第3章金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶本章要點課程名稱、模塊（章或節(jié)）序號與模塊（章或節(jié)）名稱13.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.2金屬的同素異構(gòu)3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)3.4二元合金相圖3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶23.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按原子（或分子）的聚集狀態(tài)不同分為晶體和非晶體兩大類。在自然界中，除少數(shù)固態(tài)物質(zhì)（如松香、普通玻璃、瀝青等）是非晶體外，絕大多數(shù)固態(tài)無機物都是晶體，常見的固態(tài)金屬都是晶體。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律做周期性的排列；非晶體中這些質(zhì)點是無規(guī)則地堆積在一起。這就是晶體與非晶體的根本區(qū)別。1.晶體與非晶體固體材料的性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定，在制造、使用、研究和發(fā)展固體材料時，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很重要的研究對象。由于金屬材料是最主要的工程材料，且在通常情況下均屬于固體晶體材料。3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶33.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)如果把所有具有相同環(huán)境的原子或原子群作為一個質(zhì)點，則晶體結(jié)構(gòu)可以抽象為這些質(zhì)點在空間上的、周期性規(guī)則排列的空間點陣。在空間點陣中取一單位體積（通常為六面體）作為點陣的最小組成單元，稱為晶胞。以晶胞的棱邊長a、b、c和棱邊之間的夾角a、β、γ（稱為晶格常數(shù)）來表示晶胞大小和形狀。2.晶體的空間點陣晶體中原子排列示意圖a）原子排列模型b）晶格c）晶胞3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶43.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料包括純金屬和合金，在一般情況下都是晶體。最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方、面心立方和密排六方晶格。3.金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)a）體心立方b）面心立方c）密排六方3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶53.1.2實際金屬結(jié)構(gòu)實際的金屬結(jié)構(gòu)都包含著許多小晶體，每個小晶體內(nèi)的晶格方位是一致的，而小晶體之間彼此方位不同。由于每個小晶體都具有不規(guī)則的顆粒外形，故稱為“晶?！?，晶粒是微小的或微米尺度的晶體；晶粒與晶粒之間的界面叫做“晶界”。由于晶界是兩相鄰晶粒不同晶格方位的過渡區(qū)，所以在晶界上原子排列總是不規(guī)則的。這種由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”。鋼鐵材料的晶粒大小一般為10-1~10-3mm左右，所以必須在顯微鏡下才能觀察到，因此也叫“顯微組織”。有色金屬的晶粒一般都比較粗大，有時肉眼就可以看見。1.多晶體結(jié)構(gòu)3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶63.1.2實際金屬結(jié)構(gòu)在實際晶體中，或多或少存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，稱為晶格缺陷。晶格缺陷按幾何形狀可分為點缺陷（晶格空位、間隙原子和置換原子）、線缺陷（晶體中呈連續(xù)線狀分布的位錯）和面缺陷（晶界）三類。所有這些缺陷，都將導(dǎo)致周圍的晶格發(fā)生明顯的畸變，從而對金屬的力學(xué)性能、化學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。2.晶格缺陷點缺陷示意圖刃型位錯結(jié)構(gòu)示意圖a）晶格空位b)間隙原子c）置換原子3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶73.1.3金屬的結(jié)晶（1）冷卻曲線。金屬在結(jié)晶過程中，其結(jié)晶溫度可以用熱分析法測定。將液態(tài)金屬放在爐中緩慢冷卻，在冷卻過程中測得溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，則得到如圖所示的冷卻曲線a。（2）結(jié)晶溫度。由于結(jié)晶時放出潛熱，補償了冷卻散失的熱量，所以冷卻曲線出現(xiàn)水平臺階，即結(jié)晶在恒溫下進行。（3）理論結(jié)晶溫度。在無限緩慢冷卻條件下的平衡結(jié)晶溫度Tm稱為理論結(jié)晶溫度。（4）實際結(jié)晶溫度。曲線b表示實際的結(jié)晶過程。在實際結(jié)晶時，冷卻速度不可能無限緩慢，因此實際結(jié)晶溫度Tn總是低于理論結(jié)晶溫度Tm。（5）過冷度。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。即1.金屬結(jié)晶的概念金屬溶液在凝固后一般都以晶質(zhì)狀態(tài)存在，即內(nèi)部原子由不規(guī)則的排列轉(zhuǎn)變到規(guī)則排列。形成晶體的過程，稱為結(jié)晶過程，它直接影響金屬內(nèi)部的組織與性能。純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線

3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶83.1.3金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶過程是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程，即由晶核的產(chǎn)生和長大兩個基本過程組成的。當(dāng)液相過冷至實際結(jié)晶溫度后，經(jīng)過一段孕育期，在液相內(nèi)部開始出現(xiàn)許多有序排列的小原子團，稱之為晶胚。當(dāng)晶胚達到某一臨界尺寸后，就成為可以穩(wěn)定存在并自發(fā)長大的晶核，這一過程稱為形核。2.金屬結(jié)晶過程純金屬結(jié)晶過程示意圖晶核的形成方式：1）自發(fā)形核，又叫均質(zhì)形核，指液態(tài)金屬絕對純凈，無任何雜質(zhì)，也不和型壁接觸，只是依靠液態(tài)金屬能量的變化，由晶胚直接生核的過程。2）非自發(fā)成核，在實際生產(chǎn)中，金屬液體內(nèi)總是存在著各種固態(tài)質(zhì)點，這種依附于固態(tài)質(zhì)點表面而形成晶核的過程稱為非自發(fā)成核。3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶93.1.3金屬的結(jié)晶金屬結(jié)晶后的晶粒愈細小，晶界的面積就愈大。晶界面積愈大，晶體缺陷就愈多，則對金屬的力學(xué)性能影響愈大。在室溫條件下，細晶粒組織的強度、硬度、塑性和韌性都比粗晶粒組織好。獲得細晶粒的方法通常是增加過冷度、變質(zhì)處理、附加振動和降低澆注速度等。3.鑄態(tài)晶粒的大小及控制3.2金屬的同素異構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶10某些固態(tài)金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)，同一種固態(tài)的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時由一種穩(wěn)定狀態(tài)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。例如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶格類型的晶體，稱為同素異構(gòu)體。同一金屬的同素異構(gòu)體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用α、β、γ、δ等表示。1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3.2金屬的同素異構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶11鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變。鐵在1394oC以上時具有體心立方晶格，稱為δ-Fe；冷卻至1394~912oC之間，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц穹Q為γ-Fe；繼續(xù)冷卻至912oC以下，又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為α-Fe。2.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3.2金屬的同素異構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶12金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時遵循結(jié)晶的一般規(guī)律，如：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時需要過冷；有潛熱放出；轉(zhuǎn)變過程也是通過形核和晶核長大來完成的。因此，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變實際上也是一種結(jié)晶，有時也稱為重結(jié)晶。通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可以使晶粒得到細化。由于金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下發(fā)生的，特點：（1）發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變時，形核一般在某些特定部位發(fā)生，如晶界、晶內(nèi)缺陷等。（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過冷度較大。（3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)菀桩a(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。3.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶133.3.1基本概念（1）合金。由兩種或二種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)，稱為合金。（2）組元。組成合金的元素叫做組元，組元一般指化學(xué)元素，但穩(wěn)定化合物也可以看成是一個組元。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個組元或三個以上組元組成的合金稱為三元或多元合金。液體中，絕大多數(shù)合金的組元能相互溶解，成為均勻的液體。合金的結(jié)晶與純金屬一樣，也是通過形核及長大來完成的。不同的是，由于合金組元間的相互作用，使生成的結(jié)晶產(chǎn)物往往不只含一種組元的晶粒。（3）合金系。合金系是指兩種或兩種以上元素按不同比例配制的系列不同成分的合金。如Cu與Ni可以配制出任何比例的Cu-Ni合金系。合金系也可以分為二元系、三元系或多元系。3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶143.3.1基本概念（4）相。在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。合金結(jié)晶后可以是一種相，也可以是由若干種相所組成。（5）金相組織。合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。組織是在金相顯微鏡下所觀察到的金屬及其合金中各種晶粒的大小、相貌和分布情況，也稱為顯微組織或金相組織。組織是決定合金性能的根本因素。例如45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織，并獲得不同的性能。3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶153.3.2合金的相結(jié)構(gòu)當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)后，組元間仍能相互溶解而形成的晶體相，稱為固溶體。含量較多、保持晶格不變的組元稱為溶劑，含量較少、晶格消失的組元稱為溶質(zhì)。當(dāng)兩組元在固態(tài)無限溶解時，所形成的固溶體稱為連續(xù)固溶體或無限固溶體；當(dāng)兩組元在固態(tài)部分溶解時，所形成的固溶體稱為有限固溶體或端際固溶體。按照溶質(zhì)原子在固溶體中所處的位置，固溶體又可分為：1.固溶體固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可以分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三大類。3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶163.3.2合金的相結(jié)構(gòu)（1）間隙固溶體。溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格的間隙處而形成的固溶體。當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的原子直徑之比小于0.59時，可形成間隙固溶體。過渡族的金屬元素與原子直徑較小的非金屬元素（如C、N、H、O、B等）易形成。都是有限固溶體。（2）置換固溶體。溶劑晶格結(jié)點上的原子被溶質(zhì)原子所代替的固溶體。如果溶劑原子與溶質(zhì)原子直徑差小，兩者在周期表中的位置相近，溶劑與溶質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)又相同，則溶質(zhì)原子在溶劑原子中的溶解度可以是無限的，即形成無限固溶體。反之，則形成有限固溶體。1.固溶體間隙固溶體及其晶格畸變置換固溶體及其晶格畸變?nèi)苜|(zhì)原子溶入溶劑晶格，將使晶格發(fā)生畸變，從而使合金的強度、硬度上升。由于形成固溶體而引起強度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶173.3.2合金的相結(jié)構(gòu)金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而形成具有金屬特性的一種新相。例如在鐵碳合金中碳的含量超過鐵的溶解能力時，多余的碳與鐵相互作用會形成金屬化合物Fe3C。化合物一般具有復(fù)雜的晶格，熔點高，硬而脆。在一個合金系中，固溶體和金屬化合物都是合金的基本相。合金中的化合物分布在固溶體相的基體上，將使合金的強度、硬度明顯提高，但塑性和韌性有所降低。2.金屬化合物3.3二元合金的晶體結(jié)構(gòu)機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶183.3.2合金的相結(jié)構(gòu)大多數(shù)合金既不是單相金屬化合物，也不是由一種固溶體組成的，而是由固溶體與少量金屬化合物（一種或幾種）構(gòu)成的機械混合物。性能主要取決于各組成相的性能和相對量，還與各組成相的形狀、大小及分布有很大關(guān)系。3.機械混合物3.4二元合金相圖機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶19合金相圖是表示在平衡狀態(tài)下，合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解。所謂平衡，是指在一定的條件下合金系中參與相變過程的各相成分和相對質(zhì)量不再變化所達到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。利用相圖可以知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相、各個相的成分及其相對含量。分析合金在結(jié)晶過程中的變化規(guī)律，可以知道相的形狀、大小和分布狀況，即組織狀態(tài)，預(yù)測合金的性能。由兩組元組成的合金系構(gòu)成的相圖，稱為二元合金相圖，又稱為二元合金平衡相圖或二元合金狀態(tài)圖。1.二元合金相圖的定義3.4二元合金相圖機械制造基礎(chǔ)第3章

金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶20最基本的二元相圖是勻晶、共晶和包晶三種類型。（1）勻晶相圖。二組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等二元合金系，均為勻晶相圖。2.二元合金相圖的類型Cu-Ni合金相圖圖中有兩條曲線，上面一條為液相線