第1章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第1章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

a)離子鍵b)共價鍵c)金屬鍵d)分子鍵

圖1.1原子結(jié)合鍵的類型材料原子(或分子)的相互作用下一節(jié)離子鍵有較強的結(jié)合力，因此離子化合物的熔點、沸點、硬度很高，熱膨脹系數(shù)很小。大部分鹽類、堿類和金屬氧化物多數(shù)以離子鍵方式結(jié)合，部分陶瓷材料(MgO、Al2O3、ZrO2等)及鋼中的一些非金屬夾雜物也以此方式結(jié)合。共價鍵結(jié)合極為牢固，共價晶體(如金剛石)具有高的熔點、硬度和強度。由于全部外層電子束縛于共價鍵，所以它們不是導體(金剛石是絕緣體，硅、鍺是半導體)。用金屬鍵可以粗略地解釋金屬的一般特性：良好的導電性；良好的導熱性；正的電阻溫度系數(shù)；良好的塑性；不透明性，而吸收了能量被激發(fā)的電子回到基態(tài)時產(chǎn)生輻射，使金屬具有光澤。金屬鍵模型

由于分子鍵很弱，故結(jié)合成的晶體具有低熔點、低沸點、低硬度、易壓縮等性質(zhì)。例如，石墨的各原子層之間為分子鍵結(jié)合，從而易于分層剝離，強度、塑性和韌性極低，接近于零，是良好的潤滑劑。塑料、橡膠等高分子材料中的鏈與鏈間的結(jié)合力為范德華力，故它們的硬度比金屬低，耐熱性差，不具有導電能力。表

四大類工程材料的原子間結(jié)合鍵及其性能特點種類結(jié)合鍵熔點彈性模量強度硬度塑性韌性導電性導熱性耐熱性耐蝕性其他性能金屬材料金屬鍵為主較高較高較高良好(鑄鐵等脆性材料除外)良好較高一般密度大，不透明，有金屬光澤高分子材料分子內(nèi)共價鍵，分子間分子鍵較低低較低變化大絕緣，導熱不良較低高密度小，熱膨脹系數(shù)大，抗蠕變性能低，易老化，減摩性好陶瓷材料離子鍵或共價鍵為主高高抗壓強度與硬度高，抗拉強度低絕緣，導熱不良高高耐磨性好，硬性高，抗熱振熱性差復合材料取決于組成物的結(jié)合鍵能克服單一材料的某些弱點，充分發(fā)揮材料的綜合性能1.1金屬晶體下一節(jié)1.概念2.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)3.晶面和晶向的表示方法晶格、晶面、晶向、晶胞、晶格常數(shù)概念

根據(jù)晶胞的幾何形狀或自身的對稱性，可把晶體結(jié)構(gòu)分為七大晶系十四種晶格。約有90%以上的金屬晶體都具有以下三種晶格形式。

(1)體心立方晶格

(2)面心立方晶格

(3)密排六方晶格

常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：a=b=c原子半徑：r=每個晶胞含原子數(shù)：(1/8)×8+1=2致密度：K=0.68配位數(shù)：8屬于體心立方晶格的金屬有：α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、β-Ti、Na、K等。

返回體心立方晶格晶格常數(shù)：a=b=c原子半徑：每個晶胞含原子數(shù)：(1/8)×8+(1/2)×6=4致密度：K=0.74配位數(shù)：12屬于體心立方晶格的金屬有：γ-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、β-Co等。

返回面心立方晶格晶格常數(shù)：c/a≈1.633原子半徑：1/2a每個晶胞含原子數(shù)：(1/6)×12+(1/2)×2+3=6致密度：K=0.74配位數(shù)：12屬于體心立方晶格的金屬有：Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、α-Ti等。

返回密排六方晶格晶面和晶向的表達分別采用晶面指數(shù)(hkl)和晶向指數(shù)[uvw]的形式(hkluvw為整數(shù))。晶面族{hkl}和晶向族<uvw>。由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一晶體單晶體的不同晶面和晶向上各種性能也會不同，這種現(xiàn)象就稱為各向異性。晶面和晶向的表示方法晶面指數(shù)的確定方法確立坐標系以晶格常數(shù)為度量單位，求待定晶面在三坐標軸上的截距；求截距的倒數(shù)并最小整數(shù)化；寫在括號內(nèi)即得到晶面指數(shù)(hkl)晶向指數(shù)的確定方法確立坐標系，以晶格常數(shù)為度量單位；過坐標原點作一平行于待求晶向的直線；求出直線上任一結(jié)點空間坐標值，并最小整數(shù)化；寫在方括號內(nèi)即得到晶面指數(shù)[uvw]1．單晶體與多晶體

點缺陷2．晶體缺陷線缺陷------(位錯)

面缺陷

1.2金屬的實際結(jié)構(gòu)下一節(jié)結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為單晶體。其中所有的晶胞均呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。此外，它還有較高的強度、抗蝕性、導電性和其他特性。實際的金屬結(jié)構(gòu)都包含著許多小晶體，晶格相同而位向不同。這種由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。不顯示各向異性。（概念：晶粒、晶界）多晶體晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關(guān)，在常溫下，晶粒愈小，材料的強度愈高，塑性、韌性就愈好。

a)單晶體b)多晶體單晶體與多晶體包括空位、間隙原子、置換原子等。點缺陷的形成，主要是由于原子在各自平衡位子上做不停的熱運動的結(jié)果?？瘴缓烷g隙原子的數(shù)目隨著溫度的升高而增加。此外，其他加工和處理，如塑性加工、離子轟擊等，也會增加點缺陷。點缺陷造成晶格畸變，使材料的強度、硬度和電阻率增加以及其他力學、物理、化學性能的改變。

a）空位b)置換原子c)間隙原子點缺陷分為刃型位錯和螺型位錯。

a)示意圖b)平面示意圖圖1.9刃型位錯位錯的出現(xiàn)使位錯線周圍造成晶格畸變，畸變程度隨離位錯線的距離增大而逐漸減小直至為零。嚴重晶格畸變的范圍約為幾個原子間距。線缺陷

隨著位錯密度的增高，材料的強度將會顯著增加，所以提高位錯密度是金屬強化的重要途徑之一。

圖1.10材料強度σ與位錯密度ρ的關(guān)系

最常見的是晶界和亞晶界。面缺陷（1）在腐蝕介質(zhì)中，晶界處較晶內(nèi)易腐蝕。（2）晶界面上的原子擴散速度較晶內(nèi)的原子擴散速度快。（3)晶界附近硬度高，晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用。（4）當金屬內(nèi)部發(fā)生相變時，晶界處是首先形核的地方。圖1.11晶界圖1.12實際金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)晶界具有以下特點：

在實際晶體結(jié)構(gòu)中，上述晶體缺陷并不是靜止不變的，而是隨著一定的溫度和加工過程等各種條件的改變而不斷變化的。晶體缺陷對金屬的許多性能有很大的影響，特別對金屬的塑性變形、固態(tài)相變以及擴散等過程都起者重要的作用。工程材料的性能包括使用性能和工藝性能。工程材料的力學性能工程材料的物理性能工程材料的化學性能工程材料的工藝性能強度、塑性、

硬度、沖擊韌性斷裂韌性、耐磨性、粘彈性1.3工程材料的性能下一節(jié)載荷的形式載荷的形式

是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力。

不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。σe稱為彈性極限。在彈性變形范圍內(nèi)，σ=Eε，常數(shù)E稱為彈性模量，在工程上亦叫剛度，它主要決定于材料本身，與合金化、熱處理、冷熱加工等關(guān)系不大。

σs(σ0.2)

是表示材料抵抗微量塑性變形的能力。

σb

σs與σb的比值叫做屈強比強度(1)靜載時的強度1)彈性和剛度2)屈服點3)抗拉強度拉伸試驗機最常用的是疲勞強度，它是指在大小和方向重復循環(huán)變化的載荷作用下材料抵抗斷裂的能力。材料在無數(shù)次交變載荷作用下不致斷裂的最大應(yīng)力就是疲勞強度，用σ-1表示，單位為MPa。在交變載荷作用下，即使交變應(yīng)力小于σs，材料經(jīng)較長時間的工作也會發(fā)生失效(斷裂)，通常是突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。

圖:幾種材料實測疲勞曲線(2)變載時的強度1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂金屬材料在高于一定溫度長時間的工作，承受的應(yīng)力即使低于屈服點σs，也會出現(xiàn)緩慢塑性變形，這就是所謂的“蠕變”。材料的高溫強度要用蠕變極限和持久強度來表示。蠕變極限是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。例如持久強度是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)，使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。例如

(3)高溫強度視頻:世界貿(mào)易中心大樓倒塌

在9.11恐怖事件中，美國引以為傲的紐約世界貿(mào)易中心大樓完全倒塌?？植婪肿咏俪值目蜋C撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂直塌落而不是傾倒？

這里可能部分牽涉到材料在高溫下的力學性能問題。材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性大小用伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示。δ、ψ愈大，表示材料的塑性愈好。塑性練習題拉力試樣的原標距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？解：δ=[（71-50）/50]x100%=42%A0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)A1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(A0-A1)/A0]x100%=24%練習題某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（L0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解：根據(jù)試驗結(jié)果計算如下：бs＝Fs／A０＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPa бb

＝Fb／A０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ＝[ΔL／L0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔA／A0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項指標均合格，因此買回的材料合格。硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力，常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR和維氏硬度HV。

圖1.23布氏硬度試驗原理圖圖1.24洛氏硬度測定圖1.25維氏硬度測試原理硬度布氏硬度計

洛氏硬度測計維氏硬度測計材料抵抗沖擊載荷的能力，即材料的沖擊性能。通常多用沖擊韌度αK或沖擊功AK來表示。可用一次性擺錘彎曲沖擊試驗來測定。AK=G(H－h(huán))J

J/cm2

沖擊性能

當溫度下降至某一個溫度TK時，AK值會急劇減小，使材料呈脆性狀態(tài)，出現(xiàn)冷脆。材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度TK為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。

抵抗次數(shù)很少的大能量沖擊載荷作用，其沖擊抗力主要決定于αK值。而沖擊能量不大時，材料承受多次沖擊的能力，主要取決于強度。

圖1.27兩種鋼的溫度一沖擊功關(guān)系曲線

實際使用的材料中不可避免地存在著裂紋。斷裂是由裂紋的形成和擴展引起的。斷裂力學的觀點，只要裂紋很尖銳，尖端前沿各點的應(yīng)力隨外加應(yīng)力的增大而按相應(yīng)比例增大，這個比例系數(shù)稱為應(yīng)力強度因子K1，其表達式為：當K1達到某臨界值時，裂紋突然失穩(wěn)而快速擴展，發(fā)生瞬間脆斷。這一臨界值稱為材料的斷裂韌性，用K1C表示，它反映了材料抵抗裂紋擴展的能力。

MPa·m1/2斷裂韌性耐磨性是在一定工作條件下材料抵抗磨損的能力。耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。相對耐磨性是指兩種材料A與B在相同的磨損條件下磨損量的比值。絕對耐磨性(或簡稱耐磨性)通常用磨損量或磨損率的倒數(shù)表示。耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模量的影響。在大多數(shù)情況下，材料的硬度愈大則耐磨性就愈好。耐磨性粘彈性系指材料在外力作用下，產(chǎn)生的變形隨時間呈線性增加，而當外力去除后，剩余應(yīng)變隨時間不斷松弛的特性，如圖1.31所示。粘彈性的具體表現(xiàn)有蠕變、應(yīng)力松弛、滯后與內(nèi)耗等。

圖1.3l應(yīng)變隨時間的變化粘彈性1.4金屬的結(jié)晶

晶體的結(jié)晶

1、結(jié)晶概念

非晶體的凝固

2、金屬的結(jié)晶過程3、影響形核和長大的因素4、晶粒大小及控制

5、金屬鑄錠和焊縫的組織下一節(jié)

概念：結(jié)晶、過冷度圖2.1液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的示意圖

圖1.13金屬在聚集狀態(tài)時自由能與溫度的關(guān)系示意圖圖1.14純金屬的冷卻曲線過冷度不是恒定值，其大小取決于液態(tài)金屬的冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度。同一液態(tài)金屬，冷卻速度愈大，過冷度也愈大。

非晶固態(tài)可以看作粘滯系數(shù)很大的“熔體”。所以，非晶體的凝固是在一個溫度范圍內(nèi)逐漸完成的。非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)。圖熔體、晶體、非晶體的能量關(guān)系非晶體的凝固形核與長大的過程。形核包括自發(fā)形核和非自發(fā)形核。圖1.15純金屬結(jié)晶過程示意圖金屬的結(jié)晶過程晶核的長大方式：枝晶成長。

冷卻度越大，晶體的枝晶成長越明顯。圖1.16枝晶示意圖

圖:銻金屬鑄錠表面的樹枝狀晶體晶粒大小與形核率N（晶核數(shù)/(s·cm3)）和長大速度G（cm／s）有關(guān)。影響形核率和長大速度的重要因素是冷卻速度(或過冷度)和難熔雜質(zhì)。圖1.17過冷度與晶體形核率、長大速度的關(guān)系影響形核和長大的因素(1)晶粒度的概念(晶粒大小的量度)影響晶粒度的主要因素是形核率N和長大速度G。晶粒愈小，則金屬的強度、塑性和韌性愈好。(2)晶粒大小的控制1)增大過冷度過冷度愈大，比值N／G也愈大，晶粒就愈細。2）變質(zhì)處理向液態(tài)金屬中加入某些變質(zhì)劑，以細化晶粒和改善組織，達到提高材料性能的目的。晶粒大小及控制同種晶體材料中，不同類型晶體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。遵循生核與長大的基本規(guī)律。

圖1.18純鐵的冷卻曲線和晶格變化晶體的同素異構(gòu)現(xiàn)象把化學成分相同，而組成原子排列成不同的分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同分異構(gòu)。同分異構(gòu)分為兩種，一種是結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，另一種是立體異構(gòu)體。同分異構(gòu)(1)表層細晶粒層(2)柱狀晶粒層(3)心部等軸晶區(qū)(4)低熔點雜質(zhì)區(qū)

圖1.19鋼錠(件)典型組織的示意圖l一表面細晶粒層；2一柱狀晶粒層；3一心部等軸晶粒區(qū)4—低熔點雜質(zhì)區(qū)1．鑄錠(件)結(jié)晶組織4柱狀晶區(qū)結(jié)晶后顯微縮孔少，組織較致密。兩個不同方向的柱狀晶交界面處，由于常有雜質(zhì)聚集而形成弱面。柱狀晶區(qū)的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向的性能較高。等軸晶由于各個晶粒在長大時彼此交叉，不存在明顯的脆弱區(qū)，鑄件的性能沒有方向性。鑄錠(件)結(jié)晶組織的特性2．焊縫的組織

焊縫中熔合金屬冷卻速度快，傳熱方向不同，其冷卻結(jié)晶的組織與鑄錠的結(jié)晶組織不同。焊縫金屬冷卻結(jié)晶后，包括下述組織。

(1)柱狀晶粒區(qū)焊縫熔合金屬冷卻時散熱很快，金屬晶粒來不及向旁邊長大，形成了柱狀粒。．

(2)低熔點雜質(zhì)區(qū)對于成型系數(shù)(B/H)小的焊縫，散熱方向基本與母材金屬相平行(散熱方向?qū)嶋H與焊縫金屬熔合線相垂直)，故焊縫熔合金屬的晶粒與母材平行成長，最后結(jié)晶的低熔點雜質(zhì)處于焊縫中心處，這樣會減弱焊接接頭的強度。對成型系數(shù)較大的焊縫，由于散熱方向不同，焊縫金屬的晶柱成長方向與水平方向有傾斜，見圖1.20(b)。低熔點雜質(zhì)最后結(jié)晶，處于焊縫上部，這樣可以改善由于低熔點雜質(zhì)最后結(jié)晶對焊接接頭性能的影響。一、金屬的變形與斷裂二、單晶體金屬的變形三、多晶體金屬的塑性變形四、金屬的恢復與再結(jié)晶下一章1.5金屬的變形與再結(jié)晶掌握塑性變形的機理、規(guī)律及其影響因素

金屬的斷裂有兩種：斷裂時有明顯塑性變形，斷裂的晶粒被拉長成細條，斷口呈纖維狀，灰暗無光，---韌性斷裂。斷裂時無明顯塑性變形，斷口比較平坦，閃耀光澤，---脆性斷裂。脆性斷裂可沿晶界發(fā)生（晶間斷裂），也可穿過晶界發(fā)生（穿晶斷裂），金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。金屬的塑性常用截面收縮率ψ、延伸率δ和沖擊韌度Ak等指標來表示。變形抗力系指在變形過程中金屬抵抗外力的能力。

塑性加工性能及其指標①滑移②孿生單晶體金屬的變形滑移單晶體受剪應(yīng)力作用滑移時晶體的轉(zhuǎn)動滑移面轉(zhuǎn)向與拉伸軸平行；滑移方向趨于與最大切應(yīng)力方向一致。金屬晶體的滑移遵循一定的規(guī)律

表1.2常見金屬晶格中的主要滑移系圖1.21晶面間距示意圖（1）只能在剪應(yīng)力的作用下才能發(fā)生。（2）滑移總在晶格中最密的晶面或晶向發(fā)生。（3）位移為原子間距的整數(shù)倍。（4）滑移的同時伴有晶體的轉(zhuǎn)動。孿生變形是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分對應(yīng)于一定的晶面(孿晶面)沿一定方向進行的相對移動。孿生孿生變形與滑移變形的區(qū)別如下：

(1)滑移僅在晶體表面形成滑移臺階，晶體的內(nèi)部晶格不發(fā)生變化。孿生使晶體的一部分發(fā)生切變，切變處的晶格方位發(fā)生變化，與未變形部分形成對稱。

(2)孿生變形所需要的臨界應(yīng)力比滑移變形所需要的臨界應(yīng)力大得多，且變形的速度極快(接近聲速)。

(3)孿生變形時，每層原子沿孿生方向的位移都是原子間距的分數(shù)倍；而滑移變形時，一部分晶體相對另一部分晶體沿滑移方向的位移為原子間距的整數(shù)倍。多晶體金屬的塑性變形晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢Ы鐚λ苄宰冃蔚挠绊?.加工硬化2.織構(gòu)現(xiàn)象3.塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

“軟位向”、“硬位向”由于各個晶粒取向不同，一方面使塑性變形表現(xiàn)出很大的不均勻性，另一方面也會產(chǎn)生強化作用。

圖：多晶體塑性變形示意圖晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懺谙嗤耐饬ψ饔孟拢嗑w金屬的塑性變形量一般比相同成分單晶體金屬的塑性變形量小。

圖：多晶體和單晶體鋅的拉伸曲線

A—多晶體鋅；B—單晶體鋅細化晶粒在提高金屬強度的同時也改善了金屬材料的韌性。圖：純鐵的強度與其晶