纯金属结晶和铁碳合金.doc

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1、第2章纯金属的结晶与铁碳合金不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种材料，在不同的条件下其性能也不相同。金属材料之所以具有不同的性能与它的晶体结构有密切的关系。纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。第一节金属的晶体结构一、金属的晶体结构金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为晶体（crystalloid，crystal）与非晶体（noncrystal）两种。非晶体的特点是原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等都是非晶体。晶体的特点是它们的原子

2、都按一定的次序作有规则的排列，如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把每个原子看成一个小球，把这些小球用假想线条连接起来，就得到一个抽象化了的空间格子。这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格（crystallattice）。晶格的最小单元称为晶胞（unitcell）。晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。二、常见的晶格类型常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1.体心立方晶格（BCC（Body-CenteredCubic[lattice]））原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点

3、是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。2.面心立方晶格（FCC（FaceCenteredCubic[lattice]））原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。这类金属的塑性都很好。3.密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的

4、中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。第一节金属的实际晶体结构一、单晶体与多晶体金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。多晶体是由多晶粒组成的晶体结构。晶粒之间的接触面叫晶界。如果一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致)就是单晶体。单晶体必须专门人工制作。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性（anisotropy，anisotropism）。普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒

5、的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性（isotropy，isotropism）。二、晶体的缺陷（crystalimperfection）在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷，晶体缺陷对金属的性能有显著影响。晶体缺陷按几何形状可分为：1.点缺陷晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。2.

6、线缺陷线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。在一个晶体的某一面的上半部比下半部多出了一个原子面象刀刃一样插入，称为“刃型位错”。实际金属晶粒内存在有大量的位错，高的位错密度是强化金属的重要途径之一。3.面缺陷面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。多晶体存在有晶界，由于晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，致使该区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全有规则的，而是由许

7、多位向差很小的晶块所组成的。这些小晶块称为嵌镶块或亚晶粒。在亚晶粒内部的原子排列位向是一致的。但在亚晶粒的交界面，即亚晶界处也存在着晶格畸变。应当指出，晶体缺陷不等于人们常说的缺点。金属材料中晶体缺陷的存在对金属的性能有着重大的影响。第三节金属的结晶过程和同素异构转变一、金属的结晶过程(一)结晶过程的基本概念各种机械零件的制造工艺一般是浇铸成型或先浇铸成铸锭后再经冷热加工而成，所以了解金属由液态转变为固态晶体