第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第二章第二章 金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 按原子排列的特征，可將固體物質(zhì)分為按原子排列的特征，可將固體物質(zhì)分為晶體晶體和和非晶非晶體體兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 晶體晶體： 物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序有規(guī)律排列有規(guī)律排列的。如金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。的。如金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。 非晶體非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無(wú)規(guī)則排列的，如：非晶體內(nèi)部的原子則是無(wú)規(guī)則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。玻璃、松香和瀝青等。（1）結(jié)構(gòu)有序；）結(jié)構(gòu)有序； (1 (1）結(jié)構(gòu)無(wú)序；）結(jié)構(gòu)無(wú)序；晶體與非晶體的區(qū)別：晶

2、體與非晶體的區(qū)別：金剛石、金剛石、NaCl、冰、冰 ，固態(tài)固態(tài)金屬等。金屬等。石蠟、玻璃石蠟、玻璃l在一定條件下在一定條件下 晶體晶體 非晶體非晶體（2 2）有固定的熔點(diǎn)）有固定的熔點(diǎn); ; （3 3）性能表現(xiàn)為）性能表現(xiàn)為各向異性各向異性；（2 2）沒(méi)有固定熔點(diǎn)；）沒(méi)有固定熔點(diǎn)；(3(3）性能表現(xiàn)為各向同性；）性能表現(xiàn)為各向同性；晶體晶體非晶體非晶體2.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)o晶格晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個(gè)原子看成是一個(gè)點(diǎn)，并將各點(diǎn)用假想的似地將晶體中每一個(gè)原子看成是一個(gè)點(diǎn)，并將各點(diǎn)用假想的線(xiàn)連接起來(lái)，

3、就得到一個(gè)空間骨架，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。線(xiàn)連接起來(lái)，就得到一個(gè)空間骨架，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。o晶胞晶胞：即晶格中最小的幾何單元。即晶格中最小的幾何單元。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞晶胞o晶格參數(shù)晶格參數(shù) 晶胞中任一點(diǎn)為原點(diǎn)，三條棱邊的晶胞中任一點(diǎn)為原點(diǎn)，三條棱邊的長(zhǎng)長(zhǎng)a a，b b，c c三個(gè)棱邊的夾角三個(gè)棱邊的夾角 ， ， 稱(chēng)為稱(chēng)為晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)，表征晶胞的形狀和大小。，表征晶胞的形狀和大小。晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度，以埃晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度，以埃()為單位，為單位，1 =10-10m。通常數(shù)值在。通常數(shù)值在2.55.0之間。之間。 各種金屬元素的主要差別就在于晶格類(lèi)型和晶格參數(shù)各種金屬元素的主要

4、差別就在于晶格類(lèi)型和晶格參數(shù)的不同。的不同。 常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類(lèi)型。和密排六方晶格等三種類(lèi)型。1.1.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)是一個(gè)立方體立方體，其六個(gè)面中，其六個(gè)面中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子。心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子。NoImageo晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：4o晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：4o原子半徑：原子半徑：r = a 2 / 4o致密度：致密度：74%屬于這類(lèi)晶格的金屬有屬于這類(lèi)晶格的金屬有 -Fe 、Cu、Al、Ni等。等。它們都

5、具有它們都具有較好的塑性較好的塑性。面心立方晶格晶胞圖面心立方晶格晶胞圖2.體心立方晶格（體心立方晶格（bcc） 體心立方的晶胞是一個(gè)體心立方的晶胞是一個(gè)立方體立方體，其中心和八個(gè)角上，其中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子。各有一個(gè)原子。 abc ； 90o晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：2o原子半徑：原子半徑：r = (3 / 4) a o致密度：致密度：68%屬于這類(lèi)晶格的金屬有屬于這類(lèi)晶格的金屬有-Fe、Cr等。它們都具有等。它們都具有較好的塑性和較大的強(qiáng)度較好的塑性和較大的強(qiáng)度。體心立方晶格晶胞圖體心立方晶格晶胞圖. .密排六方晶格密排六方晶格 a =bc (c/a=1.633) ； 90 ；

6、 120 密排六方晶格的晶胞是一個(gè)密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六六方柱體方柱體，其上下底面的中心和，其上下底面的中心和十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，且十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，且在六方柱體的中間還有三個(gè)原在六方柱體的中間還有三個(gè)原子。子。o晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：6o原子半徑：原子半徑：r = a / 2o致密度：致密度：74%屬于這類(lèi)晶格的金屬有屬于這類(lèi)晶格的金屬有g(shù) 、n 等。這類(lèi)金等。這類(lèi)金屬屬塑性較差塑性較差。密排六方晶格晶胞圖密排六方晶格晶胞圖2.1.2 2.1.2 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷單晶體：?jiǎn)尉w：當(dāng)晶體內(nèi)部的原子都按同一規(guī)律同一位向排列，即當(dāng)晶體內(nèi)部的原

7、子都按同一規(guī)律同一位向排列，即晶格晶格位向位向完全一致時(shí)，此晶體稱(chēng)為完全一致時(shí)，此晶體稱(chēng)為單晶體單晶體。 如單晶如單晶Si半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)多晶體材料：多晶體材料：是指一塊金屬材料中包含著許多是指一塊金屬材料中包含著許多小晶小晶體體，每個(gè)小晶體內(nèi)的，每個(gè)小晶體內(nèi)的晶格位向是一致的晶格位向是一致的，而各小晶，而各小晶體之間體之間彼此方位不同彼此方位不同。 光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖晶界晶界l晶粒：晶粒：彼此方位不同、外形不規(guī)則彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體。的小晶體。l晶界：晶界：晶粒之間的交界面。晶粒之間的交界面。 晶粒越細(xì)

8、小，數(shù)量越多，晶界面積晶粒越細(xì)小，數(shù)量越多，晶界面積越大。越大。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的 實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷 按幾何形態(tài)可分三類(lèi)：按幾何形態(tài)可分三類(lèi)： 點(diǎn)、線(xiàn)、面缺陷點(diǎn)、線(xiàn)、面缺陷。二、晶體缺陷二、晶體缺陷 在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。晶體缺陷：晶體缺陷：實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)

9、域。實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域。（1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指點(diǎn)狀的，即在所有方向上尺寸都很小的晶體缺陷。 （空位、間隙原子或置換原子）a 空位是結(jié)晶時(shí)晶格上應(yīng)被原子占據(jù)的結(jié)點(diǎn)未被占據(jù)；b有的原子不在晶格結(jié)點(diǎn)上，擠入晶格間隙中，形成間隙原子C還有原子被其他異類(lèi)原子所替換，形成置換原子。點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響：點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響： 使晶格發(fā)生扭曲（稱(chēng)為使晶格發(fā)生扭曲（稱(chēng)為晶格畸變晶格畸變），從而引起），從而引起性性能變化能變化，使金屬的，使金屬的電阻率增加，強(qiáng)度、硬度電阻率增加，強(qiáng)度、硬度提高提高，塑塑性、韌性性、韌性下降下降。（2 2）線(xiàn)缺陷）線(xiàn)缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò) 晶體中一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)則的

10、錯(cuò)排。（刃型位錯(cuò)和晶體中一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)則的錯(cuò)排。（刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。）螺型位錯(cuò)。） 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺形位錯(cuò)螺形位錯(cuò)（3 3）面缺陷）面缺陷 晶界和亞晶界上的原子排列，從一種位向過(guò)晶界和亞晶界上的原子排列，從一種位向過(guò)渡到另一種位向。在這個(gè)過(guò)渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶渡到另一種位向。在這個(gè)過(guò)渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶格發(fā)生畸變。格發(fā)生畸變。 （晶界、亞晶界）（晶界、亞晶界）晶界處晶格畸變晶界處晶格畸變強(qiáng)度高強(qiáng)度高, 熔點(diǎn)低，易腐蝕熔點(diǎn)低，易腐蝕結(jié)晶結(jié)晶是由一種是由一種相相（液相）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N（液相）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相相（固（固相）的過(guò)程，因而是相）的過(guò)程，因而是相變過(guò)程相變過(guò)程。

11、一次結(jié)晶：一次結(jié)晶：一是從一是從液態(tài)液態(tài)到到固態(tài)固態(tài)晶體的過(guò)程；晶體的過(guò)程；二次結(jié)晶：二次結(jié)晶：從固態(tài)從固態(tài)晶體晶體到另一種固態(tài)到另一種固態(tài)晶體晶體的過(guò)程。的過(guò)程。 2.1.32.1.3金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程1. 冷卻曲線(xiàn)只有當(dāng)溫度下降到只有當(dāng)溫度下降到Tn時(shí)，才開(kāi)時(shí)，才開(kāi)始結(jié)晶。始結(jié)晶。曲線(xiàn)上曲線(xiàn)上水平階段水平階段是由于結(jié)晶時(shí)是由于結(jié)晶時(shí)放出放出結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱引起的引起的.曲線(xiàn)上曲線(xiàn)上水平階段水平階段所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的溫度溫度稱(chēng)稱(chēng)實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度Tn。2.2.過(guò)冷過(guò)冷 過(guò)冷度過(guò)冷度: 理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值 稱(chēng)為過(guò)冷度。稱(chēng)為過(guò)冷度。 即

12、：即： T=T0-Tn式中式中 T過(guò)冷度（過(guò)冷度（）；）； T0 金屬的理論結(jié)晶溫度（金屬的理論結(jié)晶溫度（）；）； Tn 金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（）。）。 金屬的過(guò)冷度不是恒定值，它與金屬的過(guò)冷度不是恒定值，它與冷卻速度冷卻速度有關(guān)。有關(guān)。冷卻速度越快過(guò)冷度也越大。冷卻速度越快過(guò)冷度也越大。3.3.純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程從宏觀(guān)角度看結(jié)晶規(guī)律：從宏觀(guān)角度看結(jié)晶規(guī)律：（1 1）金屬的結(jié)晶是在一定的）金屬的結(jié)晶是在一定的過(guò)冷度過(guò)冷度下完成的，下完成的， 即存在過(guò)冷現(xiàn)象。即存在過(guò)冷現(xiàn)象。（2 2）結(jié)晶過(guò)程是在）結(jié)晶過(guò)程是在恒溫恒溫下完成的。下完成的。 從微觀(guān)的角度看結(jié)晶：從微

13、觀(guān)的角度看結(jié)晶：包括包括晶核的晶核的形成形成和和長(zhǎng)大長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程兩個(gè)基本過(guò)程。 1、結(jié)晶的基本過(guò)程純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖在液態(tài)金屬中存在許多在液態(tài)金屬中存在許多有序排列有序排列的的小原子團(tuán)小原子團(tuán)，這些，這些小原子團(tuán)或大或小，時(shí)聚時(shí)散，稱(chēng)為小原子團(tuán)或大或小，時(shí)聚時(shí)散，稱(chēng)為晶胚晶胚 而當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到而當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到T0溫度以下后，便處于熱溫度以下后，便處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，一些大尺寸的一些大尺寸的晶晶胚將會(huì)長(zhǎng)大胚將會(huì)長(zhǎng)大，這些能夠繼續(xù)長(zhǎng)大的晶胚稱(chēng)為，這些能夠繼續(xù)長(zhǎng)大的晶胚稱(chēng)為晶核晶核。 結(jié)晶過(guò)程 晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)

14、又有新晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生，的晶核產(chǎn)生，晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。直到液體完全消失。純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖4.晶粒大小及其影響因素金屬的金屬的晶粒越細(xì)晶粒越細(xì)，常溫下的，常溫下的機(jī)械性能越好機(jī)械性能越好, , 既金屬的既金屬的強(qiáng)強(qiáng)度度, , 塑性塑性和和韌性韌性越好。越好。l細(xì)化金屬晶粒細(xì)化金屬晶粒是提高其常溫性能的最佳手段之一是提高其常溫性能的最佳手段之一。 形核率形核率愈大，愈大，成成長(zhǎng)速率長(zhǎng)速率愈小，愈小，則晶粒愈細(xì)。則晶粒愈細(xì)。 形核率形核率是單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。是單位時(shí)間內(nèi)單位體積

15、液體中形成晶核的數(shù)量。成長(zhǎng)速率成長(zhǎng)速率是單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的線(xiàn)速度。是單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的線(xiàn)速度。影響晶粒細(xì)化的因素？影響形成率和成長(zhǎng)速率最重要的因素是什么？影響形成率和成長(zhǎng)速率最重要的因素是什么？形核率和成長(zhǎng)速率形核率和成長(zhǎng)速率過(guò)冷度過(guò)冷度1 1）增大過(guò)冷度）增大過(guò)冷度 提高金屬的冷卻速度，增大提高金屬的冷卻速度，增大過(guò)冷度過(guò)冷度T，以細(xì)化晶粒。，以細(xì)化晶粒。 由圖可見(jiàn)，當(dāng)由圖可見(jiàn)，當(dāng)T較小時(shí)，較小時(shí)，N比比G增長(zhǎng)的慢增長(zhǎng)的慢;而當(dāng)而當(dāng)T較大時(shí)較大時(shí)N比比G的增長(zhǎng)要快得多，使單位體的增長(zhǎng)要快得多，使單位體積中晶核數(shù)目大大增多。積中晶核數(shù)目大大增多。 2) 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 (加入形核劑）加入

16、形核劑） 在澆鑄前向液體金屬中加入難熔質(zhì)點(diǎn)（變質(zhì)劑），在澆鑄前向液體金屬中加入難熔質(zhì)點(diǎn)（變質(zhì)劑），結(jié)晶結(jié)晶時(shí)這些質(zhì)點(diǎn)將在液體中形成大量非自發(fā)晶核，使晶粒數(shù)目時(shí)這些質(zhì)點(diǎn)將在液體中形成大量非自發(fā)晶核，使晶粒數(shù)目大大增加，大大增加，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，這種處理稱(chēng)為變質(zhì)從而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，這種處理稱(chēng)為變質(zhì)處理。處理。 例如例如：鋼中加入鈦、硼、鋁等；鑄鐵中加入硅、鈣等；鋁：鋼中加入鈦、硼、鋁等；鑄鐵中加入硅、鈣等；鋁-硅硅合金中加入鈉或鈉鹽等。合金中加入鈉或鈉鹽等。 金屬冶煉爐中冶煉出的合格金屬冶煉爐中冶煉出的合格金屬液金屬液，往往先倒人，往往先倒人錠模錠模中燒注中燒注成成鑄錠鑄錠，后續(xù)的加工

17、環(huán)節(jié)再把，后續(xù)的加工環(huán)節(jié)再把鑄鑄錠錠通過(guò)壓力加工制成各種型材或通過(guò)壓力加工制成各種型材或?qū)㈣T錠重熔后繞注成鑄件鑄錠重熔后繞注成鑄件。 鑄錠鑄錠( (件件) )的的組織組織及其存在的及其存在的缺缺陷陷對(duì)其對(duì)其加工加工和和使用性能使用性能有著直接有著直接的影響。的影響。5.5.金屬鑄錠的組織金屬鑄錠的組織 表層細(xì)等軸晶區(qū)表層細(xì)等軸晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū)1、鑄錠組織、鑄錠組織鑄錠鑄錠( (件件) )的宏觀(guān)組織通常由三個(gè)區(qū)域組成的宏觀(guān)組織通常由三個(gè)區(qū)域組成: :表層細(xì)等軸晶區(qū)：表層細(xì)等軸晶區(qū)： 澆注時(shí)，由于澆注時(shí)，由于型腔型腔壁壁產(chǎn)生產(chǎn)生很大的很大的過(guò)冷度過(guò)冷度及及

18、非均勻形非均勻形核核作用，使表面形成一層作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。區(qū)。 柱狀晶區(qū)：柱狀晶區(qū)：隨著鑄型溫度不斷升高，剩余金屬液體的冷卻速隨著鑄型溫度不斷升高，剩余金屬液體的冷卻速度變慢，此時(shí)熱量沿垂直于型壁方向散熱，使已有的晶體度變慢，此時(shí)熱量沿垂直于型壁方向散熱，使已有的晶體沿著沿著與散熱相反與散熱相反的方向的方向生長(zhǎng)生長(zhǎng)而形成而形成柱狀晶柱狀晶區(qū)區(qū)。中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū): 由于結(jié)晶由于結(jié)晶潛熱潛熱的不斷的不斷放出放出，冷卻速冷卻速度進(jìn)一步變慢度進(jìn)一步變慢，導(dǎo)致，導(dǎo)致柱狀晶柱狀晶生長(zhǎng)生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度T

19、1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以下以非均勻形核方式非均勻形核方式形成許多形成許多尺寸較大尺寸較大的等軸晶粒。的等軸晶粒。2、鑄造缺陷 縮孔：縮孔：液態(tài)金屬凝固過(guò)程中液態(tài)金屬凝固過(guò)程中由于體積收縮所形成的由于體積收縮所形成的孔洞孔洞。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除. .鑄造缺陷的類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有鑄造缺陷的類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有l(wèi)縮孔、氣孔、縮松、偏析縮孔、氣孔、縮松、偏析等，它們等，它們對(duì)性能是有害的對(duì)性能是有害的.縮孔縮孔o(hù)（2）縮松縮松: 指鑄件最后凝固的區(qū)域沒(méi)有得到液態(tài)金屬指鑄件最后凝固的區(qū)域沒(méi)有得到液態(tài)金屬或合金的補(bǔ)縮形成分散和細(xì)小的或合金的補(bǔ)縮形成分散和細(xì)

20、小的孔洞孔洞?？s松縮松o（3）偏析：）偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為偏合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。析。鑄錠鑄錠( (件件) )在結(jié)晶時(shí)在結(jié)晶時(shí), ,由于各部位結(jié)晶先后順序不同，由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀(guān)上的宏觀(guān)上的成分不均勻，稱(chēng)宏觀(guān)偏析成分不均勻，稱(chēng)宏觀(guān)偏析。o（4）氣）氣孔孔: 氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠( (件件) )中的氣泡中的氣泡. .鑄件中的氣孔鑄件中的氣孔2.

21、2.1 2.2.1 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：以一種金屬為主，加入另外一些金屬或非金屬（多種），通合金：以一種金屬為主，加入另外一些金屬或非金屬（多種），通過(guò)冶煉等形成的具有金屬特性的新材料。過(guò)冶煉等形成的具有金屬特性的新材料。 組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元稱(chēng)為組元。組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元稱(chēng)為組元。 按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。相：是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)相：是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)、成分和性能均一成分和性能均一并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成

22、部分。 合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬?gòu)?fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬?gòu)?fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物固溶體、金屬化合物兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。2.2 2.2 合金的結(jié)構(gòu)與相圖合金的結(jié)構(gòu)與相圖ZXY間隙原子間隙原子間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體置換原子置換原子YXZ形成無(wú)限固溶體的原子置換示意圖形成無(wú)限固溶體的原子置換示意圖ABB%金屬化合物金屬化合物o金屬化合物金屬化合物：即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種化合而形成的一種新新的具有金屬特性的物質(zhì)。的具有金屬特性的物

23、質(zhì)。o特征：特征： 有確定的原子比，有金屬性質(zhì)；有確定的原子比，有金屬性質(zhì)； 晶體結(jié)構(gòu)不同于任何組元；復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)不同于任何組元；復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu) 較高的熔點(diǎn)和硬度，且脆性較大較高的熔點(diǎn)和硬度，且脆性較大2 2 電子化合物電子化合物1 1 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物3.3.間隙間隙化合物化合物 由過(guò)渡族元素與由過(guò)渡族元素與C C、N N、B B、H H等小原子半徑的非金等小原子半徑的非金屬元素組成。屬元素組成。 大尺寸金屬元素占據(jù)晶格正常位置，小尺寸非金屬元素占大尺寸金屬元素占據(jù)晶格正常位置，小尺寸非金屬元素占據(jù)間隙位置據(jù)間隙位置 2.2.2 2.2.2 合金的凝固合金的凝固( (結(jié)晶）結(jié)晶

24、）o利用相圖分析合金的結(jié)晶過(guò)程。利用相圖分析合金的結(jié)晶過(guò)程。o相圖：表示在平衡狀態(tài)下，合金系的相與溫度、成分之間關(guān)相圖：表示在平衡狀態(tài)下，合金系的相與溫度、成分之間關(guān)系的圖形。（又稱(chēng)狀態(tài)圖，平衡圖）系的圖形。（又稱(chēng)狀態(tài)圖，平衡圖） 利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在哪些相、利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在哪些相、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)所可能發(fā)生的變化。所以，各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)所可能發(fā)生的變化。所以，相相圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)等工藝規(guī)程的重要

25、依據(jù) 。 組織：是觀(guān)察到的在金屬及合金內(nèi)部組成相的大小、方向、組織：是觀(guān)察到的在金屬及合金內(nèi)部組成相的大小、方向、 形狀、分布及相互結(jié)合狀態(tài)。形狀、分布及相互結(jié)合狀態(tài)。10 20 30 40 50 60 70 80 90800700600500400300200100 建立相圖最常用方法是建立相圖最常用方法是熱分析法。熱分析法。 3. 3. 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立TemperatureTimeLiquidTwo PhaseSolid下面以下面以Cu-Ni合金為例，說(shuō)明用熱分析法建立相圖的步驟：合金為例，說(shuō)明用熱分析法建立相圖的步驟：1）首先，配制不同成分的）首先，配制不同成分的C

26、u-Ni合金。合金。2）將合金熔化后，測(cè)定它們的冷卻曲線(xiàn)，并找出曲線(xiàn)上臨界）將合金熔化后，測(cè)定它們的冷卻曲線(xiàn)，并找出曲線(xiàn)上臨界點(diǎn)（即轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺(tái)）。點(diǎn)（即轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺(tái)）。3）將上述數(shù)據(jù)引入相應(yīng)成分的溫度）將上述數(shù)據(jù)引入相應(yīng)成分的溫度-成分坐標(biāo)圖中。成分坐標(biāo)圖中。4）將物理意義相同的臨界點(diǎn)連成曲線(xiàn)，即得）將物理意義相同的臨界點(diǎn)連成曲線(xiàn)，即得Cu-Ni合金相圖。合金相圖。T, CCuNiNi%2040608010010001100120013001400150010831452L L+ A:純銅純銅熔點(diǎn)熔點(diǎn)B:純鎳純鎳熔點(diǎn)熔點(diǎn)液相線(xiàn)液相線(xiàn)固相線(xiàn)固相線(xiàn)液相區(qū)液相區(qū)固相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)液固兩相區(qū)ab

27、cdT,CtL L L 10831455L L+ T, CCuNiNi%20406080100100011001200130014001500 液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。4. 枝晶偏析枝晶偏析 固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化的，的，如果冷卻較快，原子擴(kuò)散如果冷卻較快，原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則形成成分不不能充分進(jìn)行，則形成成分不均勻的固溶體。均勻的固溶體。一個(gè)晶粒中先一個(gè)晶粒中先結(jié)晶出含高熔點(diǎn)元素多的固溶結(jié)晶出含高熔點(diǎn)元素多的固溶體，后結(jié)晶出含高熔點(diǎn)元素少體，后結(jié)晶出含高熔點(diǎn)元素少的固溶體，結(jié)果造成在一個(gè)晶的固溶體，結(jié)果造成在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱(chēng)為種現(xiàn)象稱(chēng)為晶內(nèi)偏析。晶內(nèi)偏析。由于這由于這種偏析呈樹(shù)枝狀分布，故又稱(chēng)種偏析呈樹(shù)枝狀分布，故又稱(chēng)為為枝晶偏析。枝晶偏析。PbSnSn%液相線(xiàn)液相線(xiàn)L固相線(xiàn)固相線(xiàn) + L + L + 固溶線(xiàn)固溶線(xiàn) 固溶線(xiàn)固溶線(xiàn)PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線(xiàn)共晶反應(yīng)線(xiàn)CD共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)ELE C + D(1).(1).合金