金属材料的结构与结晶

第二章金属材料的结构与结晶第一节金属材料的结构一、晶体与非晶体1.晶体（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。例：食盐、金属、金刚石等。特点：固定的形状、熔点及各向异性。2.非晶体（物质）：原子无序排列的物质。例：玻璃、塑料、沥青、松香等。特点：无固定的形状、熔点及各向同性。二、晶体结构的概念实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。a)晶体中的原子排列ac)晶胞及晶格参数表示方法cb)晶格xbz图2-1简单立方晶格与晶胞示意图（一）晶格与晶胞1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。晶体中原子作周期性规则排列，可在晶格内取一个代表晶格特征的，由最少数目原子构成的最小结构单元表示晶格，称为晶胞（图2-1c）。2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。晶胞能反映晶格特征，晶格性质的研究，可转化为研究晶胞性质的问题。为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架（图2-1b）。（三）晶面和晶向晶体中通过原子中心的平面，称为晶面。通过原子中心的直线，代表一定的方向，称为晶向。（二）晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。（图2-1c）棱边长度单位Å，1Å=10-10m当三个晶格参数a=b=c，三个轴间夹角α=β=γ=90º时，称为简单立方晶格。立方晶格中的某些晶面100面110面111面立方晶格中的某些晶向111向110向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。三、金属的三种典型的晶体结构及其特性参数金属中常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。1.体心立方晶格：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和晶胞中心各排列一个原子。（图2-4）a)ab)c)图2-4体心立方晶格的晶包示意图体心立方晶胞中的原子数为1+8×1/8=2个。体心立方晶格类型的金属有室温下的Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。晶胞中原子占有的体积与晶胞体积的比值称为晶格的致密度。体心立方晶格的致密度为0.68，表明在体心立方晶格中有68%的体积被原子所占有，其余为空隙。68.03/4/3423/423333aaar体心立方致密度2.面心立方晶格：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和六个面中心各排列一个原子。（图2-5）面心立方晶胞中的原子数为1/8×8+1/2×6=4个。属于面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni、Ag、Pb、γ－Fe（912~1394℃的铁）等。致密度0.74。图2-53.密排六方晶格：晶包是六方体，在柱体的每个角上和上下底面中心均排列一个原子，晶胞中间还排列三个原子。（图2-6）密排六方晶胞中的原子数为1/6×12+3+1/2×2=6个。密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be等。致密度0.74。图2-6三种典型晶体结构的晶格特性参数如表2-1所示。各种金属因其晶格结构不同，而具有不同的性能。同一晶格类型的金属，因其晶格参数不同，而存在性能上的差异，又因晶格类型相同而具有一些相近的性能。如：体心立方晶格的金属一般具有较好的塑性，密排六方晶格的金属一般较脆，面心立方晶格的金属的塑性一般优于体心立方等。四、实际金属的晶体结构（一）单晶体与多晶体1.单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。金属单晶体只能靠特殊方法制得，具有各向异性。2.多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体。3.晶界:晶粒与晶粒之间的界面。（图2-7）多晶体由于各晶粒方位不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，宏观显示出各向同性，亦称为“伪无向性”。间隙原子空位图2-8晶格点缺陷示意图图2-7多晶体示意图（二）晶体缺陷1．点缺陷：空位和间隙原子。（图2-8）空位和间隙原子使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。2.位错（线缺陷）:晶体中一列或数列原子发生有规律错排的现象。最常见的就是刃型位错。刃位错示意图三维图平面图在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH,如同刀刃插入晶体，称为刃位错。螺型位错在位错附近区域，晶格发生的畸变。位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形通过位错运动来实现的。3.晶界和亚晶界（面缺陷）实际金属是一个多晶体结构。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。晶界处的原子排列不规则，原子处于不稳定状态。一个晶粒内部，有更细小的晶块，其晶格位向差很小，通常小于2º～3º，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界原子排列也不规则。晶界过渡结构示意图亚晶界示意图晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。五、合金的晶体结构1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。2.组元：组成合金的最基本的独立物质。例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非金属或稳定的金属化合物。（一）合金的基本概念3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的均匀组成部分。35钢的显微组织例：35钢的显微组织中白色部分具有相同的化学成分和晶格结构。并与黑色部分以界面分开。ωc=0.03%的铁，体心立方结构。白色部分是一相。一般把固态下的相称为固相，而液体状态称为液相。合金的结构比纯金属复杂，可形成固溶体、金属化合物和混合物。1.固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。一种相在一定条件下可以转变成为另一种相，叫做相变，例如金属结晶，是液相变为固相的一种相变。（二）合金的组织结构固溶体：以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相成为固溶体。固溶体中，含量较多的组元称为溶剂；含量较少的组元称为溶质。例：35钢的显微组织中，白色部分是C溶于铁形成的固溶体。其中铁是溶剂，碳为溶质。（1）间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙所形成的固溶体。（图2-12ａ）只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时才能形成间隙固溶体。例：Fe和C形成间隙固溶体。间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。图2-12（ａ）图2-12（ｂ）（2）置换固溶体：溶质原子占据晶格结点位置而形成的固溶体。（图2-12b）两组元原子尺寸相近时，易形成置换固溶体。可形成有限固溶体和无限固溶体。例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为置换固溶体。（3）固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使强度、硬度提高的现象。固溶强化的机理：溶质溶入导致晶格畸变，使变形困难，从而使强度和硬度提高。这是钢比纯铁强度和硬度高的原因之一。2.金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的具有金属性质的一种新相，其晶格类型不同于合金中的任意组元。例：Fe3C晶体结构与Fe和C均不相同，是Fe和C形成的一种具有金属特性的化合物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中的金属化合物，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁金属的重要组成相。3.机械混合物：纯金属、固溶体或化合物，按一定重量比例组成的均匀物质。例：35钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与Fe3C组成的机械混合物。35钢的显微组织机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的平均值。机械混合物P将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色基体是Fe与C形成的固溶体，含碳0.0218%体心立方晶格（称为铁素体F），黑色条纹为渗碳体（Fe3C）。黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为珠光体（P）组织。组织：用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察到的材料内部的形态结构。组织可以是多相（如P组织），也可以是单相（如F组织），分别称为单向组织和多相组织。小结1.晶体（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。具有固定的形状、熔点及各向异性。2.非晶体（物质）：原子无序排列的物质。无固定的形状、熔点及各向同性。1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。一、晶体与非晶体二、晶格与晶胞3.晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。4.三种典型的金属晶体结构面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良好的塑性；密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be等塑性差；体心立方晶格类型的金属有室温下的Fe、Cr、W、Mo等，塑性介于二者之间。1.单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。2.多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体。3.晶界:晶粒与晶粒之间的界面。4.晶体缺陷（1）点缺陷：空位和间隙原子。（2）线缺陷：主要是位错。（3）面缺陷：晶界和亚晶界。三、实际金属的晶体结构晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。四、合金的晶体结构1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。2.组元：组成合金的最基本的独立物质。3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的各组成部分。4.固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。（1）间隙固溶体；（2）置换固溶体。固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使强度、硬度提高的现象。5.金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的具有金属性质的一种新相，其晶格类型不同于合金中的任意组元。金属化合物一般具有熔点高，硬而脆的特点。常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。6.机械混合物：纯金属、固溶体或化合物，按一定重量比例组成的均匀物质。用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察具有一定的形态。重点：1.三种典型的金属晶体结构及晶格参数。2.合金、组元、相、固溶体、金属化合物、机械混合物的概念。作业P41思考题2-1，2-2第二节金属材料的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果通过凝固形成晶体结构，则称为结晶。一、纯金属的冷却曲线和过冷度1.冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。纯金属结晶是在温度不变条件下进行的。温度不变的原因是结晶时放出了结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量。热分析装置示意图纯金属冷却曲线电炉坩锅金属液热电偶2.平衡结晶温度T0（理论结晶温度）液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平衡结晶温度。平衡结晶温度（凝固点）与加热时的溶化温度（熔点）是同一温度。3.过冷度实际结晶温度T1与平衡结晶温度T0的差值ΔT。在T0液体与晶体共存永远不能完成结晶，实际结晶温度T1总是低于平衡结晶温度T0。ΔT=T0-T1冷速越高实际结晶温度就越低，过冷度也就越大。二、纯金属的结晶过程晶核形成及晶核长大的过程。形核：原子自发聚集并按晶体规律排列，形成微小而稳定的固体质点。晶核长大：液体中的原子在晶核聚集，晶核向着不同位向按树枝生长方式长大；当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶接触时，晶体就向着未凝固的部位生长；直到枝晶间液体全部消失，每一枝晶成长为一个晶粒。纯金属结晶过程示意图三、晶粒大小对金属力学性能的影响2.晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。1.晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平均直径来表示。（表２-2晶粒度）晶粒越细，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现象；同时，晶粒越细，晶界就越多越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形。表现出较高的塑性和韧性。3.细化晶粒的方法（１）增大过冷度过冷度增大，形核率迅速增加，而晶粒生长速度增加较少，从而导致晶粒细化。在生产中增大冷却速度，降低浇注温度，都可以细化晶粒，但只能用于小型和薄壁零件。（２）变质处理（孕育处理）浇注前在液态金属中加入少量的变质剂，促使形成大量非自发晶核