6=4个。具有面心立方晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍(Ni)、铁(γ—Fe)等，这类金属具有良好的塑性。图2.3面心立方晶胞示意图3．密排六方晶格如图2.4所示，密排六方晶格

6、的晶胞是一个正六方柱体,其原子排列在十二个顶角上和上、下底面的中心,另外三个原子排列在晶胞的柱体内。密排六方晶格的晶胞的十二个顶角上原子与晶格中邻近的6个晶胞所共有，上、下底面的中心的原子各为邻近2个晶胞所共有，晶胞的柱体内有三个原子。为此，密排六方晶格的每个晶胞的原子数为：1/6×12+1/2×2+3=6个。属于这种晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等。除以上3种晶格以外，少数金属还有其它类型的晶格结构。图2.4密排六方晶格示意图2.1.3金属晶体结构缺陷工程上实际使用的金属材料一般是多晶体结构。绝大部分并非是理想的单晶体材料，而是由大量外形不规则的小晶体

7、即晶粒组成的。这些金属材料在相同条件下具有相同的晶体结构，但晶体晶格的位向是不同的。只有通过专门的加工，才能获得晶格的位向完全一致的晶体，即单晶体。由于受到各种因素的影响，使得实际金属原有规律的原子排列方式受到干扰，这种原子排列不规则的部位和区域称为金属的晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷3类。1．点缺陷点缺陷是晶体内部空间尺寸很小的缺陷，最常见的缺陷有晶格空位和间隙原子。若在晶格的某些空隙处可出现多余的原子或挤入外来原子的这种缺陷，称为间隙原子。而晶格上应该有原子的地方没有原子，晶格中出现“空穴”的这种