金属学与热处理教学课件作者李新领第二章.ppt

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1、第二章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.2金属的结晶2.3金属的同素异构转变2.1金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(离子或分子)的排列是否有序，可分为晶体与非晶体两大类。在物质内部，凡原子(离子或分子)在三维空间呈有序、有规则排列的物体称为晶体。自然界中绝大多数固体都是晶体，如常用的金属材料、水晶、氯化钠等。在物质内部，凡原子(离子或分子)在三维空间呈无序堆积状况的物体称为非晶体。如普通玻璃、松香、石蜡等。由于原子排列方式不同，晶体与非晶体的性能也有差异。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，性能表现为各向同性。下一页返回2.1金

2、属的晶体结构二、晶体结构的概念1.晶格和晶胞在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性有规则排列的，不同晶体的原子排列规律不同。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似看做是一个个刚性小球，则金属晶体就是由这些刚性小球排列而成的物体，如图2-1所示。由于这种图形不便于分析晶体中原子的空间位置，因此，可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。把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。由上图可见，晶格由许多形状、大小相同的最小几何单元在三维空间重复堆积而成。这个最小几何单元即可表示出原子的排列规律，人们把能够完全

3、反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-2(b)所示。上一页下一页返回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中心所构成的平面，称为晶面。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。由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子之间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性不仅表现在力学性能上，还表现在物理性能和化学性能上，并在下业生产中有着一定的应用。三、金属晶格的类型1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一

4、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。每个晶胞中实际含有的原子数为1+8×1/8=2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr),钒(V)、钨(W)、钼(Mo),α—铁(α—Fe)等金属。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的8个顶角上和立方体的6个面的中心，如图2-6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为8×1/8+6×1/2=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(P6),镍(Ni)、金(Au)、银(Ag),γ一铁(γ一Fe)等金属。3.密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是

5、一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外3个原子排列在柱体内，如图2-7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为12×1/6+2×1/2+3=6个。有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。上一页返回2.2金属的结晶金属材料的成型通常需要熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属结晶的过程及规律，对于控制材料内部组织和性能都具有重要意义。一、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，图2-8是热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成

6、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一时间坐标图中，便获得纯金属的冷却曲线，如图2-9所示。由冷却曲线可见，液体金属随着冷却时间的延长，热量不断向外界散失，温度不断下降。当冷却到a点，液体金属开始结晶，随冷却时间的延长温度并不降低，在冷却曲线上出现了一个平台。下一页返回2.2金属的结晶这是由于结晶过程中释放出来结晶潜热补偿了向外界散失的热量，导致结晶时温度不随时间的延长而下降，直到b点结晶终了。a一b两点之间的水平线即为结晶阶段，这个平台所对应的温度就是纯金属的结晶温度。金属结晶终了后，温度又继续下降。纯金属在无限缓

7、慢的冷却条件下的结晶温度称为理论结晶温度，用Tm表示。在实际生产中，由于结晶时有较快的冷却速度，使液态金属在低于理论结晶温度的某一温度Tn下进行结晶，如图2-10所示。金属的实际结晶温度(Tn)低于理论结晶温度(Tm)的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，即△T=Tm-Tn。二、纯金属的结晶过程液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些按一定晶格类型排列的微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这些作为结晶核心的微小晶体称为晶核。在晶核长大的同时，液体中又不断产生新的晶核