第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)(new)講解

機(jī)械制造基礎(chǔ)第3章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.2純金屬及合金的結(jié)晶3.3鐵碳合金相圖3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念固態(tài)物質(zhì)按其原子排列規(guī)律的不同可分為晶體和非晶體兩類。晶體：原子呈規(guī)則排列的物體成為晶體。如：金剛石、石墨、固態(tài)金屬、合金。有固定的熔點(diǎn)非晶體：原子呈不規(guī)則排列的物體成為非晶體。如：玻璃、松香、瀝青、石蠟等。沒(méi)有固定的熔點(diǎn)晶格晶胞晶格常數(shù)晶格晶胞晶格常數(shù)體心立方面心立方密排六方二、常見(jiàn)的金屬晶格類型金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬鍵有很輕的結(jié)合力，所以金屬原子趨向于緊密排列。圖3.3面心立方晶胞圖3.4密排六方晶胞3.2體心立方晶胞4、晶格的致密度原子排列致密度排列：面心立方晶格、密排六方晶格、體心立方晶格。

當(dāng)金屬的晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)引起金屬體積的變化。若體積的變化收到約束，則會(huì)在金屬的內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而引起工件的變形或開(kāi)裂。

2、實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷（晶格的不完整部位），阻礙晶體內(nèi)部之間的運(yùn)動(dòng)。晶體缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。三、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

1、多晶體結(jié)構(gòu)晶粒越細(xì)小，晶粒之間的交界面（晶界）面積越大，阻礙的作用就越強(qiáng)。多晶體示意圖（1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指長(zhǎng)、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見(jiàn)的是：晶格空位和間隙原子線缺陷的形式為各種形式的位錯(cuò)，金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。線缺陷（2）線缺陷線缺陷是指在一個(gè)方向上的尺寸很大，另兩個(gè)方向上尺寸很小的一種缺陷，主要是的中類型的錯(cuò)位面缺陷的形式為晶界與亞晶界，它們使晶格外于畸變狀態(tài)，在常溫下對(duì)多屬塑性變形起阻礙作用。面缺陷（3）面缺陷面缺陷是指在兩個(gè)方向上的尺寸很大，第三個(gè)方向上的尺寸很小而呈面狀的缺陷。固態(tài)合金中的相分為：固溶體和金屬化合物兩類。兩相合金四、合金的晶體結(jié)構(gòu)1、合金的概念：（略）可以全部是金屬，也可以是金屬與非金屬元素2、相的概念：合金中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻組成部分叫做相。

合金中相與相有明顯的界面3、相結(jié)構(gòu)分類：間隙固溶體隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。1、固溶體固溶體的定義溶劑（含量多）、溶質(zhì)（含量少）1）分類：間隙固溶體和置換固溶體（1）間隙固溶體置換固溶體

2）固溶體的性能與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。（2）置換固溶體實(shí)踐表明：適當(dāng)?shù)卣莆展倘荏w中溶質(zhì)的含量，可以顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度。也可以保持相當(dāng)好的塑性和韌性。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。鐵碳合金中的Fe3C2、金屬化合物定義：凡是由相當(dāng)程度的金屬鍵結(jié)合，并具有明顯金屬特性的化合物。金屬化合物的熔點(diǎn)較高，性能硬而脆。

固溶體與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。3.2純金屬及合金的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶1、金屬結(jié)晶的條件

冷卻曲線

理論結(jié)晶溫度（To）實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）過(guò)冷度（ΔT）=T0-T1圖3.10純金屬的冷卻曲線純金屬在理論結(jié)晶溫度T0下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。

過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)。冷速越大，過(guò)冷度越大。過(guò)冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。圖3.10純金屬的冷卻曲線在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間（即孕育期）到T1,一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。

形核后晶核向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。

最終液體全部消失，每個(gè)晶核長(zhǎng)成晶粒2、金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬結(jié)晶的過(guò)程是：不斷形成晶核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變8.12純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe4、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬在結(jié)晶完成后，其晶格不再發(fā)生變化。但也有少數(shù)金屬，如：鐵、鈷、鈦等，在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻時(shí)，還會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，這種轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。重結(jié)晶物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)谀承┨囟ú课恍魏?；固態(tài)下擴(kuò)散困難，過(guò)冷傾向大；隨著體積的變化，內(nèi)應(yīng)力大很。L

L+Cu-Ni合金相圖

液態(tài)合金的溫度冷卻到液相線1點(diǎn)的時(shí)候，開(kāi)始結(jié)晶產(chǎn)生固溶體。1144二、合金的結(jié)晶1、二元相圖的建立

隨溫度從1點(diǎn)下降到4點(diǎn)，固溶體不斷增加，剩余液相不斷減少。

溫度降到4點(diǎn)以下時(shí)，結(jié)晶結(jié)束，液相全部成為固溶體。L

L+二、合金屬的結(jié)晶Cu-Ni合金相圖11442、二元?jiǎng)蚓鄨D1）相圖分析液相線、固相線把相圖分為三個(gè)區(qū)域液相區(qū)、固液共存區(qū)、固相區(qū)2）合金結(jié)晶過(guò)程分析二、合金屬的結(jié)晶3、二元共晶相圖Lα+β二、合金屬的結(jié)晶4、二元共析相圖Lα

α

β1+β2練一練——說(shuō)錯(cuò)了沒(méi)有？1）凡是由液體凝固成固體的過(guò)程都是結(jié)晶過(guò)程。（）2）室溫下，金屬晶粒越細(xì)，則強(qiáng)度越高、塑性越低。 （）3）在高溫狀態(tài)下進(jìn)行的變形加工稱為熱加工。

（）4）在合金相圖中，縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 （）5）金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度均低于理論結(jié)晶溫度。

（）6）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程不遵循晶核形成和晶核長(zhǎng)大的規(guī)律。

（）×××√√×練一練——這次該選誰(shuí)？1）金屬結(jié)晶時(shí)，冷卻速度越快，其實(shí)際結(jié)晶溫度將（）

a.越高 b.越低c.越接近理論結(jié)晶溫度

2）下列不是鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的是（）。

a.α-Fe b.γ-Fe c.β-Fe d.δ-Fe

3）面心立方晶格中，每個(gè)晶胞內(nèi)完全擁有（）個(gè)原子。

a.2 b.4 c.6 d.8bCb練一練——還缺點(diǎn)什么？1）金屬晶格的常見(jiàn)類型有

晶格、

晶格、

晶格，α-Fe的晶格是

。

2）結(jié)晶過(guò)程就是晶核的

與

的過(guò)程。

3）純鐵在固態(tài)下有α-Fe、

、

三種同素異構(gòu)體。4）固態(tài)物質(zhì)按照原子在空間的排列方式，分為非晶體和

。

體心立方形成晶體γ

-Feδ-Fe面心立方密排六方體心立方長(zhǎng)大練一練——還缺點(diǎn)什么？5）晶體與非晶體結(jié)構(gòu)上的最根本的區(qū)別是，晶體內(nèi)原子排列是：。6）7）實(shí)際金屬晶體中存在：

三種缺陷，引起晶格

。7）位錯(cuò)屬于

缺陷。8）結(jié)晶的條件是

。呈規(guī)律點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷畸變線過(guò)冷度練一練——還缺點(diǎn)什么？9）溶質(zhì)溶入使固