第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、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 晶體與非晶體的區(qū)別:表現(xiàn)在許多方面非晶體內(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(diǎn)，在各個(gè)方向上的原子聚集密度大致相同，故表現(xiàn)出各向同性。而晶體內(nèi)部的原子排列有規(guī)律，故有規(guī)則的外形，固定的熔點(diǎn)。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。1、晶格將每個(gè)原子視為一個(gè)幾何質(zhì)點(diǎn)，并用一些假想的幾何線條將各質(zhì)點(diǎn)連接起來，便形成一個(gè)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。 2、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(gè)能代表晶格特征的，且由最少數(shù)原子排列成

2、最小結(jié)構(gòu)單元來表示晶格，稱為晶胞。 3、晶面、晶向和晶格常數(shù) =90 1. 體心立方晶格圖1-13 多晶體的晶粒與晶界示意圖一、單晶體和多晶體晶體內(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(shí)際晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。而實(shí)際的金屬晶體是由許多不同方位的晶粒所組成。晶粒與晶粒這間的分界面稱為晶界。1、點(diǎn)缺陷 一、純金屬結(jié)晶的條件結(jié)論:金屬的結(jié)晶過程形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大過程金屬液形成晶核晶核長(zhǎng)大形成晶體實(shí)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(duì)其力學(xué)性能影響很大。表3-1列出了晶粒大小對(duì)純鐵力學(xué)性能的影響。 冷速大冷速小加入人工晶核晶粒細(xì)化1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)

3、轉(zhuǎn)變: 金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變，有一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變，有一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2.具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有: Fe、Co、Mn、Ti、Sn1394 C912 CbccfccbccFe -Fe - Fe1394153410006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe一、合金的基本概念1、合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特征的物質(zhì)。 2、組元 組成合金的最

4、基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫組元。 3、合金系 由若干給定組元按不同比例配制而成的一系列化學(xué)成分不同的合金，稱為合金系。 4、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。 5、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)。 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和金屬化合物兩大基本類型 1、固溶體 圖1-24 間隙固溶體示意圖 圖1-25 間隙固溶體畸變示意圖 a)晶格常數(shù)減小 b)晶格常數(shù)增大圖1-28 金屬化合物晶格示意圖a)VC的間隙相結(jié)構(gòu) b)Fe3C的斜方晶格結(jié)構(gòu) 彌散強(qiáng)化：彌散強(qiáng)化：當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒分布在固溶

5、體基體上時(shí)，當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。象稱為彌散強(qiáng)化。金屬化合物的結(jié)構(gòu)與性能不同于任一組元，熔點(diǎn)金屬化合物的結(jié)構(gòu)與性能不同于任一組元，熔點(diǎn)高，硬而脆。高，硬而脆。絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。態(tài)和分布狀況。由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機(jī)械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱

6、為機(jī)械混合物金屬的結(jié)晶產(chǎn)品金屬的結(jié)晶產(chǎn)品鑄件鑄件鑄錠鑄錠制件的一個(gè)組成部分制件的一個(gè)組成部分鑄錠的組織結(jié)構(gòu)鑄錠的組織結(jié)構(gòu)表面細(xì)晶粒區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)等軸晶粒區(qū)等軸晶粒區(qū)1.金屬結(jié)晶產(chǎn)品的分類：2.鑄錠的組織結(jié)構(gòu)：1.定向結(jié)晶定向結(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。過程。2.單晶單晶: 單晶就是其原子都是按照一個(gè)規(guī)律和一致的位向排列的一個(gè)晶單晶就是其原子都是按照一個(gè)規(guī)律和一致的位向排列的一

7、個(gè)晶體。體。 單晶體制備的基本原理：使液態(tài)結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶核，再由單晶體制備的基本原理：使液態(tài)結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶核，再由這個(gè)晶核提拉成一整塊晶體（稱為拉晶）。這個(gè)晶核提拉成一整塊晶體（稱為拉晶）。1.塑性變形實(shí)質(zhì)塑性變形實(shí)質(zhì): 單晶體的變形方式有滑移和孿生兩種。單晶體的變形方式有滑移和孿生兩種。多晶體的塑性變形與單晶體塑變的異同多晶體的塑性變形與單晶體塑變的異同同：都主要依靠滑移同：都主要依靠滑移異：存在不同時(shí)性；需相互協(xié)調(diào)異：存在不同時(shí)性；需相互協(xié)調(diào)金屬塑性變形過程實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)沿著滑移面的運(yùn)動(dòng)過程。金屬塑性變形過程實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)沿著滑移面的運(yùn)動(dòng)過程。2.冷變形強(qiáng)化冷變形強(qiáng)化: 隨著金屬冷變形程度

8、的增加，金屬材料的強(qiáng)度和硬度都有所提隨著金屬冷變形程度的增加，金屬材料的強(qiáng)度和硬度都有所提高，但塑性有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化。高，但塑性有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化。 變形后，金屬的晶格嚴(yán)重畸變，變形金屬的晶粒被壓扁或拉長(zhǎng)，變形后，金屬的晶格嚴(yán)重畸變，變形金屬的晶粒被壓扁或拉長(zhǎng)，形成纖維組織。形成纖維組織。1.回復(fù)回復(fù): 將變形后的金屬加熱至一定溫度后，使部分原子回復(fù)到平衡位將變形后的金屬加熱至一定溫度后，使部分原子回復(fù)到平衡位置，晶粒內(nèi)殘留應(yīng)力大大減小，但不改變晶粒形狀的現(xiàn)象。置，晶粒內(nèi)殘留應(yīng)力大大減小，但不改變晶粒形狀的現(xiàn)象。2.再結(jié)晶再結(jié)晶:當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，金屬中被拉長(zhǎng)的、壓扁的、破碎的晶粒會(huì)當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，金屬中被拉長(zhǎng)的、壓扁的、破碎的晶粒會(huì)重新生核，變成細(xì)小、均勻等軸晶粒的過程稱為再結(jié)晶。重新生核，變成細(xì)小、均勻等軸晶粒的過程稱為再結(jié)晶。