工程材料與機械制造基礎(chǔ)第三章

工程材料與機械制造基礎(chǔ)第三章第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體：原子在空間呈長程有序排列的固態(tài)物質(zhì)。如：固態(tài)金屬、金剛石、硅酸鹽非晶體：原子或分子無規(guī)則的堆積在一起的固態(tài)物質(zhì)。如：玻璃、松香、瀝青3.1.1晶體概念晶體的特征1、原子在空間呈長程有序排列；2、是各向異性的；3、有固定的熔點；4、有特定的幾何外形。第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一金屬鍵金屬鍵的基本特點是電子共有化。在金屬原子相互緊密接近時，由于原子間的相互作用，金屬原子的價電子便從各個原子中脫離出來，為整個金屬所共用，形成“電子云”。金屬正離子與自由電子間的靜電作用，使金屬原子結(jié)合起來，形成金屬晶體，這種結(jié)合方式稱為金屬鍵3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)為了便于研究晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞

晶胞的形狀和大小可用晶胞的棱邊長度a、b、c(晶格常數(shù)）和棱面夾角α、β、γ來表示。晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.1.2常見的金屬晶格(1)體心立方晶格（bcc晶格）

a）其晶胞形狀為立方體

b）原子分布在立方晶體的各個結(jié)點及中心

c）a=b=c，===90d）每個體心立方晶胞中僅包含2個原子屬于這類金屬的有：á-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo等第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)(2)面心立方晶格（fcc晶格）

a）其晶胞為立方體

b）原子分布在立方體的各個結(jié)點及各面的中心處

c）a=b=c，===90d）每個晶胞中含有4個原子具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)(3)密排六方晶格（hcp晶格）

a）其晶胞形狀為六方柱體

b）原子分布在各個結(jié)點及上下兩個正六方面的中心，另外在六方柱體中心還有三個原子

c）每個晶胞中含有6個原子屬于這類金屬的有：Mg、Zn、á-Ti等。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方晶胞中的原子數(shù)算法第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.1.3晶體結(jié)構(gòu)的致密度原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半體心立方面心立方密排六方第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近且等距離的原子數(shù)致密度：晶胞中原子所占的體積分數(shù)配位數(shù)與致密度定量的表示了原子排列的緊密程度面心立方配位數(shù)為12第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一體心立方配位數(shù)為83.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)密排六方配位數(shù)為12其中c第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)在三種常見的晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而體心立方晶格要差些。

三種常見金屬晶格的結(jié)構(gòu)特點

第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.2.1單晶體和多晶體單晶體:晶體材料內(nèi)部原子規(guī)律排列，位向不發(fā)生改變的晶體。多晶體:由許多晶格位向不同的小晶體構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，稱為多晶體。每個小晶體稱為晶粒晶粒與晶粒之間的界面稱晶界亞晶粒之間的交界稱為亞晶界3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)單晶體多晶體第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2晶體缺陷實際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為三種：點缺陷線缺陷面缺陷3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

(1)點缺陷——空間三維尺寸都很小的缺陷晶格空位、置換原子和間隙原子在實際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一空位間隙原子小置換原子大置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，引起周圍晶格產(chǎn)生畸變，阻礙原子的移動，必需施加更大的外力，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)采用合金化的方法提高材料的強度第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一(2)線缺陷——位錯

晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，稱為位錯。位錯的主要類型有刃型位錯和螺旋位錯3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)位錯上半部分原子受壓，下半部分原子受拉。離位錯線越近晶格畸變越大，應力越大。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一螺型位錯：晶體右前邊的點相對于左邊的距點向下錯動一個原子間距，即右邊前部相對于左部晶面發(fā)生錯動。若將錯動區(qū)的原子用線連接起來，則具有螺旋型特征。這種線缺陷稱螺型位錯。3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一(3)面缺陷——晶界、亞晶界

晶界和亞晶界上的原子排列，是從一種位向過渡到另一種位向。在這個過渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶格發(fā)生畸變；亞晶界實際是由一系列的刃型位錯堆積而成的。

晶粒細→晶界面積越大→強度高如:晶粒細化3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一晶體缺陷與性能的關(guān)系1.晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性,使晶格產(chǎn)生畸變,晶格能量增加,因而晶格缺陷相對于完整的晶體來說是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài),它們在外界條件(溫度外力等)變化時會首先發(fā)生變化,從而引起金屬性能的變化.2.晶體缺陷的存在影響金屬的強度,一般情況下,強度隨晶體缺陷的增加而增加,可通過增加缺陷的辦法,提高金屬的強度.

點缺陷→合金化增加缺陷的辦法線缺陷→增加塑性變形(如加工硬化)

面缺陷→晶粒細化3.晶體缺陷≠金屬缺點3.2實際金屬的結(jié)構(gòu)第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.3金屬的結(jié)晶凝固物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。通常,金屬的凝固過程屬于結(jié)晶過程。如：鑄件水的結(jié)晶：北方冬天窗花第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一時間溫度To實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導致)T0：理論結(jié)晶溫度T1：實際結(jié)晶溫度

理論冷卻曲線純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線3.3金屬的結(jié)晶過冷：實際結(jié)晶溫度T1

總是低于理論結(jié)晶溫度T0

的現(xiàn)象過冷度?T=T0-T1

（冷速↑→?T↑）結(jié)晶的必要條件：過冷

第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.3金屬的結(jié)晶結(jié)晶時晶體在液體中從無到有（晶核形成），由小變大（晶核長大）的過程，同時存在同時進行。結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程晶核長大過程是按樹枝狀骨架方式長大第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一晶核的長大方式—樹枝狀3.3金屬的結(jié)晶第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一晶粒越細→塑性、韌性越好；強度、硬度越高

金屬結(jié)晶后晶粒大小取決于形核率N（單位時間、單位體積液態(tài)金屬中生成的晶核數(shù)目）和晶核長大率G（單位時間內(nèi)晶核長大的線速度）NG晶粒越細3.3金屬的結(jié)晶第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一細化晶粒的途徑1）提高冷卻速度，增加過冷度V冷△TN/G晶粒細小2）進行變質(zhì)處理（在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為晶核，以細化晶粒和改善組織）3）附加振動：機械振動超聲波振動電磁攪拌等*對大鑄件或厚薄差別大的鑄件冷速過快→變形、開裂,因此只適用于小鑄件，簡單件常用于大鑄件，實際效果較好3.3金屬的結(jié)晶第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.3金屬的結(jié)晶

有些金屬在固態(tài)下存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦等，這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在金屬晶體中，鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變最為典型，也是最重要的。純鐵的冷卻曲線如右圖所示。-Fe、-Fe、

-Fe是鐵在不同溫度下的同素異構(gòu)體。

-Fe和-Fe都是體心立方晶格，分別存在于熔點1538℃至1394℃之間及912℃以下。-Fe是面心立方晶格，存在于1394℃~912℃之間。

第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一金屬的鑄錠組織1)表面細等軸晶層力學性能雖好，但由于該層很薄，故對整個鑄錠的