金属材料与热处理配套课件第2章

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1、第二章 金属的晶体结构和结晶,第二章 金属的晶体结构和结晶,金属及其合金的晶格结构不同，材料的性能变化显著。本章介绍纯金属的晶体结构及结构类型；合金的概念和合金的晶体结构；晶体结构对机械性能的影响；在冷、热变形时晶格的变化规律和性能变化。,第二章 金属的晶体结构和结晶,第一节 纯金属的晶体结构,金属原子结构的特点是在失去外层电子后，正离子与自由电子以金属键的方式相互作用，将金属原子有规则地结合起来。原子之间结合力的方式和大小就决定了金属的内部组织结构，进而宏观体现为金属的性能。因此了解金属的内部组织结构，对掌握金属材料的性能是非常重要的，为便于理解微观的粒子结构，在分析问题时引入了一些简单、抽

2、象的模型，便于学习过程中的理解和掌握。,第一节 纯金属的晶体结构,金属原子结构的特点是在失去外层电子后，正离子与自由电子以金属键的方式相互作用，将金属原子有规则地结合起来。原子之间结合力的方式和大小就决定了金属的内部组织结构，进而宏观体现为金属的性能。因此了解金属的内部组织结构，对掌握金属材料的性能是非常重要的，为便于理解微观的粒子结构，在分析问题时引入了一些简单、抽象的模型，便于学习过程中的理解和掌握。,第一节 纯金属的晶体结构,一、金属构成的晶体结构 晶体的基本概念 晶体内部的原子按一定几何形状进行有规则地重复排列,如图2-1(a)所示，表现为晶体特征，即有固定的熔点和各向异性，如金刚石、

3、石墨及固态金属与合金。,第一节 纯金属的晶体结构,(1)晶格 为了便于分析晶体中原子排列规律，形象地将原子近似地看成一个点、并用假想的直线将各原子中心连接起来表示原子之间的作用力，便形成一个空间网格结构(图2-1(b),便于理解金属的内部微观的组织结构。这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形，称为晶格,晶格中直线的交点称为结点。,第一节 纯金属的晶体结构,(2)晶胞 在晶体中，原子有规则地排列且有周期性的特点。为便于分析，通常从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图2-1(c)所示。晶格就是由许多大小

4、、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而形成。,第一节 纯金属的晶体结构,(3)晶格参数 晶胞大小和形状可用晶格参数来表示。晶格参数包括晶胞的棱边长度 a、b、c和棱边夹 角、（图2-1c）。晶胞的棱边长度a、b、c又称为晶格数。,第一节 纯金属的晶体结构,二、金属中常见的晶格类型 (1)体心立方晶格 体心立方晶胞如图2-2(a)和(b)所示,在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体,在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和铁等。,图2-2 体心立方晶格与晶胞示意图,第一节 纯金属的晶体结构,(2)面心立方晶格 面心立方晶格如图2-3(a)和(b

5、)所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和铁等。,图2-3 面心立方晶格与晶胞示意图,第一节 纯金属的晶体结构,图2-4 密排立方晶格与晶胞示意图,(3)密排六方晶格 密排六方晶格如图2-4(a)和(b)所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格的金属有铍、锌和钛等。,。,第一节 纯金属的晶体结构,。,第一节 纯金属的晶体结构,三、金属实际的晶体结构 在形成晶体的过程中，晶体的形成时因结晶的条件不同，在

6、液体完全结晶成为固体之后，固体内形成晶格，但也会产生一些晶格上的缺陷，这些缺陷导致晶体的机械性能产生变化。,。,第一节 纯金属的晶体结构,1.单晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。单晶体的结构特点是原子按一定几何规律作周期性排列，在不同方向上的物理、化学和力学性能不相同，即为各向异性。只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。,。,单晶体,第一节 纯金属的晶体结构,多晶体 一般的金属材料，在形成固态的时候，如图2-5所示,在很小的体积内晶格位向是一致的，这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒。而各个晶粒之间彼此间位向却不同，这种由许多晶粒组成的晶体

7、称为多晶体。,。,多晶体,第一节 纯金属的晶体结构,2.晶体中的缺陷 (1)点缺陷 是指在长、宽、高三方向上尺寸都变化的一种缺陷，最常见的是晶格空位和间隙原子，如图2-6所示。点缺陷可使周围原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。,。,第一节 纯金属的晶体结构,(2)线缺陷 是指在晶体中呈线状分布(在一个方向上尺寸很大，另两个方向上尺寸很小)的缺陷，常见的线缺陷是各种类型的位错。其中刃型位错是一种比较简单的位错，如图2-7所示。在位错线EF附近，由于原子错排而产生

8、了晶格畸变，使位错线上方附近原子受到压力，而其下方附近原子受到拉力，而位错线中心的原子错动最大，晶格畸变严重，离位错线越远，晶格畸变越小，甚至恢复正常。,。,刃型位错示意图,第一节 纯金属的晶体结构,(3)面缺陷 晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图2-8所示。实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是由许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。,。,图2-8晶界过渡示意图,第一节 纯金属的晶体结构,(3)面缺陷 亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界，如图2-9所示。晶界处表现出较高的强度和硬度。晶粒

9、越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低、原子扩散速度较快的特点。,。,图2-9亚晶界结构示意图,第二节 合金的晶体结构,。,一、合金的基本概念,(1)合金 合金是指两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）熔合在一起组成的具有金属特性的物质。,(2)组元 组成合金最基本的、独立的物质称为组元。通常组元就是指组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。,(3)合金系 可以由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成了一个合金系。,第二节 合金的晶体结构,。,一、合金的基本概念,(4)相 在纯金属或合金中，具有相同的化学成

10、份、晶体结构和相同物理性能的组分称为“相”。,(5)组织 一般将直接用肉眼观察到的，或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的微观形貌图像统称为组织。,第二节 合金的晶体结构,。,二、合金的相结构,1固溶体 合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。,(1)固溶体的分类 按溶质原子在晶格中所占位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体(图示)。,第二节 合金的晶体结构,。,二、合金的相结构,(2)固溶强化 固溶强化是当溶质原子溶入溶剂晶格中使晶体产生畸变，增加了变形抗力，因而导致材料强度、 硬度提高。这种通过溶入溶质元素，使固溶体强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力

11、学性能的重要途径之一。,(a)置换固溶体 （b）间隙固溶体 固溶体中晶格畸变示意图,第二节 合金的晶体结构,。,二、合金的相结构,2金属化合物 金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用分子式表示。金属化合物的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元，它具有复杂的晶格类型，熔点高，性能硬而脆。当合金中存在金属化合物时，一般能提高合金的强度和硬度，但塑性和韧性降低，故金属化合物是合金的重要强化相。,第三节 纯金属的结晶,1.纯金属的冷却曲线 纯金属的结晶过程可用冷却曲线来描述。图2-12为用热分析法测绘的冷却曲线，即在金属液体缓慢冷却的过程中，观察并记录温度随时间变

12、化的数值，将其绘制在温度、时间坐标中而得到的。,。,图2-12纯金属的冷却曲线,第三节 纯金属的结晶,冷却曲线的说明 由冷却曲线可知，在金属液体缓慢冷却时，随着热量向外散失，温度不断下降，当温度降到T0时，开始结晶。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了其冷却时向外散失的热量，故结晶过程中温度不变，即冷却曲线是出现了一水平线段，水平线段所对应的温度称为理论结晶温度。理论结晶温度是无限缓慢的冷却的条件下结晶的温度，在低于T0温度时，金属由液态完全变成固态，形成了固体的晶体。,。,第三节 纯金属的结晶,冷却曲线的说明 在实际冷却的过程中，因冷却的速度很快，纯金属往往是在低于理论结晶温度才开始结晶，即图2-

13、12中的实际的T1的温度时才开始结晶，此时的结晶温度为实际的温度。实际温度低于理论温度的现象，称为过冷现象；理论温度与实际温度的差值，称为过冷度，用T表示。T= T0- T1，过冷度不是一个恒定的值，与结晶过程中的冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度越大。在实际的结晶过程中，金属都是在一定过冷度下结晶的。,。,第三节 纯金属的结晶,2纯金属的结晶过程 金属的结晶过程形象地分为晶核形成和长大两个基本过程，如图2-13所示，而且这两个过程是同时进行的。,。,图2-13金属结晶示意图,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核和晶核长大的过程,第三节 纯金属的结晶,两种形核方式 自发形核 与 非自发形核

14、,自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。,第三节 纯金属的结晶,两种长大方式 平面生长 与 树枝状生长。,平面生长,第三节 纯金属的结晶,第三节 纯金属的结晶,在完成了晶核之后，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互相接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。图2-14是在金相显微镜下观察

15、到的低碳钢的晶粒和晶界的图像。,第三节 纯金属的结晶,3金属结晶晶粒的大小,第三节 纯金属的结晶,晶粒大小是金属组织的重要标志之一，金属晶粒大小可用单位体积内的晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越细小。但为了测量方便，常以单位截面晶粒数目或晶粒的平均直径来表示，金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要影响。一般来说，在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度和韧性。,3金属结晶晶粒的大小,第三节 纯金属的结晶,(1)增加过冷度 结晶时增加过冷度T，会使结晶后晶粒变细。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度，晶粒长大的时间缩短，造成晶粒小。实际生产中，常常是采用降低铸型来提高冷却速度。,

16、3金属结晶晶粒的大小,第三节 纯金属的结晶,(2)变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质(变质剂)，在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒被显著细化。如在铸铁中加入硅铁、硅钙合金能使铸铁中的石墨细化，以提高铸铁的力学性能指标；在钢液中加入钛、锆、铝等，增加形核率或降低长大速率，达到晶粒细化的目的。,3金属结晶晶粒的大小,第三节 纯金属的结晶,(3)附加振动 在金属结晶时，利用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶粒而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。 (4)降低浇注速度 在浇注时，以较慢速度进行浇注，可以使形核的过程在一定流速下实现，流动的液体可以将形成的晶枝破碎成较小的颗粒，增加了形核率，实现了细化晶粒的目的。,4金属的同素异晶形成,第三节 纯金属的结晶,大多数金属在