金属材料与热处理第二章

第二章金属的结构与结晶 一 晶体与非晶体1 晶体 所谓晶体是指其原子 离子或分子 在空间呈规则排列的物体 晶体内的原子之所以在空间是规则排列 主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果 原子在空间呈规则排列的固体物质称为 晶体 2 非晶体 在物质内部 凡原子呈无序堆积状态的 如普通玻璃 松香 树脂等 非晶体的原子则是无规律 无次序地堆积在一起的 二 晶体结构的概念1 晶格和晶胞晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格 晶胞 构成晶格的最基本单元 第一节金属的晶体结构 2 晶面和晶向晶面 点阵中的结点所构成的平面 晶向 点阵中的结点所组成的直线 由于晶体中原子排列的规律性 可以用晶胞来描述其排列特征 阵点 结点 把原子 离子或分子 抽象为规则排列于空间的几何点 称为阵点或结点 点阵 阵点 或结点 在空间的排列方式称晶体 晶体晶格 晶胞晶面晶向晶体规则排列示意图 三 金属晶格的类型1 是指金属中原子排列的规律 2 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体 并且在立方体的体中心还有一个原子 属于这种晶格的金属有 铬Cr 钒V 钨W 钼Mo 及 铁 Fe 3 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体 但在立方体的每个面上还各有一个原子 属于这种晶格的金属有 Al Cu Ni Pb Fe 等 4 密排六方晶格 由12个原子构成的简单六方晶体 且在上下两个六方面心还各有一个原子 而且简单六方体中心还有3个原子 属于这种晶格的金属有铍 Be Mg Zn 镉 Cd 等 第二节纯金属的结晶 转炉炼钢 生铁的生产是以铁矿石为原料 首先利用炼铁设备冶炼成液体状态的生铁 然后再将其转变成固体状态 而钢的生产是以生铁为原料 在炼钢炉内继续冶炼 首先得到液体状态的钢 然后再将其浇铸成固体状态的钢锭或钢坯 金属由液体转变成固体的过程 实际上是一个金属晶体形成的过程 称之为 结晶 钢锭浇铸示意图a 浇铸示意图b 钢锭1 盛钢桶2 滑动水口3 钢锭模4 钢液5 底盘 金属由原子不规则排列的液体转变为原子规律排列的固体的过程称为结晶 一 纯金属结晶的相关概念与过程 1 纯金属的冷却曲线及过冷度 热分析法装置示意图1 电炉2 坩埚3 金属液4 热电偶 纯金属的冷却曲线 纯金属结晶时的冷却曲线a 理论结晶温度b 实际结晶温度 金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度 这种现象称为过冷 它们的温度之差称为过冷度 金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关 冷却速度越快 金属的实际结晶温度越低 过冷度也就越大 2 纯金属的结晶过程 纯金属结晶过程示意图 结晶的过程是晶核的形成与长大的过程 纯金属显微组织图 二 金属结晶后的晶粒大小对力学性能的影响 在常温下 金属的晶粒越细小 其强度 硬度越高 塑性 韧性越好 形核率 单位时间 单位体积所形成的晶核数 用字母N表示 细化晶粒的方法 1 增加过冷度 2 变质处理 3 振动处理 三 金属的晶体缺陷 1 点缺陷 空位 间隙原子和置代原子 空位 间隙原子和置代原子示意图 无论是空位 间隙原子还是置代原子 在其周围都会使晶格产生变形 这种现象称为晶格畸变 上述三种晶体缺陷造成的晶格畸变区仅限于缺陷原子周围的较小区域 故统称为点缺陷 2 线缺陷 位错 刃型位错示意图a 立体图b 平面图 位错的特点之一是很容易在晶体中移动 金属材料的塑性变形就是通过位错的运动来实现的 在晶体中 位错的晶格畸变发生在沿半原子面端面的狭长区域 故称为线缺陷 3 面缺陷 晶界和亚晶界 晶界过渡结构示意图 亚晶界结构示意图 晶界 晶粒与晶粒之间的分界面 亚晶界 亚晶粒之间的界面 在晶体中 晶界和亚晶界的晶格畸变均发生在一个曲面上 故称为面缺陷 同素异构转变 金属在固态下随温度的改变由一种转变为另一种晶格的现象 以不同晶格形式存在的同一种金属元素的晶体称为该金属的同素异构体 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属 纯铁的同素异构转变可以用下式表示 第三节金属的同素异构转变 19世纪末 著名物