1、第三章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,教學(xué)目的與要求 掌握晶體的概念及常見的晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)缺陷對其性能的影響； 了解純金屬的結(jié)晶過程和晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響及細(xì)化晶粒的方法； 掌握合金的基本結(jié)構(gòu),研究表明,金屬材料的性能與其化學(xué)成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有著密切和聯(lián)系。 即使是同一材料，由于加工工藝不同也會使其具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而有著不同的性能。 我們研究金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，就是了解其性能，利用其合理選材，確定金屬加工方法的基礎(chǔ)知識。,第一節(jié) 金屬晶體結(jié)構(gòu),一、晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)根據(jù)其原子排列排列特征，可分為晶體和非晶體。,一、晶體與非晶體,晶體與非晶體的區(qū)別: 內(nèi)部的原子排列有規(guī)

2、律，故有規(guī)則的外形，固定的熔點。此外，晶體在不同的方向上具有不同的性能，表現(xiàn)出各向異性的特征。 內(nèi)部原子排列無規(guī)則，所以沒有規(guī)則的外形，沒在固定的熔點，在各個方向上的原子聚集密度大致相同，故表現(xiàn)出各向同性。,二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)及類型,（一）晶格 將每個原子視為一個幾何 質(zhì)點，并用一些假想的幾 何線條將各質(zhì)點連接起來， 便形成一個空間幾何格架。 這種抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架稱為晶格。,（二）晶胞 由于晶體中原子作周期性規(guī)則排列，因此可以在晶格內(nèi)取一個能代表晶格特征的，且由最少數(shù)原子排列成最小結(jié)構(gòu)單元來表示晶格，稱為晶胞。,二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)及類型,（三）常用的金屬晶格類型

3、,1. 體心立方晶格 -鐵、鉻、鉬、鎢、釩,2. 面心立方晶格,-鐵、銅、鋁、鎳等,3. 密排六方晶格,鈹、鎂、鋅、鎘等,三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu),晶體內(nèi)的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。 由多晶粒組成的實際晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。 而實際的金屬晶體是由許多不同方位的晶粒所組成。 晶粒與晶粒這間的界面稱為晶界。,三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu),1、點缺陷 點缺陷的存在使金屬能夠比較容易的發(fā)生擴散現(xiàn)象,三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu),2. 線缺陷-位錯 位錯的存在使金屬能夠比較容易發(fā)生塑性變形。,三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu),3. 面缺陷 面缺陷的存在使金屬的強度提高,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,結(jié)晶 金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣?/p>

4、態(tài)的過程稱為金屬的結(jié)晶。金屬結(jié)晶后形成的組織影響金屬材料的性能。 一、冷卻曲線和過冷度 1）冷卻曲線,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,2）過冷現(xiàn)象 過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差T：TTm-Tn 結(jié)晶時的冷卻速度越大，過冷度就越大。,二、金屬的結(jié)晶過程,金屬的結(jié)晶過程形核與長大過程,金屬熔液,形成晶核,晶核長大,形成晶體,三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小,1. 晶粒大小對力學(xué)性能的影響 實際金屬結(jié)晶后，獲得由許多晶粒組成的多晶體組織。在多晶體中，晶粒的大小對其力學(xué)性能影響很大。 晶粒越細(xì)小，金屬的強度、硬度越高、塑性、韌性愈好。所以實際中總是使金屬及其合金獲得較細(xì)的晶粒組織。,冷速大,冷速小,加快液態(tài)金

5、屬的冷卻速度,三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小 2. 晶粒大小的控制,三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小 2. 晶粒大小的控制,加入人工晶核,晶粒細(xì)化,采用機械振動、超聲波振動和電磁振動等。,變質(zhì)處理,第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,大多數(shù)金屬在結(jié)晶后的冷卻過程中，其晶體結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。但某些金屬如鐵、鈦、鈷等在結(jié)晶后晶格類型會隨溫度的變化而發(fā)生變化。 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶格的晶體，稱為同素異構(gòu)體。 在常溫下的同素異構(gòu)體一般用希臘字母表示，較高溫度下的同素異構(gòu)體依次用、表示。,第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,同一種元素在不同條件下具有

6、不同的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度等外界條件變化時，晶格類型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:,第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵的一個重要特性，它是鋼 鐵進行熱處理的理論依據(jù)。它是通過原子的重新排列 來完成的。 有如下特點： （1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核的形成和長大兩個基 本過程來完成的，新晶核優(yōu)先在原晶界處生成。,第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有過冷（或過熱）現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)變時具有較大的過冷度。 （3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進行的，它與液體結(jié)晶相比有不同之處。 （4

7、）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時常伴有金屬體積的變化。,第四節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu),一、基本概念 1、組元 組成合金的基本的物質(zhì)叫組元。一般來說，組元就是組成合金的元素，有時也可能是穩(wěn)定的化合物。 2、合金系 由若干個給定組元按不同比例配制成的一系列化學(xué)成分不同的合金，稱為合金系。,第四節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu),3、相 相是指在合金中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)、相同性質(zhì)的均勻部分，并與其它相有明顯界面之分。 4、組織 組織是指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)。,二、合金的晶體結(jié)構(gòu),固態(tài)合金中的相，按其組元原子的存在方式可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三大基本類型 。 （一）固溶體,二、合金的晶體結(jié)

8、構(gòu),（二）金屬化合物,二、合金的晶體結(jié)構(gòu),（三）機械混合物 純金屬、固溶體、金屬化合物均是組成合金的基本相，由兩相或者兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。,第五節(jié) 合金的結(jié)晶,一、合金的結(jié)晶過程 合金結(jié)晶后，可形成不同類型的固溶體、金屬化合物或機械混合物，其結(jié)晶過程也如同純金屬一樣，也是形核和長大兩個過程。同時結(jié)晶時也需要一定的過冷度，結(jié)晶結(jié)束后形成多晶粒組成的晶體。,一、合金的結(jié)晶過程,合金與純金屬結(jié)晶的不同之處是： （1）純金屬結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個臨界點。而合金絕大多數(shù)是在一個溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶，結(jié)晶的開始溫度與終止溫度不同，有兩個或兩個以上臨界點。 （2）合金在結(jié)晶過程中，在

9、局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分有變化，當(dāng)結(jié)晶終止后，整個晶體的平均化學(xué)成分與原合金的化學(xué)成分是相同的。,一、合金的結(jié)晶過程,（3）合金結(jié)晶后不一定是單相，一般有三種情況：單相固溶體、單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械混合物；結(jié)晶開始形成單相固溶體（或單相化合物），剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物（如共晶體）。,二、合金結(jié)晶的冷卻曲線,合金的結(jié)晶過程較復(fù)雜，一般合金結(jié)晶的冷卻曲線有以下三種形式： 1、形成單相固溶體的結(jié) 晶冷卻曲線 結(jié)晶過程有兩個臨界點。,2、形成單相化合物的結(jié)晶冷卻曲線 從一定成分的液體合 金中同時結(jié)晶出兩種單相 物質(zhì)，則該轉(zhuǎn)變過程稱為 共晶轉(zhuǎn)變，其結(jié)晶產(chǎn)物稱 為共晶體。它是在恒溫下

10、 進行的。,二、合金結(jié)晶的冷卻曲線,二、合金結(jié)晶的冷卻曲線,3.形成機械混合物的結(jié)晶冷卻曲線（） 在固態(tài)下由一種單相 固溶體同時析出兩相固體 物質(zhì)，稱為共析轉(zhuǎn)變（共 析反應(yīng)）。共析轉(zhuǎn)變與共 晶轉(zhuǎn)變一樣，也是是在恒 溫條件下進行的。,第六節(jié) 金屬鑄錠的組織特征,金屬結(jié)晶產(chǎn)品類型： 鑄件： 結(jié)晶后在鑄造狀態(tài)下直接使用 鑄錠： 結(jié)晶后要進行軋制、鍛造等加工 一、鑄錠的組織結(jié)構(gòu) 表面細(xì)晶粒區(qū) 鑄錠的組織結(jié)構(gòu) 柱狀晶粒區(qū) 等軸晶粒區(qū),第六節(jié) 金屬鑄錠的組織特征,表面細(xì)晶粒區(qū)的晶粒細(xì)小，區(qū)域厚度小，組織致密，成分均勻，力學(xué)性能好。 柱狀晶粒在鍛造和軋制時容易使金屬材料沿結(jié)合面開裂，故常采用振動澆注或變質(zhì)處

11、理方法來抑制柱狀晶粒的擴展。 等軸晶粒區(qū)的晶粒粗大，組織疏松，力學(xué)性能差。 金屬鑄錠還有組織不均勻、縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。,第六節(jié) 金屬鑄錠的組織特征,二、定向結(jié)晶和單晶 1.定向結(jié)晶 通過控制冷卻方式，使鑄件沿軸向形成一定的溫度梯度，從而可使鑄件從一端開始凝固，并按一定方向向另一端發(fā)展的結(jié)晶過程。 2.單晶 單晶就是其原子都是按照一個規(guī)律和一致的位向排列的一個晶體。 單晶體制備的基本原理：使液態(tài)結(jié)晶時只形成一個晶核，再由這個晶核提拉成一整塊晶體（稱為拉晶）。,第七節(jié) 金屬塑性變形與再結(jié)晶,塑性是金屬材料的重要特性。 金屬壓力加工（塑性加工）是利用塑性通過軋制、鍛壓、擠壓、沖壓、拉拔等

12、成型工藝，使金屬材料產(chǎn) 生一定的塑性變形而獲得工件的。 一、金屬塑性變形 金屬在承受塑性加工時，產(chǎn)生塑性變形，宏觀上 改變了材料的形狀和尺寸；,一、金屬塑性變形,變形過程包括彈性變形和塑性變形兩個階段。 彈性變形在外力去除后能夠恢復(fù)原狀，不能用于成形加工；只有塑性變形這種永久性的變形才能用于成形加工。 金屬塑性與變形抗力有密切的關(guān)系。塑性越好，變形抗力越小，則越容易進行壓力加工。,一、金屬塑性變形,1、塑性變形實質(zhì) 滑移是晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動。,一、金屬塑性變形,單晶體的變形方式有滑移和孿晶兩種。,金屬發(fā)生滑移的

13、可能性越大， 塑性就越好。 滑移機理：晶體的一部分相對于晶體的另一部分沿滑移面作整體滑動，即滑移面上每一個原子都同時移到與其相鄰的另一個平衡位置上 。,一、金屬塑性變形,一、金屬塑性變形,晶界上原子排列不很規(guī)則, 阻礙位錯的運動, 使變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。 晶粒越細(xì)，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。,一、金屬塑性變形,細(xì)晶粒金屬的強度較高，塑性較好，所以斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性也較好。 生產(chǎn)中總是設(shè)法獲得細(xì)小均勻的晶粒，使金屬材料具有較高的綜合力學(xué)性能。

14、金屬塑性變形過程實質(zhì)是位錯沿滑移面的運動過程。,一、金屬塑性變形,2、冷變形強化 隨著金屬變形程度的增加，金屬材料的強度、硬度增加，而塑性、韌性降低，這一現(xiàn)象稱為冷變形強化。 變形后，晶格嚴(yán)重畸變，晶粒由原來的等軸晶粒變?yōu)檠刈冃畏较蜓由斓木Я?，同時晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了滑移帶。當(dāng)變形程度很大時，晶粒被拉長呈纖維組織。,一、金屬塑性變形,二、回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大,金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，由于晶格嚴(yán)重變形，內(nèi)部儲存著較高的能量，其組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 在室溫下金屬原子活動能力低，不易擴散，這種現(xiàn)象可維持相當(dāng)長的時間而不發(fā)生明顯變化。 如對冷變形金屬進行加熱，則可提高原子的活動能力，促進這種不穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三階段后轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定狀態(tài)。,二、回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大,1、回復(fù) 當(dāng)加熱溫度較低時，冷變形金屬的顯微組織無明顯變化，力學(xué)性能變化亦不大，但殘余應(yīng)力則顯著降低，物理和化學(xué)性能部分地恢復(fù)到變形前的情況，這一階段稱為回復(fù)。,二、回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大,2、再結(jié)晶 當(dāng)加熱溫度較高時，金屬中由破碎、被拉長或壓扁的晶粒變?yōu)樾碌木鶆?、?xì)小的等軸晶粒，同時也使加工硬化和殘余應(yīng)力