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，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。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。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。 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。晶粒與晶粒這間的分界面稱為晶界。1、點缺陷 一、純金屬結(jié)晶的條件結(jié)論:金屬的結(jié)晶過程形核與長大形核與長大過程金屬液形成晶核晶核長大形成晶體實際金屬結(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性能影響很大。表3-1列出了晶粒大小對純鐵力學性能的影響。 冷速大冷速小加入人工晶核晶粒細化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) 彌散強化：彌散強化：當金屬化合物呈細小顆粒分布在固溶

5、體基體上時，當金屬化合物呈細小顆粒分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。象稱為彌散強化。金屬化合物的結(jié)構(gòu)與性能不同于任一組元，熔點金屬化合物的結(jié)構(gòu)與性能不同于任一組元，熔點高，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，稱為機械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱

6、為機械混合物金屬的結(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組成部分制件的一個組成部分鑄錠的組織結(jié)構(gòu)鑄錠的組織結(jié)構(gòu)表面細晶粒區(qū)表面細晶粒區(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規(guī)律和一致的位向排列的一個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

7、個晶體。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）。這個晶核提拉成一整塊晶體（稱為拉晶）。1.塑性變形實質(zhì)塑性變形實質(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：存在不同時性；需相互協(xié)調(diào)異：存在不同時性；需相互協(xié)調(diào)金屬塑性變形過程實質(zhì)是位錯沿著滑移面的運動過程。金屬塑性變形過程實質(zhì)是位錯沿著滑移面的運動過程。2.冷變形強化冷變形強化: 隨著金屬冷變形程度

8、的增加，金屬材料的強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)象稱為冷變形強化。高，但塑性有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化。 變形后，金屬的晶格嚴重畸變，變形金屬的晶粒被壓扁或拉長，變形后，金屬的晶格嚴重畸變，變形金屬的晶粒被壓扁或拉長，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:當加熱溫度較高時，金屬中被拉長的、壓扁的、破碎的晶粒會當加熱溫度較高時，金屬中被拉長的、壓扁的、破碎的晶粒會重新生核，變成細小、均勻等軸晶粒的過程稱為再結(jié)晶。重新生核，變成細小、均勻等軸晶粒的過程稱為再結(jié)晶。