金屬材料與熱處理第二章

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)a）天然水晶b）普通玻璃天然水晶和普通玻璃目前一頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)自然界中物質(zhì)的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。固態(tài)物質(zhì)根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為晶體和非晶體。在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀況的，稱為非晶體，例如普通玻璃、松香、石蠟等均屬于非晶體；相反，凡原子呈有序、有規(guī)則排列的，稱為晶體，例如石英、食鹽等，金屬在固態(tài)下一般均屬于晶體一、晶體與非晶體目前二頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)的概念晶體內(nèi)部原子是按一定幾何規(guī)律排列的，為了便于理解，可以把原子看成一個(gè)小球，則金屬晶體就是由這些小球按一定規(guī)律堆積而成的晶體內(nèi)部原子排列模型目前三頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)a）晶格

b）晶胞

晶格和晶胞示意圖為了更加直觀地表示晶體中原子的排列規(guī)律，再將原子簡化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，用假想的線將這些質(zhì)點(diǎn)連接起來，就形成了具有一定規(guī)律性的空間架格，這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架，稱為晶格，如圖所示目前四頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)晶格類型晶胞結(jié)構(gòu)示意圖常見金屬體心立方晶格立方體的八個(gè)頂角和立方體的中心各有一個(gè)原子鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及α－鐵（α－Fe）等面心立方晶格立方體八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、金（Au）及γ－鐵（γ－Fe）等密排六方晶格正六棱柱體的十二個(gè)頂角和上下兩底面中心各有一個(gè)原子，柱體中間還有三個(gè)原子鎂（Mg）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鈹（Be）等2.金屬常見的晶格類型目前五頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)三、單晶體與多晶體如果晶體內(nèi)部原子的排列位向是完整一致的，這樣的的晶體稱為單晶體，如圖所示。

單晶體示意圖

目前六頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)

多晶體示意圖絕大多數(shù)情況下，金屬晶體內(nèi)部的原子排列并不是完整一致的，而是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成的，這樣的小晶體稱為晶粒，如圖所示。每個(gè)晶粒的方位各不相同，它們之間的交界面稱為晶界。象這樣由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。目前七頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)四、金屬的晶體缺陷實(shí)際晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則原子排列現(xiàn)象統(tǒng)稱為晶體缺陷，常見的晶體缺陷有以下幾種：1.點(diǎn)缺陷——空位、間隙原子和置代原子空位、間隙原子和置代原子示意圖

目前八頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)2.線缺陷——位錯(cuò)晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)排的現(xiàn)象叫作位錯(cuò)。在晶體中，位錯(cuò)的晶格畸變發(fā)生在沿“半原子面”端面的狹長區(qū)域，故稱為線缺陷。形式比較簡單的一種叫作“刃型位錯(cuò)”，如圖所示。a）立體圖b）平面圖刃型位錯(cuò)示意圖目前九頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)3.面缺陷——晶界和亞晶界實(shí)際生產(chǎn)中所使用的金屬材料幾乎都是多晶體，它們是由大量外形不規(guī)則的晶粒相互銜接組成的，晶粒與晶粒之間的分界面就稱為晶界。由于各晶粒彼此之間的位向不同，所以，晶界處的原子排列是不規(guī)則的，如圖所示。晶界過渡結(jié)構(gòu)示意圖目前十頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)試驗(yàn)證明，即使在一顆晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并不象理想晶體那樣完全一致，而是分隔成許多尺寸更小、位向差別不大的小晶塊，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所形成的小晶界，如圖所示。亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖目前十一頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)1．金屬的晶格類型在生產(chǎn)中的應(yīng)用金屬的晶格類型與其力學(xué)性能和生產(chǎn)應(yīng)用具有直接關(guān)系。在金屬常見的三種晶格類型中，面心立方晶格金屬的塑性最好，體心立方晶格金屬次之，密排六方晶格金屬最差。塑性好的金屬能夠承受比較大的塑性變形，可以通過軋制、擠壓、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工方法獲得形狀相對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品。部分金屬的晶格類型隨溫度變化是可以改變的，可以利用這一現(xiàn)象合理安排壓力加工的工藝。

金屬的晶體特性在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用目前十二頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)2．金屬的晶體缺陷在生產(chǎn)中的應(yīng)用

金屬實(shí)際晶體中存在的所有結(jié)構(gòu)缺陷，都會(huì)造成晶格畸變，引起塑性變形抗力的增大，從而使金屬的強(qiáng)度提高。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以利用這一規(guī)律尋找強(qiáng)化金屬的手段。目前十三頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)第二節(jié)純金屬的結(jié)晶金屬材料在生產(chǎn)和加工中通常要經(jīng)過液態(tài)和固態(tài)的過程。如在生產(chǎn)過程中首先通過冶煉得到液態(tài)金屬，再轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)。鋼就是將從鐵礦石中提煉出的液態(tài)生鐵，放到煉鋼爐內(nèi)熔煉，再澆鑄成鋼錠或者鋼坯。金屬材料在加工過程中，也會(huì)遇到由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的情況，如鑄造加工就是將金屬加熱成液態(tài)后，再澆鑄成一定形狀的工件。金屬由原子不規(guī)則排列的液體轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程稱為結(jié)晶。目前十四頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐煉鋼目前十五頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)澆鑄示意圖

b)鋼錠

鋼錠澆鑄示意圖目前十六頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)一、純金屬的結(jié)晶過程1．純金屬的冷卻曲線及過冷度純金屬的結(jié)晶過程可以通過熱分析法進(jìn)行研究，右圖為熱分析裝置示意圖。1－電爐

2－坩堝

3－金屬液

4－熱電偶

熱分析法裝置示意圖目前十七頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)

純金屬的冷卻曲線將純金屬加熱熔化成液體，然后緩慢地冷卻下來，在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度－時(shí)間坐標(biāo)圖中，便獲得了純金屬的冷卻曲線，如右圖所示目前十八頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)a)理論結(jié)晶

b)實(shí)際結(jié)晶

純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象理論結(jié)晶溫度T0和實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差稱為過冷度（△T＝T0－T1）過冷度目前十九頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)2．純金屬的結(jié)晶過程

純金屬結(jié)晶過程示意圖結(jié)晶過程是晶核的形成與長大的過程目前二十頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)

純金屬顯微組織圖結(jié)晶完成后形成的晶粒與晶界如下圖所示目前二十一頁\總數(shù)二十二頁\編于九點(diǎn)二、金屬結(jié)晶后的晶粒大小及對(duì)力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響晶粒平均直徑（μm）Rm（MPa）ReL（MPa）A（%）70