機械制造基礎(chǔ)- 課件 第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

不同的金屬材料具有不同的力學性能，即使是相同的金屬材料，在不同的條件下其力學性能也是不同的。如用高碳鋼制造的銼刀，沒有淬火時硬度不高，經(jīng)淬火后可以使銼刀具有很高的硬度和耐磨性。金屬材料力學性能上的這種差異是由其化學成分和組織結(jié)構(gòu)所決定的。為了合理應(yīng)用金屬材料，必須首先了解金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。一、晶體與非晶體1.非晶體指組成物質(zhì)的原子不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體。非晶體材料往往沒有固定的熔點，隨著溫度的升高，固態(tài)非晶體將逐漸變軟，最終成為有流動性的液體。液體冷卻時逐漸稠化，最終變成固體。非晶體在各個方向的性能是相同的，即所謂各向同性。2.晶體晶體是指組成物質(zhì)的原子在空間按一定規(guī)律周期重復地排列的固體。晶體通常具有固定的熔點和各向異性等特性。二、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1.晶格原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架稱為晶格。2.晶胞晶格是由許多形狀、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。（a）晶體內(nèi)部原子排列；（b）晶格；（c）晶胞三、金屬晶格的類型1.體心立方晶格晶胞中實際原子數(shù)為1/8×8+1=2（個）。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）等金屬。金屬材料性能：其強度較大而塑性相對較差一些。圖2-2體心立方晶格晶胞示意圖2.面心立方晶格三、金屬晶格的類型圖2-3面心立方晶格晶胞示意圖晶胞中實際原子數(shù)為1/8×8＋1/2×6=4（個）。屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及γ-鐵(γ-Fe)等金屬。金屬材料性能：其強度較低而塑性很好。三、金屬晶格的類型3.密排六方晶格圖2-4密排六方晶格晶胞示意圖

晶胞中實際原子數(shù)為1/6×12＋1/2×2＋3=6（個）。

屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）及鋅（Zn）等。這類金屬強度和塑性都不好，脆性較大。

金屬的結(jié)晶是指金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，也就是原子由不規(guī)則排列的液體狀態(tài)逐步過渡到原子呈規(guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。金屬結(jié)晶時形成的鑄態(tài)組織，不僅影響其鑄態(tài)性能，而且也影響隨后經(jīng)過一系列加工后所形成的材料的性能。因此，掌握結(jié)晶規(guī)律可以有效地控制金屬的結(jié)晶過程，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料。一、純金屬的結(jié)晶過程1.金屬結(jié)晶的條件金屬結(jié)晶的溫度和結(jié)晶過程的規(guī)律通過熱分析法進行研究。圖2-5熱分析法裝置示意圖圖2-6純金屬冷卻曲線一、純金屬的結(jié)晶過程1.金屬結(jié)晶的條件當液體金屬緩慢冷卻到a點時，液體金屬開始結(jié)晶，到b點結(jié)晶終了，a～b兩點之間的水平線即為結(jié)晶階段，它所對應(yīng)的溫度就是純金屬的結(jié)晶溫度。純金屬在緩慢的冷卻條件下（即平衡條件）的結(jié)晶溫度與緩慢加熱條件下的熔化溫度是同一溫度，稱為理論結(jié)晶溫度，用T0表示。一、純金屬的結(jié)晶過程1.金屬結(jié)晶的條件金屬實際結(jié)晶溫度（T1）低于理論結(jié)晶溫度（T0）的現(xiàn)象稱為“過冷”現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度之差（△T），稱為過冷度（△T＝T0－T1）。過冷是金屬能夠自動進行結(jié)晶的必要條件。金屬結(jié)晶時過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越快，金屬的實際結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。圖2-7純金屬實際結(jié)晶時的冷卻曲線2.純金屬的結(jié)晶過程

實驗證明，純金屬的結(jié)晶是晶體在液體中從無到有，由小變大的過程，即晶核的形成與長大的過程。圖2-8純金屬結(jié)晶過程示意圖一、純金屬的結(jié)晶過程二、純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變在固態(tài)下隨溫度的變化由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變也是形核長大過程。圖2-9純鐵的冷卻曲線純鐵發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變時，金屬的體積也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。例如γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe時，鐵的體積會膨脹約1%，這是鋼熱處理時引起應(yīng)力，導致工件變形和開裂的重要原因。三、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷1.實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬內(nèi)部的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。多晶體材料是指一塊金屬材料中包含著許多小晶體，每個小晶體內(nèi)的晶格位向是一致的，而各小晶體之間彼此方位不同。圖2-10金屬的晶體結(jié)構(gòu)示意圖（a）單晶體（b）多晶體2.晶體缺陷三、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域，稱為晶體缺陷。（1）點缺陷（空位、間隙原子、置換原子）

晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點，稱為空位；某個晶格間隙擠進了原子，稱為間隙原子。當異類原子占據(jù)晶格的位置時，稱此異類原子為置換原子。

點缺陷的存在，提高了材料的硬度和強度，點缺陷是動態(tài)變化著的，它是造成金屬中物質(zhì)擴散的原因。2.晶體缺陷三、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（2）線缺陷（位錯）線缺陷是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。晶體中最普通的線缺陷就是位錯，位錯的主要類型有螺型位錯和刃型位錯。位錯很容易在晶體中移動，對金屬的塑性變形、強度、擴散和相變等力學性能和物理化學性能都起著重要的作用。位錯的產(chǎn)生會使金屬的強度提高，但塑性和韌性下降。2.晶體缺陷三、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（3）面缺陷（晶界、亞晶界）

在電子顯微鏡下觀察晶?？梢钥闯觯總€晶粒都是由一些小晶塊組成，稱這些小晶塊為亞晶粒。兩個亞晶粒的邊界是由一系列刃型位錯構(gòu)成的角度特別小的晶界，稱為亞晶界。（a）晶界（b）亞晶界四、晶粒大小與細化晶粒的方法1.增加過冷度增加過冷度能使晶粒細化。在鑄造生產(chǎn)時用金屬型澆注的鑄件比用砂型澆注得到的鑄件晶粒細小，就是因為金屬型澆注散熱快，過冷度大的緣故。這種方法只適用于小型鑄件。圖2-14形核率和長大速度與過冷度的關(guān)系四、晶粒大小與細化晶粒的方法2.變質(zhì)處理在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的變質(zhì)劑（又稱孕育劑），以增加形核率或降低晶核長大速度，獲得細小的晶粒，這種方法稱為變質(zhì)處理（或孕育處理）。變質(zhì)處理是生產(chǎn)中最常用的細化晶粒的方法。3.振動處理金屬在結(jié)晶時，對液態(tài)金屬加以機械振動、超聲波振動和電磁振動等措施，使生長中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作為結(jié)晶核心，增加形核率，達到細化晶粒的目的。一、概念1.合金：是由一種金屬元素為主導，加入其他金屬或非金屬元素，經(jīng)過熔煉或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的材料。具有優(yōu)良的綜合性能，應(yīng)用廣泛。2.組元：是組成合金的最基本的獨立物質(zhì)，簡稱元。組元可以是金屬或非金屬元素。有時較穩(wěn)定的化合物也可以構(gòu)成組元。3.相：合金中具有同一種化學成分且其晶體結(jié)構(gòu)及性能相同的均勻組成部分稱為相。液態(tài)物質(zhì)稱液相，固態(tài)物質(zhì)稱固相。4.合金組織：數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成合金組織。組織可由單相組成，也可由多相組成。合金的性能一般由組成合金各相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性能及各相的組合形式共同決定，組織是決定材料性能的最終關(guān)鍵因素。二、合金的相結(jié)構(gòu)1.固溶體合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時，一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相稱為固溶體。其中，溶入的元素稱為溶質(zhì)，而基體元素(占主要地位)稱為溶劑。固溶體的晶格類型仍然保持溶劑的晶格類型根據(jù)固溶體晶格中溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置不同，分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。二、合金的相結(jié)構(gòu)(1)間隙固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格原子間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。間隙固溶體的溶質(zhì)都是些原子半徑很小的非金屬元素，如碳、硼、氫等。由于溶劑晶格本身的間隙有限，所以間隙固溶體只能是有限的固溶體。二、合金的相結(jié)構(gòu)(2)置換固溶體溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點上的部分原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體。置換固溶體中溶質(zhì)與溶劑元素的原子半徑相差越小，則溶解度越大。無淪是間隙固溶體還是置換固溶體，由于溶質(zhì)原子的溶入，都使晶體的晶格發(fā)生畸變。晶格畸變使位錯運動阻力增大，從而提高了合金的強度和硬度，但塑性下降，此現(xiàn)象稱為固溶強化。二、合金的相結(jié)構(gòu)2.金屬化合物金屬化合物是指合金各組元的原子按一定的整數(shù)比化合而成的一種新相，其晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，而且其晶格一般都比較復雜。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，能提高其強度、硬度和耐磨性，但會降低其塑性和韌性。3.機械混合物若組成合金的各組元在固態(tài)下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在，形成各組元晶體的機械混合物。組成機械混合物的物質(zhì)可能是純組元、固溶體或者是化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。

表示在平衡條件下給定合金系中合金的成分、溫度與其相和組織狀態(tài)之間關(guān)系的坐標圖形，稱為合金相圖。合金相圖是了解合金中各種組織的形成與變化規(guī)律的有效工具。一、二元合金相圖的建立

建立相圖最常用的實驗方法是熱分析法、膨脹法、射線分析法等。下面以銅鎳合金系為例，簡單介紹用熱分析法建立相圖的過程。圖2-16Cu-Ni合金冷卻曲線及相圖建立二、勻晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金系，稱為勻晶系并構(gòu)成勻晶相圖。三、共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應(yīng)的合金系，稱為共晶系并構(gòu)成共晶相圖。四、包晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生包晶反應(yīng)的合金系，稱為包晶系并構(gòu)成包晶相圖。圖2-19Pt-Ag合金相圖五、共析相圖圖2-20共析相圖六、合金的性能與相圖的關(guān)系1.合金的力學性能和物理性能相圖能夠反映出不同成分合金室溫時的組成相和平衡組織，而組成相的本質(zhì)及其相對含量、分布狀況又將影響合金的性能。圖2-21合金的使用性能與相圖關(guān)系六、合金的性能與相圖的關(guān)系2.合金的鑄造性能液相線與固相線間隔越大，流動性越差，越易形成分散的孔洞。共晶合金熔點低，流動性最好，易形成集中縮孔，不易形成分散縮孔。因此鑄造合金宜選擇共晶或近共晶成分，有利于獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。圖2-22合金的鑄造性能與相圖關(guān)系一、金屬的塑性變形1.單晶體的塑性變形（1）滑移單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進行的，即晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動。圖2-23單晶體拉伸示意圖實際上滑移是借助于晶體中位錯的移動來進行的。圖2-24通過位錯實現(xiàn)滑移示意圖（2）孿生單晶體的另一種塑性變形方式是孿生。孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面(孿晶面)及晶向(孿生方向)產(chǎn)生剪切變形。一、金屬的塑性變形1.單晶體的塑性變形圖2-25孿生過程示意圖2.多晶體的塑性變形一、金屬的塑性變形（1）晶格位向的影響由于多晶體中各個晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置。當處于有利滑移位置的晶粒要進行滑移時，必然受到周圍不同位向晶粒的阻礙，使滑移阻力增加，金屬的塑性變形抗力增大。圖2-26多晶體塑性變形示意圖2.多晶體的塑性變形一、金屬的塑性變形（2）晶界的作用在多晶體中，晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度大，位錯移動時的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)為塑性變形抗力增大，強度提高。由于晶界的作用，多晶體往往表現(xiàn)出竹節(jié)狀變形。

圖2-27兩個晶粒試樣在拉伸時的變形二、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響1.冷塑性變形對金屬組織的影響圖2-28冷加工纖維組織（a）變形前晶體組織（b）變形后晶體組織形成纖維組織后，金屬的性能會具有明顯的方向性，其縱向（沿纖維方向)的力學性能高于橫向(垂直于纖維方向)的性能。同時，由于各個晶粒的變形不均勻，使金屬在冷塑性變形后其內(nèi)部存在著殘留應(yīng)力。二、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.冷塑性變形對金屬性能的影響隨著冷塑性變形程度的增加，金屬材料的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化。3.冷塑性變形使金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力降低工件的承載能力、使工件的形狀和尺寸發(fā)生改變、降低工件的耐蝕性等，但殘留壓應(yīng)力可使金屬的疲勞強度提高。熱處理可以消除冷塑性變形后金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力。4.冷變形強化在生產(chǎn)中的影響可以提高金屬的強度、硬度和耐磨性，是強化金屬材料的一種工藝方法，特別是對那些不能用熱處理強化的金屬材料更為重要。三、冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化圖2-29冷變形金屬加熱時組織和性能的變化1.回復冷加工纖維組織無明顯變化，金屬的力學性能也無明顯變化在回復階段，金屬的一些物理、化學性能部分地恢復到了變形前的狀態(tài)。三、冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化圖2-29冷變形金屬加熱時組織和性能的變化2.再結(jié)晶再結(jié)晶也是通過晶核形成和長大的方式進行的。使冷塑性變形金屬的組織與性能基本