第二章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)-孫學(xué)強(qiáng)主編.ppt

1、,第二章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu),機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,教 學(xué) 要 求,通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解和掌握金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷，以及合金的相結(jié)構(gòu)為以后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu),第三節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),主 要 內(nèi) 容,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,本 章 重 點(diǎn),合金的相結(jié)構(gòu)； 金屬的晶體缺陷。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識,1、晶體與非晶體,固態(tài)物質(zhì)按原子（或分子）的聚集不同分為兩類：,晶 體 原子具有規(guī)則排列的物質(zhì)；,非 晶 體 原子不具有規(guī)則排列的物質(zhì)。,晶體的三個特征：,（1）晶體中的原

2、子（或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性的重復(fù)排列，因此晶體具有規(guī)則的外形；,（2）晶體具有固定的熔點(diǎn)（如鐵為1538、鋁為660 ）；,（3）在不同的方向上具有不同的性能，即具有各向異性。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,二、金屬的晶體缺陷,晶體缺陷晶體內(nèi)部由于結(jié)晶條件或加工等方面的影響，使原子排列規(guī)則受到破壞，表現(xiàn)出原子排列的不完整性。按照缺陷的幾何特征，可分為以下類：,1、空位和間隙原子（點(diǎn)缺陷）,在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占有，在晶格中便出現(xiàn)了空的結(jié)點(diǎn)，這種空著的晶格結(jié)點(diǎn)稱為晶格空位。同時，又有可能在個別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子。這種不占據(jù)正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱

3、為間隙原子如圖2-10所示。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,晶格：把原子看成一個點(diǎn)，用假想的線條把原子連接起來構(gòu)成的空間格子。,晶胞：能反映晶格特征的最小幾何單元體。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,二、金屬中常見的晶格類型 在已知的80余種金屬元素中，大多數(shù)金屬都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)。最常見的金屬晶格有三種類型。,1、體心立方晶格,體心立方晶格的晶胞是一個立方體，在立方體的八個頂角上各有一個原子，在立方體的中心還有一個原子。 具有體心立方晶格的金屬有鉻、鎢、鉬、釩及鐵等。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,2、面心立方晶格,面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，在立方體的八個頂角各有一個原子，同時在立方體的六個面的中心又各

4、有一個原子。具有這種晶格的金屬有銅、鋁、銀、金、鎳、鐵等。,3、密排六方晶格,密排六方晶格的晶胞是一個正六棱柱體，在柱體的12個頂角上各有一個原子，上下底面的中心也各有一個原子；晶胞內(nèi)部還有三個呈品字形排列的原子。具有這種晶格的金屬有鈹、鎂、鋅和鈦等。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu),一、合金的基本概念,1、合金 由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起，形成具有金屬特性的物質(zhì)。,例如，鋼是由鐵和碳組成的合金；普通黃銅是由銅和鋅組成的合金。,合金除有金屬的基本特性外，還有優(yōu)良的力學(xué)性能及某些特殊的物理和化學(xué)性能，如高強(qiáng)度、強(qiáng)磁性、耐熱性及耐蝕性等。,2、組元

5、組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元稱為組元。合金的組元通常是純元素，但也可以是在所研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何反應(yīng)的穩(wěn)定化合物。,根據(jù)合金組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金和多元合金。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,3、合金系 由二個或二個以上的組元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金，稱為一個合金系，簡稱系。如Cu - Zn系、Pb - Sn系、Fe - C系等。,4、相 合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。液態(tài)物質(zhì)稱為液相，固態(tài)物質(zhì)稱為固相。在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。我們后面將要提到“組織”這個名詞，這是一個與“相”最易混淆的概

6、念。,所謂組織，是指用肉眼或借助顯微鏡觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。實(shí)質(zhì)上它是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱。它直接決定著合金的性能。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,二、合金的相結(jié)構(gòu),根據(jù)組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩基本類型。,（一）固溶體 合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。,固溶體的晶格類型與其中某一組元的晶格類型相同。能保留晶格形式的組元稱為固溶體的溶劑，其它組元稱為溶質(zhì)。,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所占據(jù)的位置，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種基本類型，如圖2-7所示。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,1、置換

7、固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)了部分溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱置換固溶體 。,根據(jù)固溶體中溶質(zhì)原子的溶解情況，置換固溶體又分為有限固溶體和無限固溶體。,有限固溶體溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解量受到限制，只能部分占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置，則稱為有限固溶體 。 無限固溶體 若兩組元可以按任意比例相互溶解，即溶質(zhì)原子能無限制地占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)，則形成無限固溶體。,如鐵和鉻、銅和鎳 就能形成無 限固溶體。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,提問： 在什么情況下會形成無限固溶體？,2、間隙固溶體 溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體叫做間隙固溶體。,由于溶劑晶格的間隙很小，所以只有溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑之比較小時 (

8、小于0.59) 才能形成間隙固溶體。 由于溶劑晶格中的間隙總是有限的，所以間隙固溶體都是有限固溶體。,3、固溶體的性能,由于溶質(zhì)原子溶人溶劑晶格后，不論是形成間隙固溶體，還是形成置換固溶體，都將引起晶格畸變，使其塑性變形的抗力增大，因而使得合金的強(qiáng)度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,當(dāng)材料的強(qiáng)度、硬度提高時，其塑性和韌性有下降的趨勢，但只要其固溶度控制得當(dāng)，塑性和韌性仍可保持良好。因此固溶體合金常具有比較好的綜合力學(xué)性能。 另外，固溶體內(nèi)晶格的畸變還會使固溶體合金某些物理性能發(fā)生變化，如降低導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。如果是單相固溶體合金，則在電解質(zhì)中不會像兩相合金那樣構(gòu)成微電池

9、，故單相固溶體合金的耐蝕性較高，某些不銹鋼就是利用了這一原理。,（二）金屬化合物,金屬化合物是各組元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格類型和性能完全不同于任一組元，并且有一定金屬性質(zhì)的新相。,例如，鋼中滲碳體 ( Fe3C ) 是鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有如圖2-8所示的復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,金屬化合物的熔點(diǎn)較高，性能硬而 脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常 能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但 會降低塑性和韌性。 金屬化合物是各類合金鋼硬質(zhì)合金和許多有色金屬的重要組成相，常作為強(qiáng)化相來發(fā)揮作用。 實(shí)際合金的組織可能是由單一的固溶體或金屬化合物組成的，也可能是由幾

10、種成分和性能不同的固溶體，或固溶體與金屬化合物所組成的。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,第三節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、實(shí)際金屬的多晶體結(jié)構(gòu),單晶體是指具有一致結(jié)晶位向的晶體 (圖2-9a ) ，表現(xiàn)出各向異性。實(shí)際的金屬都是由許多結(jié)晶位向不同的單晶體組成的聚合體，稱為多晶體，如圖29b所示。每一個小的單晶體叫做晶粒。晶粒與晶粒之間的界面叫做晶界。,由于多晶體中各個晶粒的內(nèi)部構(gòu)造是相同的，只是排列的位向不同，而各個方向上原子分布的密度大致平均，故多晶體表現(xiàn)出各向同 性，也叫“偽無向性”。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,二、金屬的晶體缺陷,晶體缺陷晶體內(nèi)部由于結(jié)晶條件或加工等方面的影響，使原子排列規(guī)則受到破壞，

11、表現(xiàn)出原子排列的不完整性。按照缺陷的幾何特征，可分為以下三類：,1、空位和間隙原子（點(diǎn)缺陷） 在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占有，在晶格中便出現(xiàn)了空的結(jié)點(diǎn)，這種空著的晶格結(jié)點(diǎn)稱為晶格空位。 同時，又有可能在個別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子。這種不占據(jù)正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱為間隙原子，如圖2-10所示。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,2位錯 （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。刃型位錯是金屬晶體中最常見且最簡單的位錯。 當(dāng)晶體中有一個原子平面中斷在晶體內(nèi)部時，這個原子平面就像一把刀插在一個完整的晶體內(nèi)，原子平面中斷處的邊緣(稱為位錯線)就像刀刃，

12、這種位錯稱為刃型位錯，如圖2-11所示。,由于原子的錯排， 在位錯線周圍引起了晶 格畸變，從而產(chǎn)生了應(yīng) 力場。 位錯理論對研究金屬的塑性變形機(jī)理，分析金屬材料的力學(xué)性能等有著重要的作用。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,3晶界和亞晶界（面缺陷）,多晶體中，晶粒之間存在著晶界。晶界上原子的排列是不規(guī)則的，并受到相鄰晶粒位向的影響而取折衷位置，如圖2-12所示。,由于晶界處原子排列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使晶界表現(xiàn)出與晶內(nèi)不同的特征。 晶界處能量高，易被腐蝕，熔點(diǎn)也比晶內(nèi)低，晶界處雜質(zhì)多，阻礙位錯的運(yùn)動，使金屬不易發(fā)生塑性變形(常溫下，細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度比粗晶粒金屬高)等。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,亞晶界實(shí)際上是由一系列刃

13、型位錯所形成的小角度晶界，如圖2-13所示。,由于亞晶界處原子排列同樣要產(chǎn)生晶格畸變，因而亞晶界對金屬性能有著與晶界相似的影響。 例如，在晶粒大小一定時，亞結(jié)構(gòu)越細(xì)，金屬的屈服強(qiáng)度就越高。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,小 結(jié),純金屬常見的晶格結(jié)構(gòu)主要為體心立方、面心立方和密排方三種類型。 合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩種基本類型。 固溶體根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所占據(jù)的位置，分為置換固溶體和間隙固溶體。 金屬化合物的熔點(diǎn)高，性能硬而脆，是各類合金鋼、硬質(zhì)合金和有色金屬的重要組成相，常作為強(qiáng)化相來發(fā)揮作用。 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)都存在著晶體缺陷，按晶格缺陷的幾何特征可將其分為三類：空位和間隙原子（點(diǎn)缺陷）、位錯（線缺陷）及晶界和亞晶界（面缺陷）。,機(jī)械制造基礎(chǔ) 第二章,習(xí) 題,2-1 什么是晶體? 晶體的主要性能是什么? 2-2 解釋