什么是各晶粒内部原子排列的位向？

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是成分相同的材料，当经过不同的热加工或冷变形加工后性能也会有很大差异。金属材料之所以具有不同的性能与它的内部原子排列规律和结构缺陷有密切的关系。纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。本章主要内容：1．金属的晶体结构2．金属的实际晶体结构3．金属的结晶过程和同素异构转变4．合金的基本概念5．铁碳合金的基本组织6．铁碳合金相图7．碳素钢本章基本要求：1、了解金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论；2、理解合金的基本概念；3、理解铁碳合金的基本组织的概念和特点；4、掌握铁碳合金相图主要点、线、区的含义以及典型铁碳合金的结晶过程；5、理解钢中常存的杂质元素及其对钢的性能的影响；6、掌握碳素钢的分类、牌号和应用。本章重点难点：1、金属晶体结构及结晶过程的基本概念和基本理论；2、合金的基本概念及铁碳合金的基本组织；3、铁碳合金相图；4、碳素钢的牌号和用途。第一节金属的晶体结构本节导航：[一、金属是晶体][二、晶体结构的基本概念][三、常见晶格类型]一、金属是晶体金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为非晶体与晶体两种。非晶体：原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等。晶体特点：晶体的原子排列1、原子都按一定的次序作有规则的排列；2、具有一定的熔点；3、具有各向异性。如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。二、晶体结构的基本概念晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：晶格的最小单元，如下图所示。晶格与晶胞晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ（轴间夹角）。晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-8cm。通常数值在2.5～5.0A之间。简单立方晶格a=b=c,α=β=γ各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。三、常见晶格类型常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1、体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示,属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。体心立方晶格2、面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。这类金属的塑性都很好。面心立方晶格3、密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子，如图18-4所示。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。密排六方晶格第二节金属的实际晶体结构本节导航：[一、单晶体与多晶体][二、晶体的缺陷]一、单晶体与多晶体金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体，如图所示。多晶体：是由多晶粒组成的晶体结构。晶界：晶粒之间的接触面。多晶体单晶体单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致)，如图所示。单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。二、晶体的缺陷在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。晶体缺陷按几何形状可分为：1、点缺陷晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。如图所示。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。2、线缺陷线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。如图所示。刃型位错3、面缺陷面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。多晶体存在有晶界，由于晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，致使该区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变，如图所示。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全有规则的，而是由许多位向差很小的晶块所组成的。这些小晶块称为嵌镶块或亚晶粒。在亚晶粒的交界面，即亚晶界处也存在着晶格畸变，如图所示，它也是面缺陷。晶界亚晶界第三节金属的结晶过程本节导航：[一、金属的结晶过程][二、同素异构转变]一、金属的结晶过程1、基本概念结晶：是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程。冷却曲线：通过实验将金属液体缓慢冷却凝固过程中温度与时间的关系绘制成的曲线，如图所示。冷却曲线上有一水平段，就是纯金属的实际结晶温度，图中T0表示理论结晶温度，也就是金属的结晶速度恰好等于它的熔化速度时所对应的温度，显然当高于这个温度时，固态金属便不断熔化，只有当低于这个温度时，液态金属才会不断结晶。所以实际结晶温度必须在理论结晶温度以下，这种现象称为过冷。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差：ΔT=T0-Tn。过冷是结晶的必要条件。晶核：形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外来晶核两种。纯金属的冷却曲线2、结晶过程液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了，如图所示。纯金属的结晶过程（点击图片观看视频）3、晶粒大小与机械性能的关系金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法：(1)加快冷却速度金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动力增加，生核速率增长要快一些，故过冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部则是粗晶。提高过冷度可细化晶粒(2)变质处理在浇注时向液态金属中加入一定的变质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸件的整个体积内都能得到均匀细化的晶粒。(3)振动机械振动、超声波振动、电磁振动等，造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到细化目的。此外，还可以采用热处理和压力加工的方法，使固态金属的粗晶粒细化。二、同素异构转变大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异构性。同素异构转变：金属在固态下晶格随温度发生改变的现象。纯铁是具有同素异构性的金属，如图是铁的同素异构转变的冷却曲线。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放出和过冷现象。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。第四节合金的基本概念本节导航：[一、合金的基本概念][二、合金的相结构]一、合金的基本概念1.合金合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是铁和碳组成的合金。2.组元组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如Fe3C、Al2O3、CaO等。合金按组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。3.合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。4.相合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在则称为两相。5.组织由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。二、合金的相结构合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种。1.固溶体固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体叫做固溶体。根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。如图所示。置换固溶体间隙固溶体固溶体晶格的畸变（如图）使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。固溶体晶格畸变2.金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。3.机械混合物当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。第五节铁碳合金的基本组织本节导航：[一、铁素体][二、奥氏体]［三、渗碳体］［四、珠光体］［五、莱氏体］钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。一、铁素体(F)它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体(简称α固溶体)。通常用符号F表示。晶体结构呈体心立方晶格，碳在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃时最大溶解度为0.0218%。铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ=50%。二、奥氏体(A)碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表示。晶体结构呈面心立方晶格。由于γ铁晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度和硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。三、渗碳体(Fe3C)它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。四、珠光体(P)珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。所以其性能介于它们二者之间，强度较高,σb=750MPa，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。五、莱氏体(Ld)奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。它是C=4.3%的铁碳合