03讲 金属的晶体结构.doc

机械制造技术基础教案教学内容：金属的晶体结构教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1 了解晶体结构的基本知识；2 掌握三种典型的晶体结构；明确金属实际晶体结构；3 掌握晶体缺陷类型及其对金属性能的影响；4 了解合金的概念，掌握合金的相结构及对合金性能的影响。重点、难点：典型晶体结构 晶体缺陷类型及其对金属性能的影响教学过程：1.2 铁碳合金1.2.1 金属的晶体结构与结晶不同的金属才来自具有不同的力学性能；即使是成分相同的材料，当经过不同的热加工或冷变形加工后性能也会有很大的差异。材料性能上的差异主要取决于金属内部原子排列规矩和结构缺陷。1.2.1.1 金属的晶体结构1金属是晶体固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体：原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。 晶体：原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。两者的性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。2晶体结构的基本概念晶体中原子排列情况晶体中原子在空间中是按一定规律堆砌在一起的。 晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。 结点 晶格中每个点叫结点。 晶胞 晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。 在研究各种金属的晶体结构时，一般取出它的晶胞来研究就可以了。 晶格常数 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用来度量（1 =10-8cm）。 致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。3三种典型的晶体结构1、体心立方晶格 晶胞示意图见图2-2a。它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、-Fe等。2、面心立方晶格 晶胞示意图见图2-2b。它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、-Fe等。3、密排六方晶格 它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、-Ti等。1.2.1.2 金属的实际晶体结构1单晶体和多晶体单晶体：金属结构是理想的结构，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。金属的多晶体结构：实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图2-3所示。这种外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。实践表明，在每个晶粒内部，晶格位向也有位向差（12），这些位向差很小的小晶块嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚晶或亚结构，亚晶之间边界称为亚晶界。2晶体缺陷在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它各种因素影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。1）点缺陷 晶体缺陷呈点状分布，最常见的点缺陷有晶格空位、间隙原子等，如图2-4所示。由于点缺陷出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象，称为晶格畸变。晶格畸变的存在，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，如强度、硬度增加，它也是强化金属的手段之一。2）线缺陷 晶体缺陷呈线状分布，线缺陷主要是指位错。最常见的位错是刃型位错，如图2-5所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上，多出一个半原子面，它如同刀刃一样插入晶体，故称为刃型位错，在位错线附近一定范围内，晶格发生了畸变。3）面缺陷 缺陷呈面状分布，通常指的是晶界和亚晶界。实际金属材料是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，如图2-6所示。晶界处原子处于不稳定状态，能量较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特征，如常温下晶界有较高的强度和硬度；晶界处原子扩散速度较快；晶界处容易被腐蚀、熔点低等。晶格畸变：多晶体晶界原子排列不规则，从一种位向过度到另一种位向晶格畸变。晶格畸变会导致常温下金属材料的强度、硬度的提高。形变强化：用塑性变形使金属得到强化的方法。细晶粒的力学性能细晶粒组织的金属内部，晶界面积大，晶体缺陷多，对金属力学性能影响很大。一般，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性等比粗晶粒组织好。1.2.2 合金的晶体结构1.2.2.1合金的基本概念1合金 由两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。2组元 组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称元。组元一般是指组成合金的元素，但一些稳定的化合物有时也可作为组元，如Fe3C。3合金系 由二个或二个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，称为合金系。4相 在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。5组织 用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，因此组织是决定材料最终性能的关键。1.2.2.2合金的相结构合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。1固溶体 合金由液态结晶为固态时，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相称为固溶体。保留晶格的组元称为溶剂，溶入晶格的组元称为溶质。特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生改变。根据溶质原子在溶剂中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。（1）置换固溶体 溶剂结点上的部分原子被溶质原子所替代而形成的固溶体，称为置换固溶体。如图2-9a所示。溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的溶解度，通常用质量百分数来表示。（2）间隙固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-9b所示。由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变。晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。2金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物，它的晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可用化学分子式表示，如Fe3C。金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，可以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性有所降低。3机械混合物 两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。混合物中各组成相仍保持自己的晶格，彼此无交互作用，其性能主要取决于各组成相的性能以及相的分布状态。1.2.2.3合金的组织合金的组织一般可能出现以下一种状况：由单相固溶体晶粒组成；由单相的金属化合物组成；由两种固溶体混合物组成；由固溶体和金属化合物混合组成。合金的组成相中，固溶体的强度、硬度较低，塑性、韧性较好；金属化合物硬度高、脆性大；而由固溶体和金属化合物组合的机械混合物的性能介于两者之间，即强度硬度较高，塑性韧性较好。有两种以上固容体及金属化合物组成的多相合金组织