金属工艺学（第2版）教学课件作者张兆隆第2章.ppt

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1、第二章　金属的晶体结构与结晶第一节　纯金属的晶体结构第二节　纯金属的结晶第三节　合金的晶体结构第四节　二元合金相图第五节　金属的塑性变形与再结晶返回第一节　纯金属的晶体结构一、晶体与非晶体物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。二、晶体结构的基本概念１.晶格晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把金属内部的原子近似地看成是刚性小球，则金属晶体就可看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成的物体，如图２－１（ａ）所示。下一页返回第一节　纯

2、金属的晶体结构为形象地描述晶体内部原子的排列规律，可以将原子抽象为一个个的几何点，用假想的线条将这些点连接起来，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称为晶格，如图２－１（ｂ）所示。２.晶胞由图２－１（ｂ）可知，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晶胞，如图２－１（ｃ）所示。上一页下一页返回第一节　纯金属的晶体结构三、金属晶格的类型由于金属中原子之间的结合力较强，且无方向性，所以在金属晶体中，原子有总是趋于结合得

3、最紧密的特性。工业上常用的金属中，除少数具有复杂晶体结构外，室温下有８５％～９０％金属的晶体结构都属于比较简单的三种类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。上一页返回第二节　纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程金属材料的成型通常需要经过熔炼和铸造，即经历由液态变成晶体状态的结晶过程。下面以纯金属为例，说明金属的结晶过程。１.金属结晶的条件金属结晶的温度和结晶过程的规律可以通过热分析法进行研究，热分析法装置如图２－５所示。将熔化为液体的纯金属缓慢冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，

4、将记录下来的数据描绘在温度—时间的坐标图中，绘制成表示金属结晶过程的曲线，称为金属的冷却曲线，如图２－６所示。下一页返回第二节　纯金属的结晶由冷却曲线可见，当液体金属缓慢冷却到ａ点时，液体金属开始结晶，到ｂ点结晶终了，ａ～ｂ两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢冷却条件下（即平衡条件）的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度，称为理论结晶温度，用Ｔ０表示。在实际生产中，金属结晶时的冷却速度较快，液态金属总是冷却到理论结晶温度以下的某一温度Ｔ１才开始结晶，

5、如图２－７所示。金属实际结晶温度（Ｔ１）低于理论结晶温度（Ｔ０）的现象称为“过冷”现象。上一页下一页返回第二节　纯金属的结晶理论结晶温度和实际结晶温度之差（ΔＴ），称为过冷度（ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１）。过冷是金属能够自动进行结晶的必要条件，金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。２.纯金属的结晶过程实验证明，纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有、由小变大的过程，即晶核的形成与长大的过程。二、纯铁的同素异晶转变大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数

6、金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。同素异晶转变也是形核长大过程。上一页下一页返回第二节　纯金属的结晶图２－９所示为纯铁的冷却曲线，其表示了纯铁的结晶和同素异晶转变过程。由图可见，液态纯铁在１５３８℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ－Ｆｅ，继续冷却到１３９４℃时发生同素异晶转变，体心立方晶格δ－Ｆｅ转变为面心立方晶格γ－Ｆｅ，再继续冷却到９１２℃时又发生同素异晶转变，面心立方晶格γ－Ｆｅ转变为体心立方

7、晶格α－Ｆｅ，如继续冷却到室温，则晶格的类型不再发生变化。纯铁的同素异晶转变是钢铁材料通过热处理改变其组织并获得所需性能的理论依据。纯铁发生同素异晶转变时，金属的体积也发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如γ－Ｆｅ转变为α－Ｆｅ时，铁的体积会膨胀约１％，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。上一页下一页返回第二节　纯金属的结晶三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷１.实际金属的晶体结构金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，如图２－１０（ａ）所示。单晶体在自然界几乎不存在，但可用人工

8、方法制成某些单晶体（如单晶硅、冰糖）。单晶体具有各向异性的特点，但工业上实际使用的金属材料，一般不具有各向异性，这是因为实际应用的金属材料通常是多晶体材料。多晶体材料是指一块金属材料中包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图２－１０（ｂ）所示。上一页下一页返回第二节　纯金属的结晶在多晶体中，由于每个晶粒的晶格位向不同，所以晶界上原子的排列总是不规则的。多晶体金属之所以测不出各向异性