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1、机械制造基础 主讲教师-高丽,第二章 工程材料结构,合金的结晶,合金的相结构,铁碳合金状态图,纯金属的晶体结构,第一节 金属的结构,一、晶体的基本概念,（1）晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,一、晶体的基本概念,（2）晶格：把原子看成空间几何点，点与点之间用假想的空间直线连接起来，就构成了三维空间几何格子。 （3）晶胞 能代表晶格原 子排列规律的最 小几何单元,晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b
2、=c，=90 六方晶系：a=b c，=90，=120,(4) 晶格常数：晶胞各棱边的尺寸 a、b、c。 各棱间的夹角用、表示。, 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。, 晶胞原子数：一个晶胞内真正包含的原子数目。 配位数：晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数。 致密度：晶胞中所包含原子所占的体积与该晶胞体积之比。,2. 常见金属的晶格类型及其主要参数,根据原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分 为7种晶系。每个晶系又有多种空间点阵类型， 总共有14种空间点阵类型。,常用金属中，主要的晶格型式为体心立方晶格、 面心立方晶格和密排六方晶格等三种。,配位数： 致密度： 常见金属：,
3、晶格常数：,原子半径：,体心立方晶格 bcc ( body-center cubic lattice ),原子个数：,a=b=c，, = = = 90,8,68%,-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,面心立方晶格 fcc ( face-center cubic lattice ),-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,配位数： 致密度： 常见金属：,晶格常数： a=b=c， = = = 90,原子个数：,12,74%,密排六方晶格 hcp ( close-packed hexagonal lattice ),底面边长 a 和高 c，c/a=1.633,密排六方晶格 hcp,晶格常数:,配位数
4、： 致密度： 常见金属：,12,74%,Mg、Zn、 Be、Cd等,3、立方晶系晶面、晶向表示方法,晶面: 晶体中，由一系列原子所组成的平面。 晶向：任意两个原子之间的连线称为原子列， 表示原子列的方向。, 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括号。形式为uvw。,晶向指数的确定方法,100,010,001,110,101,111,112,晶向族 晶向族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向。 表示方法：晶向族用表示。,立方晶系常见的晶向族,其确定步骤为： 确定原点，建立坐标系(坐标原点应选在待定晶面之外，避免出现零截距)，求出所
5、求晶面在三个坐标轴上的截距。 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括 号，形式为（hkl）。,晶面指数的确定方法,(111),(110),(100),晶面族 晶面族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面。 表示方法：晶面族用hkl表示。,说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。,221,110, 三种常见晶格的密排面和密排方向 密排面：原子密度最大的晶面。 密排方向：原子密度最大的晶向。,三种常见晶格的密排面和密排方向,体心立方晶格,密排面:110，数量: 6,密排方向: ，数量: 4,面心立方晶格,密排方向: ，数量: 6,密排面
6、:111，数量: 4,三种常见晶格的密排面和密排方向,三种常见纯金属的晶体结构,Mg、Zn,-Fe、Ni、Al,-Fe、Cr、W,常见金属,0.74,0.74,0.68,致密度,12,12,8,配位数,6,4,2,原子个数,原子半径,a、c,a=b=c,a=b=c,晶格常数,密排六方,面心立方,体心立方,晶体的各向异性,定义：在晶体中，在不同晶面和晶向上原子排 列方式和密度不同，原子间结合力大小不同， 因而同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能 不同，这种现象称为各向异性。,例如：体心立方-Fe单晶体 晶胞对角线方向：E=2.9105 MPa 晶胞棱边方向：E=1.35105 MPa,4、金属的
7、实际晶体结构与晶体缺陷, 单晶体与多晶体 单晶体（single crystal）：晶格方位完全一致的晶体。 特征：单晶体具有各向异性 例如:单晶硅、单晶锗等。,多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。,光学金相显示的纯铁晶界,多晶体示意图,多晶体（polycrystal) ： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、 外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,光学金相显示的纯铁晶界,晶体缺陷 ( crystal defect ),点缺陷,线缺陷,面缺陷,点缺陷(point defect),空位 (vacancy) 间隙原子 (gap ato
8、m) 置换原子 (substitutional atom),a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。从而使强度、硬度、电阻增加。,位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。 分为刃型位错和螺型位错。,线缺陷(line defect)位错(dislocation),刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘
9、就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正刃型位错，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负刃型位错，用“ ”表示。,刃型位错,刃位错的形成,刃位错滑移_位错线简化图,刃位错滑移_立体图,特点：刃型位错有一个额外的半原子面,螺 型 位 错,螺型位错的特点： 1. 螺型位错没有额外的半原子面 2. 螺型位错线和外力方向平行,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = L/V (m-2) 金属的位错密度10101012/m2 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,电子显微镜下的位错,透射电镜下钛合
10、金中的位错线(黑线),面缺陷晶界与亚晶界 晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 随着相邻晶粒位相差的不同，晶界宽度为510个 原子间距。 根据相邻晶粒之间位相差大小不同，可将晶界分为： 小角度晶界：相邻晶粒的位相差约小于10 大角度晶界：相邻晶粒的位相差约大于10,在多晶体金属中，各晶粒的边界一般属于大角度晶界，位相差在3040范围。,亚晶界,实际晶体中，每个晶粒内部的原子排列并不是十分整 齐，往往观察到这样的亚结构，由直径10100m的晶块 组成，彼此间存在极小的位相差（通常2），这些晶 块之间的内界面称为亚晶界。,小角度晶界可看做位错按一定规律排列而成,熔点低
11、 耐蚀性差 阻碍位错运动，是强化部位， 因而实际使用的金属力求获得细晶粒。,显微组织的显示,晶界的特点,晶体缺陷-总结,点缺陷,线缺陷,面缺陷,空位、间隙原子、置换原子,（晶格畸变）,位错,刃型位错（多余半原子面）,螺型位错,晶界：阻碍位错运动、腐蚀性差、熔点低,亚晶界（晶粒内部）：可看做位错按一 定规律排列而成。,纯金属的结晶,3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。,物质由液态转变为固态的过程。,1.凝固：,2.结晶：,物质由液态转变为晶态的过程。,热分析法,结晶的过冷现象,理论结晶温度,实际结晶温度,过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。 过冷度：
12、理论结晶温度与实际结晶温度的差T。 T= T0 T1,过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,纯金属的结晶过程,1、结晶的基本过程： 液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体晶 核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并继续长大，直至液 态金属全部消失为止。,结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.,（1）晶核的形成,形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质或型壁为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。,均匀形核,非均匀形核示意图,(2) 晶核的长大,晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长
13、大。,实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,树枝状结晶,（3）金属结晶后的晶粒大小,一般来说，细晶粒金属具有较高的强度 和韧性。为了提高金属的力学性能，希 望得到细晶组织。,3、决定晶粒度的因素,晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的速度,越大，晶粒越细小。,N/G,细化晶粒的途径,提高冷却速度、增大过冷度,晶粒细小,变质处理：,机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,加入一些细小变质剂，增大形核率， 减低长大速率。,过冷度对N、G的影响,在铸造生产中，用金属型代替砂型，局 部加冷铁、采用水冷铸型等。,纯金属的结晶-总结,过冷度：,金属的结晶,细化晶粒的主要方法,T= T0 Tn,晶核的形成,晶核的长大,1、增大冷却速度。,理论结晶温度与实际结晶温度的差,2、变质处理。,3、附加振动。,
