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1、2.1 金属材料的晶体结构与结晶 2.1.1 金属的晶体结构 2.1.2 纯金属的结晶 2.1.3 金属的同素异构转变 2.1.4 合金的晶体结构2.2 铁碳合金相图 2.2.1 二元合金相图种类 2.2.2 铁碳合金相图,第2章 金属材料的组织结构,物质由原子、分子或离子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。,原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。,C60,金属键,2.1 金属材料的晶体结构与结晶,2.1.1 金属的晶体结构一、基本概念晶体：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：原子呈无序排列的固体。 在一定
2、条件下晶体和非晶体可互相转化。,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。 直线的交点（原子中心）称结点。 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 。,晶胞： 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,晶格常数： 各棱边的尺寸 a、b、c；夹角、。,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=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120,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：一个晶胞内所包含的原子数目。,配位数: 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目.致密度：晶胞中原子本身所占的
3、体积百分数。,二、金属的晶体结构1、纯金属的晶体结构 金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 金属原子趋向于紧密排列。,具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。, 体心立方晶格,体心立方晶格,体心立方晶格的参数,体心立方晶格,原子个数：2配位数： 8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：, 面心立方晶格,面心立方晶格,面心立方晶格的参数,原子个数：4配位数： 12致密度：0.74常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、P
4、b、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格, 密排六方晶格,密排六方晶格,密排六方晶格的参数,原子个数：6配位数： 12致密度：0.74常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格,2、实际金属的晶体结构, 单晶体与多晶体单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。 特征：同一位向如金刚石、水晶单晶硅等。,多晶体： 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。,晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。, 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中
5、存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类, 即点、线、面缺陷。, 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。,空位：晶格中某些缺排原子的空结点。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。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、硬度提高，塑性、韧性下降。, 线缺陷：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个方向上尺寸较大的缺陷； 晶体中的位错是典型的线位错。 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错； 分为刃型位错和螺型位错。,刃型位错：当一个完整晶体
6、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就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,位错密度： 单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为1041012/cm2；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观察, 面缺陷：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小，另两个方向上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。 晶界是不同位向晶粒间的过度部位，宽
7、度为510个原子间距，位向差一般为2040。 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。, 原子排列不规则. 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 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。 是相变的优先形核部位。,晶体缺陷对金属材料带来的性能影响： 缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的影响，利用缺陷强化金属。 点缺陷：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到固溶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性降低）； 线缺陷：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性
8、变形，造成金属强化称加工硬化（强度、硬度提高，塑性、韧性降低）； 面缺陷：细晶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性改善）。,2.1.2 纯金属的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变，结晶过程是相变过程。,一、金属结晶的基本规律1、纯金属的结晶条件 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。 曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。,纯金属的冷却曲线,纯金属都有一个理论结晶温度T0（熔点或平衡结晶温度）。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实
9、际结晶温度下才能进行。,纯金属的冷却曲线,液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称为过冷度， T= T0 T1 。 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,2、纯金属的结晶过程,（1）结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在T0以下, 经一段时间后, 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直 到液体完全消失。每个晶核最 终长成一个晶粒，两晶粒接触 后形成晶界。,（2）晶核的形成方式
10、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为核心形核称非均匀形核,非均匀形核更为普遍。 。（3）晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。其中，主要以树枝状长大方式长大。,均匀长大：在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,实际金属结晶主要以树枝状长大。因为存在负温度梯度，且晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大,树枝状长大的实际观察(定向凝固),二、晶粒大小及其控制,1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，可用晶粒的平均面积或平均直径表示。
11、 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,2、决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。,单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。,3、控制晶粒度的方法, 控制过冷度： 随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。,Al-Si合金组织, 变质处理： 又称孕育处理，即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。 所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂
12、）。,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使铸铁中石墨细化。 变质剂为硅铁或硅钙合金。,电磁搅拌细化晶粒示意图,超声振动细化晶粒示意图, 振动、搅拌等: 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,气轮机转子的宏观组织(纵截面),4、晶粒大小对金属性能的影响,常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好，即细晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益；但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。,2.1.3 金属的同素异构转变,构转变。 同素异
13、构转变属于相变之一固态相变。,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异,纯铁的同素异构转变,1、铁的同素异构转变： 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化：, -Fe、 -Fe 为体心立方结(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)；都是铁的同素异构体。,2.1.4 合金的晶体结构,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组元是指组成合金的最基本、能够独立存在的物质。多数情况下，组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。 组成合金的元素相互作用可形成不同的
14、相。 相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,1 固溶体,合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用、表示。 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。, 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。, 固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能形成无限固溶体. 间隙固溶体都是有限固溶体。,
