機械工程材料電子2課件

第2章金屬的晶體結構與結晶2.1金屬的晶體結構2.2純金屬的結晶2.3金屬的同素異構轉變2.1金屬的晶體結構2.1.1晶體的概念物質都由原子構成。自然界的固態(tài)物質，根據(jù)其內部原子的聚集狀態(tài)不同，可分為晶體和非晶體兩大類。在物質內部，凡原子呈有序、有規(guī)則排列的物體稱為晶體。絕大多數(shù)金屬在固態(tài)下一般均屬于晶體，如純鐵、純鋁、天然金剛石等。相反，凡原子呈無序堆積狀態(tài)的，稱為非晶體，例如瀝青、普通玻璃、松香、樹脂等，均屬于非晶體。晶體與非晶體，由于原子排列方式不同，它們的性能也有差異。晶體具有固定的熔點，其性能呈各向異性；非晶體沒有固定熔點，而且表現(xiàn)為各向同性。下一頁返回2.1金屬的晶體結構2.1.2晶體結構的基礎知識1.晶格和晶胞通過X射線分析法得知,晶體內部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的。為了便于分析和描述晶體中原子排列的情況，把原子看成是一個小球，則金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律地堆積而成的物體，如圖2-1所示。下一頁上一頁返回2.1金屬的晶體結構為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律，可以將原子簡化成一個點，用假想的線將這些點連接起來，構成有明顯規(guī)律性的空間格架。這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架叫做晶格，如圖2-2（a）所示。由圖2-2（a）可見，晶格是由許多形狀、大小相同的最小幾何單元重復堆積而成的。能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞，如圖2-2（b）所示。下一頁上一頁返回圖2-2晶格和晶胞示意圖返回2.1金屬的晶體結構2.晶面和晶向在晶體中由一系列原子組成的平面,稱為晶面。如圖2-3所示為簡單立方晶格的一些晶面。通過兩個或兩個以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向，如圖2-4所示。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子結合力也就不同，從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，這就是晶體具有各向異性的原因。下一頁上一頁返回圖2-4立方晶格中的幾個晶向返回2.1金屬的晶體結構2.1.3金屬晶格的類型金屬的晶格類型很多,但絕大多數(shù)(占85%)金屬屬于下面3種晶格。1.體心立方晶格它的晶胞是一個立方體,原子位于立方體的8個頂角上和立方體的中心,如圖2-5所示。屬于這種晶格類型的金屬有鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及α-鐵（α-Fe）等。下一頁上一頁返回圖2-5體心立方晶胞返回圖2-6面心立方晶胞返回2.1金屬的晶體結構3.密排六方晶格它的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角上和上、下底面的中心，另外3個原子排列在柱體內，如圖2-7所示。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）及鋅（Zn）等。下一頁上一頁返回圖2-7密排六方晶胞返回圖2-8點缺陷示意圖返回2.1金屬的晶體結構⑵線缺陷：線缺陷主要指的是位錯。最常見的位錯形態(tài)是刃形位錯，如圖2-9所示。這種位錯的表現(xiàn)形式是晶體的某一晶面上，多出一個半原子面，它如同刀刃一樣插入晶體故稱刃形位錯，在位錯線附近一定范圍內，晶格發(fā)生了畸變。下一頁上一頁返回圖2-9刃形位錯晶體結構示意圖返回圖2-10晶界的過渡結構示意圖返回圖2-11亞晶界示意圖返回2.2純金屬的結晶2.2.1純金屬的冷卻曲線及過冷度金屬的結晶過程可以通過熱分析法進行研究,如圖2-12所示為熱分析裝置示意圖。將純金屬加熱熔化成液體，然后緩慢地冷卻下來，在冷卻過程中，每隔一定的時間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度，時間坐標圖中，便獲得純金屬的冷卻曲線，如圖2-13所示。下一頁返回圖2-13純金屬的冷卻曲線返回2.2純金屬的結晶實際上液態(tài)金屬總是冷卻到理論結晶溫度以下才開始結晶，如圖2-14所示。實際結晶溫度（T1）低于理論結晶溫度@（T0）這一現(xiàn)象稱為“過冷現(xiàn)象”。理論結晶溫度和實際結晶溫度之差稱為過冷度ΔT=（T0-T1）。金屬結晶時過冷度的大小與冷卻速度有關。冷卻速度越快，金屬的實際結晶溫度越低，過冷度也就越大。下一頁上一頁返回圖2-14純金屬結晶時的冷卻曲線返回圖2-15純金屬結晶過程示意圖返回圖2-16純鐵的顯微組織返回2.2純金屬的結晶結晶后只有一個晶粒的晶體稱為單晶體，如圖2-17（a）所示，單晶體中的原子排列位向是完全一致的。其性能是各向異性的，如果結晶后的晶體是由許多位向不同的晶粒組成的，則稱為多晶體，如圖2-17（b）所示。由于多晶體內各晶粒的晶格位向互不一致，它們自身的各向異性彼此抵消，故顯示出各向同性，亦稱為“偽各向同性”。下一頁上一頁返回圖2-17單晶體和多晶體結構示意圖返回2.2純金屬的結晶2.2.3晶粒大小對金屬力學性能的影響金屬的晶粒大小對金屬的力學性能有重要的影響。一般地說，在室溫下，細晶粒金屬具有較高的強度和韌性。晶粒大小對純鐵力學性能的影響見表2-1。下一頁上一頁返回表2-1晶粒大小對純鐵力學性能的影響返回2.2純金屬的結晶1.增加過冷度如圖2-18所示,金屬的形核率N和長大速度G均隨過冷度而發(fā)生變化,但兩者變化速率并不相同,在很大范圍內形核率比晶核長大速度增長更快,因此,增加過冷度能使晶粒細化。這種方法只適用于中、小型鑄件，對于大型鑄件則需要用其他方法使晶粒細化。下一頁上一頁返回圖2-18形核率和長大速度與過冷度的關系示意圖返回2.2純金屬的結晶2.變質處理在液態(tài)金屬結晶前加入一些細小的形核劑(又稱變質劑或孕育劑)使它分散在金屬液中作為人工晶核,可使晶粒顯著增加,或者降低晶核的長大速度,這種細化晶粒的方法稱為變質處理。鋼中加入鈦、硼、鋁等，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣等均能起到細化晶粒的作用。3.振動處理在結晶時,對金屬液加以機械振動、超聲波振動和電磁振動等，使生長中的枝晶破碎，從而提供更多的結晶核心，達到細化晶粒的目的。上一頁返回2.3金屬的同素異構轉變自然界中大多數(shù)金屬結晶后晶格類型都不再變化，但少數(shù)金屬，如鐵、鈷、鈦、錫、錳