第2章C金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、全國高職高專教育規(guī)劃教材全國高職高專教育規(guī)劃教材機械工程材料機械工程材料劉祖其劉祖其 主編主編高等教育出版社高等教育出版社機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)v2.2 金屬中的晶體缺陷金屬中的晶體缺陷v2.3 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.4 合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶合

2、金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶v2.5 綜合練習題綜合練習題機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)v2.1.1晶體與非晶體晶體與非晶體v2.1.2晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶體結(jié)構(gòu)的基本知識機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.1.1晶體與非晶體晶體與非晶體v 所有物質(zhì)都是由原子組成的所有物質(zhì)都是由原子組成的，根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)可分為晶體晶體與與非晶體非晶體兩大類。v 晶體是指原子沿三維空間按一定幾何規(guī)律重復晶體是指原子沿三

3、維空間按一定幾何規(guī)律重復排列成的有序物質(zhì)。排列成的有序物質(zhì)。如圖2-1a所示。晶體具有固定晶體具有固定的熔點和各向異性的特征，而非晶體沒有固定熔點，的熔點和各向異性的特征，而非晶體沒有固定熔點，且各向同性。且各向同性。如金剛石、石墨及一般固態(tài)金屬材料等均是晶體。非晶體是指其組成微粒沒有規(guī)則堆積在一起的物質(zhì)，如瀝青、玻璃、石蠟、松香等都是非晶體。另外，現(xiàn)代科技的發(fā)展，也制成了具有特殊性能的非晶體狀態(tài)的金屬材料。晶體晶體與與非晶體非晶體的的根本根本區(qū)別區(qū)別在于在于原子排列是否規(guī)則原子排列是否規(guī)則。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與

4、結(jié)晶機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(1)(1)金屬鍵金屬鍵 由金屬正由金屬正離子和自由離子和自由電子之間相電子之間相互作用而結(jié)互作用而結(jié)合的方式稱合的方式稱金屬鍵。金屬鍵。金屬鍵示意金屬鍵示意機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（a）晶體中的原子排列 （b）晶格 （c）晶胞圖2-1 簡單立方晶格與晶胞示意圖機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(2)(2)晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體

5、 是指原子沿三維是指原子沿三維空間按一定幾何規(guī)律重復排空間按一定幾何規(guī)律重復排列成的有序結(jié)構(gòu)。列成的有序結(jié)構(gòu)。 特性特性: :具有固定的熔點。具有固定的熔點。單晶體具有各向異性單晶體具有各向異性。 非晶體非晶體 是指原子本身是指原子本身沿三維空間無規(guī)律地垛在沿三維空間無規(guī)律地垛在一起形成的無序結(jié)構(gòu)。一起形成的無序結(jié)構(gòu)。 特性特性: :沒有固定的熔沒有固定的熔點，各向同性。點，各向同性。 圖圖2-1 (a) 2-1 (a) 晶體結(jié)構(gòu)示意晶體結(jié)構(gòu)示意 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.1.2晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶體結(jié)構(gòu)的基本

6、知識v 晶體結(jié)構(gòu)指在晶體內(nèi)部，原子、離子或原子集團規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。v 1.晶格晶格v 2.晶胞晶胞v 3.晶格常數(shù)晶格常數(shù) v 4.常見的晶格類型常見的晶格類型 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.1.晶格晶格 將晶體中的原子（或?qū)⒕w中的原子（或離子）視為幾何結(jié)點，離子）視為幾何結(jié)點，用一些假想的直線從其用一些假想的直線從其中心將各結(jié)點連接起來，中心將各結(jié)點連接起來，形成一個空間幾何格架，形成一個空間幾何格架，這種抽象的、用于描述這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式原子在晶體中排列形

7、式的的空間幾何格架，稱為空間幾何格架，稱為晶格晶格。(b)(b)晶格和晶胞晶格和晶胞 2.2.晶胞晶胞 晶格中能夠完全反映晶晶格中能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元格特征的最小幾何單元. .機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 3.晶格常數(shù)晶格常數(shù)v 把晶胞各棱邊的長度用a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)，其大小通常以埃為計量單位。晶胞各邊之間的相互夾角分別用、表示。a、b、c、稱為晶胞的六個參數(shù)。金屬的晶格常數(shù)一般為1070nm。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與

8、結(jié)晶v 4.常見的晶格類型常見的晶格類型v 根據(jù)這六個晶格常數(shù)的不同，可以把晶格分成七大晶系，十四種空間點陣。在金屬材料中，對已知的80多種金屬元素，大部分金屬的晶體結(jié)構(gòu)都屬于體心立方晶格、面心體心立方晶格、面心立方晶格立方晶格和密排六方晶格密排六方晶格三種類型或表2-1所示。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v （1）體心立方晶格）體心立方晶格v 體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的八個頂八個頂角和角和中心中心各排列著各排列著一個一個原子。原子。如圖2-2所示。其晶格常數(shù)a=b=c。v

9、具有這種晶格的金屬有鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)、鐵(a-Fe)等元素。圖2-2 體心立方晶格示意圖 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v （2）面心立方晶格）面心立方晶格v 面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個八個頂角頂角和和六個面六個面的的中心中心各排列著各排列著一個原子一個原子，如圖2-3所示。具有這種晶格的金屬有金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(-Fe)等。 圖2-3 面心立方晶格示意圖 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等

10、教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v （3）密排六方晶格）密排六方晶格v 密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的的十二個頂角十二個頂角和和上下底面中心上下底面中心各排列著各排列著一個一個原子，原子，另外在上下面之間還有三個原子，如圖2-4所示。具有此種晶格的金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be) 、鈦(-Ti)等。晶格類型不同，原子排列的致密度也不同。晶格類型和晶格常數(shù)發(fā)生變化，將引起金屬體積和物理、化學、力學性能的變化。 圖2-4 密排六方晶格示意圖 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬

11、的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶密排立方晶格示意密排立方晶格示意機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 5.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)v （1）單晶體）單晶體v 是指一塊晶體內(nèi)部的晶格位向是指一塊晶體內(nèi)部的晶格位向(即原子排列的方即原子排列的方向向)完全一致的晶體完全一致的晶體。則稱該塊晶體為單晶體。如圖2-5所示. v （2）多晶體）多晶體v 由多個單晶粒組成的晶體為多晶體由多個單晶粒組成的晶體為多晶體，一般金屬材一般金屬材料都是多晶體。料都是多晶體。多晶體材料中相鄰晶粒的界面稱為晶界。由于多晶體是由許多位向不同的晶粒組成，其性能

12、是位向不同晶粒的平均性能，故具有多晶體多晶體結(jié)構(gòu)的金屬是各向同性的。結(jié)構(gòu)的金屬是各向同性的。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶粒晶粒晶界晶界多晶體多晶體 示意圖示意圖 多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)由多個單晶粒組成的晶體由多個單晶粒組成的晶體為多晶體為多晶體通常鋼鐵材料晶粒尺寸通常鋼鐵材料晶粒尺寸 為為 0.10.001mm顯微組織顯微組織：在顯微鏡下觀察到其形態(tài)、大：在顯微鏡下觀察到其形態(tài)、大小、分布不同的組成物。小、分布不同的組成物。 a)a)單晶體單晶體 b) b)多晶體多晶體圖2-5 單晶體與多晶體示意圖單晶體與多晶體示意圖

13、 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體滑移變形示意圖晶體滑移變形示意圖 單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶位錯運動引起的滑移變形圖位錯運動引起的滑移變形圖機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶多晶體塑性變形示意圖多晶體塑性變形示意圖機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.2

14、金屬中的晶體缺陷金屬中的晶體缺陷v2.2.1常見晶體缺陷及分類常見晶體缺陷及分類v2.2.2晶體缺陷晶體缺陷v 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.2 金屬中的晶體缺陷金屬中的晶體缺陷v2.2.1常見晶體缺陷及分類常見晶體缺陷及分類v 理想晶體應該是原子按一定的次序嚴格理想晶體應該是原子按一定的次序嚴格地處在空間有規(guī)則的、周期性的格點上。地處在空間有規(guī)則的、周期性的格點上。但在實際的晶體中，由于晶體形成條件、原子的熱運動及其它條件的影響，原子的排列不可能那樣完整和規(guī)則，要偏離理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。這些與完整周期性點陣結(jié)構(gòu)的與

15、完整周期性點陣結(jié)構(gòu)的偏離偏離就是就是晶體中的缺陷晶體中的缺陷，它破壞了晶體的對稱性。，它破壞了晶體的對稱性。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位v2.2.2晶體缺陷晶體缺陷v 1.點缺陷點缺陷v 點缺陷：是指在三維空間上的尺寸都很小，不超是指在三維空間上的尺寸都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷過幾個原子直徑的缺陷, 。原子空缺的位置叫空位；存在于晶格間隙位置的原子叫間隙原子，最常見的是晶格空位和間隙原子，如圖2-6所示。 圖2-6點缺陷示意圖 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第

16、第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶線缺陷線缺陷 ：在晶格中呈線：在晶格中呈線狀分布的缺陷。狀分布的缺陷。 ， 線線 缺缺 陷陷v 2.線缺陷線缺陷v 線缺陷：是指三維空間中是指三維空間中在在二維二維方向上方向上尺寸較小尺寸較小，在另，在另一維方面上一維方面上尺寸較大尺寸較大的的缺陷缺陷。v 即原子排列的不規(guī)則區(qū)域在空間一個方向上的尺寸很大一個方向上的尺寸很大，而在其余兩個方向上的尺寸很其余兩個方向上的尺寸很小。小。如圖2-7所示。圖2-7 刃型位錯示意圖 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶面缺陷：呈面狀分布的

17、缺陷。面缺陷：呈面狀分布的缺陷。 ，面缺陷面缺陷v.面缺陷面缺陷v 面缺陷：是指原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個面缺陷：是指原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個方向上的尺寸很大方向上的尺寸很大, 而在第三個方向上的尺寸卻很而在第三個方向上的尺寸卻很小，一般都是指晶界和亞晶界。小，一般都是指晶界和亞晶界。v 在晶粒內(nèi)，存在許多尺寸很小，位向差也很小的小晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒，兩相鄰亞晶粒的界面稱為亞晶界，如圖2-8所示。圖2-8面缺陷(晶界、亞晶界)結(jié)構(gòu)示意圖機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.3 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶純金屬的

18、晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 2.3.1 純金屬的結(jié)晶v 2.3.2 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶。晶。大多數(shù)的金屬制品都是經(jīng)過熔化、冶煉熔化、冶煉和澆注和澆注而獲得的。結(jié)晶后的組織直接影響金屬的性能，因此研究金屬結(jié)晶的目的就是為了掌握結(jié)晶的基本規(guī)律，以便指導實際生產(chǎn)，獲得所需要的組織和性能。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.3.1 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶v

19、1.冷卻曲線與過冷度冷卻曲線與過冷度v 純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個臨界點(或結(jié)晶溫度)。它的結(jié)晶過程可用冷卻結(jié)晶過程可用冷卻曲線來描述。曲線來描述。首先將金屬熔化，然后以緩慢的速度冷卻, 在金屬液緩慢冷卻的過程中，觀察平臺并記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù), 這個平臺所對應的溫度就是純金屬進行結(jié)晶的溫度。由冷卻曲線如圖2-9可知，純金屬在緩慢的冷卻條件下(即平衡條件下)結(jié)晶，所測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度, 可用T0表示。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-9 純金屬的冷卻曲線 機械工程材料機械工程材料高等教育出版

20、社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)晶的條件結(jié)晶的條件 純金屬的結(jié)純金屬的結(jié)晶過程可通過熱晶過程可通過熱分析法測得純金分析法測得純金屬的冷卻曲線來屬的冷卻曲線來表示表示，如圖。由冷卻曲線可知，結(jié)晶的必要條件是具有一定的過冷度。 金屬的冷卻曲線金屬的冷卻曲線 理論結(jié)晶溫度Tm與實際結(jié)晶溫度Tn之間的溫度差稱為過冷度，寫作T=T0-T1。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 2.純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程v 金屬的結(jié)晶是一個金屬的結(jié)晶是一個不斷形成晶核不斷形成晶核和和晶核晶核不斷長大不斷

21、長大的兩個過程。的兩個過程。當液態(tài)金屬達到結(jié)晶溫度時，要形成一些極細小的微晶體，即晶核，晶核就是指結(jié)晶的中心晶核就是指結(jié)晶的中心。隨著時間的變化，已形成的晶核不斷長大，與此同時，又有新的晶核形成、長大，直至液態(tài)金屬全部凝固為止。如圖2-10所示為純金屬的結(jié)晶過程。 液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個密切聯(lián)系液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個密切聯(lián)系的基本過程來完成的。的基本過程來完成的。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 純金屬與合金結(jié)晶過程純金屬與合金結(jié)晶過程,純金屬的結(jié)晶過程是晶核形成和長大的過程圖 2-10-1 2-10-1

22、純金屬與合金結(jié)晶過程比較示意純金屬與合金結(jié)晶過程比較示意機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(a)液態(tài)金屬 (b)形成晶核 (c)晶核長大 (d)部分結(jié)晶 (e)完全結(jié)晶 圖2-10-2 純金屬的結(jié)晶過程 (1)晶核的形成晶核的形成 液態(tài)金屬結(jié)晶時晶核常以兩種方式形成：液態(tài)金屬結(jié)晶時晶核常以兩種方式形成： 自發(fā)形核自發(fā)形核:指依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由指依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由其內(nèi)部自發(fā)長出結(jié)晶核心。其內(nèi)部自發(fā)長出結(jié)晶核心。 非自發(fā)形核非自發(fā)形核:指依附于金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)指依附于金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)表

23、面而形成晶核。金屬結(jié)晶過程中晶核的形成主要是表面而形成晶核。金屬結(jié)晶過程中晶核的形成主要是以非自發(fā)形核方式為主。以非自發(fā)形核方式為主。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬結(jié)晶過程金屬結(jié)晶過程 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v （2)晶核的長大v 當晶核出現(xiàn)后，液態(tài)金屬的原子就以它們?yōu)橹行?，按照一定?guī)律的幾何形狀不斷地排列起來，形成晶體。晶體沿著各個方向長大的速度是不同的，晶體沿著各個方向長大的速度是不同的，它主要是沿著長大速度最大的方向發(fā)展，主要是

24、沿著長大速度最大的方向發(fā)展，這樣就形成了晶軸。在主干長大過程中，晶軸繼續(xù)長大在主干長大過程中，晶軸繼續(xù)長大, 又又不斷生出分枝不斷生出分枝(二次、三次晶軸)，并在其上長出許并在其上長出許多小的晶軸，發(fā)展成為樹枝狀多小的晶軸，發(fā)展成為樹枝狀,這是結(jié)晶初期常見的形狀。所以稱為枝晶枝晶，如圖2-11所示。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 晶核長大的實質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。晶核長大的實質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。圖圖2-11 2-11 樹枝狀晶體長大過程樹枝狀晶體長大過程 金屬晶體常以樹枝狀的形式長大金屬晶體常以

25、樹枝狀的形式長大，如圖2-11所示。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制v 晶粒大小主要取決于形核速度N(簡稱形核率)和長大速度長大速度G(簡稱長大率)。形核率是指單位時間內(nèi)在單位體積中產(chǎn)生的晶核數(shù)。長大率是指單位時間內(nèi)晶核長大的線速度。如圖2-12所示。 圖2-12 形核率和長大率與過冷度的關(guān)系 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v (1)增大過冷度增大過冷度v 金屬結(jié)晶時,隨過冷度的增加,形核率(N)和長大率(G)均增

26、加當過冷度較小時,形核率增加速度小于長大率;過過冷度較大時冷度較大時,形核率增加速度大于長大率。增大過冷度形核率增加速度大于長大率。增大過冷度可使晶粒細化?？墒咕Я＜毣C械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v(2)變質(zhì)處理變質(zhì)處理v 在澆注前,可人為地向金屬液中加入一定量的難熔金屬或合金元素(稱變質(zhì)劑),增加非自發(fā)晶核,以增加形核率,這種方法稱為變質(zhì)處理。例如,向鋼液中加人鋁、釩,向鑄鐵液中加人硅鐵合金等。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v (3)附加振動

27、附加振動v在金屬液結(jié)晶過程中,對其采用機械振動、超聲波機械振動、超聲波振動、電磁振動振動、電磁振動等措施,可使枝晶破碎、折斷使枝晶破碎、折斷,這樣不這樣不僅使已形成的晶粒僅使已形成的晶粒因破碎而因破碎而細化細化,而且破碎了的細小枝而且破碎了的細小枝晶又可起到新晶核的作用晶又可起到新晶核的作用,增加了形核率。增加了形核率。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.3.2 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變v 大多數(shù)金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，無論大多數(shù)金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，無論溫度如何變化，始終保持其晶格結(jié)構(gòu)。溫度

28、如何變化，始終保持其晶格結(jié)構(gòu)。如鋁、銅、銀等金屬在任何溫度下均為面心立方晶格面心立方晶格。但有部分金屬在固態(tài)下，卻存在著兩種或兩種以上的晶格，如鐵、鈷、鈦等金屬, 在結(jié)晶成固態(tài)后繼續(xù)冷卻時晶格類型還會發(fā)生變化。這種在固態(tài)下金屬材料隨溫度的變化，由一種晶格類型變?yōu)榱硪环N晶格由一種晶格類型變?yōu)榱硪环N晶格類型的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱同素異晶轉(zhuǎn)變。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-13 純鐵的冷卻曲線 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

29、純鐵的冷卻曲線和晶格變化 金屬金屬在固態(tài)下在固態(tài)下隨溫度的隨溫度的變化，由變化，由一種晶格一種晶格類型變?yōu)轭愋妥優(yōu)榱硪环N晶另一種晶格類型的格類型的現(xiàn)象，稱現(xiàn)象，稱為金屬的為金屬的同素異晶同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。圖2-13-2 純鐵的冷卻曲線演示圖機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變是一個結(jié)晶過程，同樣金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變是一個結(jié)晶過程，同樣遵循結(jié)晶規(guī)律：遵循結(jié)晶規(guī)律： 有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時需要過冷、有有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時需要過冷、有潛熱產(chǎn)生。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核潛熱產(chǎn)生。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成

30、和晶核的長大來完成的。只不過這個結(jié)晶是在固態(tài)下的長大來完成的。只不過這個結(jié)晶是在固態(tài)下進行的，因此，把這種固態(tài)轉(zhuǎn)固態(tài)的結(jié)晶稱為進行的，因此，把這種固態(tài)轉(zhuǎn)固態(tài)的結(jié)晶稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。重結(jié)晶或二次結(jié)晶。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 圖2-14 -Fe與-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖 1 2 3 4 5 6 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶v2.4.1 合金的基本概念合金的基本概念v2.4.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)

31、合金的晶體結(jié)構(gòu)v2.4.3 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.4.1 合金的基本概念合金的基本概念v 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素組成或合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素組成或金屬與非金屬元素組成物質(zhì)。金屬與非金屬元素組成物質(zhì)。由于純金屬品種少，力學性能低，成本高，應用受限，所以工業(yè)中使用的金屬材料大多是合金金屬材料大多是合金。在純金屬或合金中，把具有化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能并與其他部分以界面分開的均勻組成部分稱為相。比如某金屬在熔點溫度以上或以下時，分別為液相液相或固相固相，而在熔點

32、溫度時則為液、固兩相共存液、固兩相共存。合金在固態(tài)下，可以形成均勻的單相組織，也可以形成由兩相或兩相以上組成的多相組織，這種組織稱為兩相組織或稱為復相組織。 機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 1.合金合金v 合金：是指由兩種或兩種以上元素是指由兩種或兩種以上元素經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的材料。 v 2.組元組元 v 組元：組成是合金最基本的、獨立的物質(zhì)單元組成是合金最基本的、獨立的物質(zhì)單元稱為組元稱為組元，簡稱元。組元可以是元素，也可以是穩(wěn)定的化合物，如Fe3C在鐵碳合金中可以作為組元。v 3.相相

33、v 相：是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學性能，能和化學性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開。例如，在鐵碳合金中-Fe為一個相，F(xiàn)e3C為一個相；水和冰雖然化學成分相同，但其物理性能不同，故為兩個相。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 4.4.組織組織v 組織：是用金相觀察法，在金屬及其合金內(nèi)部金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。v 由于合金的性能由組織決定，而組織又取決于合金中的相，因此，為了掌

34、握合金的組織和性能，必須了解合金晶體的結(jié)構(gòu)。v 5.5.合金系合金系v 由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列化學成分不同成分的合金，稱為合金系。系列化學成分不同成分的合金，稱為合金系。 由兩個組元組成的合金系叫二元合金系，三個組元組成的合金系叫三元合金系， 三個以上組元組成的合金系叫多元合金系。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v2.4.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)v 合金的晶體結(jié)構(gòu) 組成合金的最基本的獨立組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為物質(zhì)稱為合金的組元合金的組元。按組元的

35、數(shù)目，合金可分為二元合金、三元合金等。例如，黃銅是銅和鋅組成的二元合金；硬鋁是鋁、銅、鎂組成的三元合金。根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中的晶體結(jié)構(gòu)可分為合金中的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體固溶體、金屬化合物金屬化合物及及機械混合物機械混合物三大類三大類。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 1.固溶體固溶體v 固溶體固溶體：是指合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)是指合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一種原子而形成的晶體相稱為固溶體。溶解了另一種原子而形成的晶體相稱為固溶體。大多數(shù)合金只能有限固溶，根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不

36、同，可將固溶體分為置換固溶體置換固溶體和間隙固溶體間隙固溶體。不論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發(fā)生畸變，增加位錯運動的阻力，所以固溶體不但有較高的強度和硬度，如果適當控制固溶體中溶質(zhì)的含量，還能在顯著提高金屬材料強度的同時仍然可保持較高的塑性和韌性。機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（a）置換固溶體圖3-15固溶體的類型 （b）間隙固溶體機械工程材料機械工程材料高等教育出版社高等教育出版社第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶v 2.金屬化合物金屬化合物v 金屬化合物：是指合金組元間相互作用生成的具金屬化合物：是指合金組元間相互作用生成