第一章机械工程材料

1、本章学习要求本章学习要求：掌握金属内部的晶体结构特点及其结晶过程掌握金属内部的晶体结构特点及其结晶过程本章重点内容本章重点内容：1 1、三种常见的金属晶格类型及特点。、三种常见的金属晶格类型及特点。2 2、晶体结构中常见缺陷的类型及特点。、晶体结构中常见缺陷的类型及特点。3 3、金属的结晶过程。、金属的结晶过程。本章教学特点本章教学特点：内容比较抽象，概念多，主要研究：内容比较抽象，概念多，主要研究微观组织和结构，注意理解微观组织和结构，注意理解第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构基本知识简介：基本知识简介：1、固态物质按原子（分子）的排列状态分为两种：、固态物质按原子（分子）的排列状态

2、分为两种： 晶体晶体：原子或分子呈规则排列的物体；：原子或分子呈规则排列的物体； 非晶体非晶体：原子或分子呈不规则排列的物体。：原子或分子呈不规则排列的物体。2、金属在常温下通常都是固态的，绝大多数金、金属在常温下通常都是固态的，绝大多数金 属在固态下都是晶体。属在固态下都是晶体。3、金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原子之金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原子之间主要靠间主要靠金属键金属键键合相关键合相关 金属键模型示意图金属键模型示意图 一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念原子堆垛模型原子堆垛模型晶格晶格 晶胞晶胞 晶格晶格 晶体晶体堆砌堆砌堆砌堆砌动画演示动画演示 总结总结：

3、1 1、晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的、晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的 排列形式排列形式。2 2、阵点：将构成晶体的实际质点（原子）的体积忽略，将其阵点：将构成晶体的实际质点（原子）的体积忽略，将其 抽象成为纯粹的几何点。抽象成为纯粹的几何点。3、晶格：将各阵点用假象的直线连接起来，构成的用来描述、晶格：将各阵点用假象的直线连接起来，构成的用来描述晶晶 体中体中原子排列规律原子排列规律的空间格子。的空间格子。4、晶胞：能代表晶格特征的、晶胞：能代表晶格特征的最小几何单元最小几何单元。5、晶格常数：表示晶胞大小和形状的晶胞的三个相互垂直的、晶格常数：表示晶胞大小和

4、形状的晶胞的三个相互垂直的棱边的长度及三个棱边的夹角。棱边的长度及三个棱边的夹角。 二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格（一）体心立方晶格（一）体心立方晶格（BCC Body Centered CubeBCC Body Centered Cube） 1 1、特点：、特点：a)a)正立方体，体积中心有一个原子；正立方体，体积中心有一个原子； b)b)晶格常数晶格常数a=b=c,a=b=c,= = =90;=90; c) c)对角线上三个原子紧密相连，接触排列。对角线上三个原子紧密相连，接触排列。2 2、原子半径：、原子半径：3 3、每个晶胞所含原子的个数：、每个晶胞所含原子的个数：2 2

5、4 4、晶体致密度：晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。、晶体致密度：晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。 K K =0.68=0.68 配位数：每个配位数：每个原子原子周围最近邻且等距的原子数目。周围最近邻且等距的原子数目。 Z = 8Z = 8 5 5、属于此类晶格的金属、属于此类晶格的金属: :铬、钼、钨、钒、铬、钼、钨、钒、-Fe-Fear43 （二）面心立方晶格（二）面心立方晶格FCC Face-Centere Cube 1 1、特点：、特点：a)a)正立方体，每个面中心有一个原子；正立方体，每个面中心有一个原子； b)b)晶格常数晶格常数a=b=c,a=b=c,= = =90;=90;

6、 c) c)每个面对角线上各原子接触排列。每个面对角线上各原子接触排列。2 2、原子半径：、原子半径：r=r=3 3、每个晶胞所含原子的个数：、每个晶胞所含原子的个数：4 4、晶体致密度、晶体致密度K =K = 配位数配位数 Z =Z = 5 5、属于此类晶格形式的金属、属于此类晶格形式的金属: :铝、镍、铅、铝、镍、铅、 金、金、-Fe-Fe示意图示意图（三）密排六方晶格（三）密排六方晶格HCP Hexagonal Close-Packed 1 1、特点：、特点：a)a)六方体，上、下两面的中心有一个六方体，上、下两面的中心有一个 原子；两个六方面中间还有三个原子。原子；两个六方面中间还有三

7、个原子。 b)b)晶格常数晶格常数a=bc;a=bc;2 2、原子半径：、原子半径：r=r=3 3、每个晶胞所含原子的个数：、每个晶胞所含原子的个数：4 4、晶体致密度：、晶体致密度：k =k = 配位数：配位数：Z =Z =示意图示意图 5 5、属于此类晶格形式的金属、属于此类晶格形式的金属: :镁、锌、铍镁、锌、铍三、晶面和晶向指数三、晶面和晶向指数1 1、基本概念、基本概念晶面：晶体中各种方位上的原子平面。晶面：晶体中各种方位上的原子平面。晶向：任意两个原子连成的直线所指的方向。晶向：任意两个原子连成的直线所指的方向。晶面、晶向指数：为区别不同方位上的晶面、晶向所晶面、晶向指数：为区别不

8、同方位上的晶面、晶向所采用的统一标号，表示它们在晶体中的方位或方向。采用的统一标号，表示它们在晶体中的方位或方向。2 2、确定晶面指数的方法确定晶面指数的方法3 3、确定晶向指数的方法确定晶向指数的方法 4 4、晶面族、晶向族、晶面族、晶向族 （注（注：位向不同，原子排列情况相同。）位向不同，原子排列情况相同。） 5 5、晶面及晶向的原子密度、晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度：单位面积上的原子数晶面的原子密度：单位面积上的原子数晶向的原子密度：单位长度上的原子数晶向的原子密度：单位长度上的原子数结论结论：（1 1）晶面、晶向原子密度越大，表示原子排列的越紧密）晶面、晶向原子密度越大，表示原子

9、排列的越紧密（2 2）晶格类型不同，相同晶面、晶向上的原子密度不同）晶格类型不同，相同晶面、晶向上的原子密度不同 （3 3）晶格类型相同的晶体，不同的晶面、晶向上的原子）晶格类型相同的晶体，不同的晶面、晶向上的原子 密度也不同。密度也不同。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线31 1、各向异性、各向异性: :金属晶体沿不同方向表现出的性能金属晶体沿不同方向表现出的性能 不相同的现象。不相同的现象。2 2、原因：、原因： 晶体在不同晶面或晶向上晶体在不同晶面或

10、晶向上原子排列的密度不同原子排列的密度不同，导，导致不同晶面或晶向上致不同晶面或晶向上原子之间的结合力不同原子之间的结合力不同，从而，从而 使不同晶面或晶向上表现出的使不同晶面或晶向上表现出的性能不同性能不同。3 3、应用：、应用： 变压器硅钢片变压器硅钢片 四、单晶体的各向异性四、单晶体的各向异性第二节第二节 金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷一、多晶体结构及其亚组织一、多晶体结构及其亚组织基本概念：基本概念：单晶体、多晶体单晶体、多晶体晶格位向晶格位向晶粒、晶界晶粒、晶界亚晶粒、亚晶界亚晶粒、亚晶界多晶体位向示意图 晶粒晶粒晶界晶界二、晶格缺陷二、晶格缺陷1 1、点缺陷：在三

11、维空间三个方向尺寸很小的缺陷、点缺陷：在三维空间三个方向尺寸很小的缺陷点缺陷的形成：热平衡缺陷。点缺陷的形成：热平衡缺陷。点缺陷的种类：晶格空位、间隙原子、置换原子点缺陷的种类：晶格空位、间隙原子、置换原子结论：结论：点缺陷引起周围晶格畸变，使金属强度、点缺陷引起周围晶格畸变，使金属强度、 硬度提高，塑性、韧性下降。（硬度提高，塑性、韧性下降。（固溶强化固溶强化）空位空位间隙原子间隙原子大大置换原子置换原子小置换原子小置换原子2 2、线缺陷（位错）：三维空间一个方向尺寸大，两个方向尺寸小、线缺陷（位错）：三维空间一个方向尺寸大，两个方向尺寸小位错的位错的形成形成：晶体的一部分相对另一部分的局部

12、：晶体的一部分相对另一部分的局部滑移滑移。位错的重要性：对金属的强度、断裂、塑性变形起决定性作用。位错的重要性：对金属的强度、断裂、塑性变形起决定性作用。位错的类型：刃型位错与螺型位错位错的类型：刃型位错与螺型位错 结论结论：（1）位错引起周围的晶格发生畸变，从而提高金属强度、硬度。位错引起周围的晶格发生畸变，从而提高金属强度、硬度。（2）晶体中位错密度及运动对金属性能、塑性变形有重要影响）晶体中位错密度及运动对金属性能、塑性变形有重要影响 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线3 3、面缺陷、面缺陷 晶界：晶粒之间的边界，晶界：晶粒之间的边界，

13、位相差较大位相差较大。 亚晶界：一系列刃型位错形成的亚晶界：一系列刃型位错形成的小角度晶界小角度晶界。结论结论：（1）面缺陷引起晶格发生畸变，使金属强度、硬度升高）面缺陷引起晶格发生畸变，使金属强度、硬度升高（2）亚晶粒越细小，晶界、亚晶界越多，晶格畸变越严重，）亚晶粒越细小，晶界、亚晶界越多，晶格畸变越严重，金属强度、硬度越高（金属强度、硬度越高（细晶粒强化细晶粒强化）结论结论：晶格缺陷：晶格缺陷 晶格畸变晶格畸变 晶格能量增加，晶格能量增加， 导致金属性能变化（强度、硬度升高）。导致金属性能变化（强度、硬度升高）。1 1、晶界上有晶格畸变，室温下强度高于晶粒内、晶界上有晶格畸变，室温下强度

14、高于晶粒内 部，使金属具有更高的强度和硬度。部，使金属具有更高的强度和硬度。 晶粒越细，晶界越多，强度和硬度越高。晶粒越细，晶界越多，强度和硬度越高。2 2、晶界的熔点低于晶粒内部，易于腐蚀和氧化。、晶界的熔点低于晶粒内部，易于腐蚀和氧化。3 3、晶界上缺陷较多，原子的扩散速度较快，发生、晶界上缺陷较多，原子的扩散速度较快，发生 相变时，新相首先在晶界形成。相变时，新相首先在晶界形成。第三节第三节 金属的结晶金属的结晶一、金属结晶的基本规律一、金属结晶的基本规律1、定义（、定义（结晶与凝固区别结晶与凝固区别）2、纯金属的冷却曲线、纯金属的冷却曲线3、过冷、过度冷、过冷、过度冷 理论结晶温度理论

15、结晶温度 实际结晶温度实际结晶温度 结论结论：（1）纯金属的结晶是在）纯金属的结晶是在恒温恒温下进行的；下进行的；（2）过冷是液态金属结晶的）过冷是液态金属结晶的必要条件必要条件；（3）同一种金属结晶时）同一种金属结晶时冷却速度越大冷却速度越大，过冷度越大过冷度越大，金属的，金属的 实际结晶温度越低实际结晶温度越低。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线二、结晶的基本过程二、结晶的基本过程 形核形核与与核长大核长大的过程的过程1 1、形核：形成结晶核心、形核：形成结晶核心 晶胚晶胚 晶核晶核 均匀形核（自发形核）均匀形核（自发形核） 非均匀形核（非自发形核）非均匀形核（非自发形核）2 2、晶核长大

16、：以树枝状长大、晶核长大：以树枝状长大树枝状结晶树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶3 3、金属结晶过程、金属结晶过程三、影响金属结晶后晶粒大小的因素与控制措施三、影响金属结晶后晶粒大小的因素与控制措施1 1、过冷度的影响、过冷度的影响N-N-晶核形成率晶核形成率G-G-晶核成长率晶核成长率分析：分析：晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核晶核的的 形成速度形成速度和和长大速度长大速度。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响（1 1）N/GN/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。（2 2）凡促进形核、抑制长大的因）凡促进形核

17、、抑制长大的因素，都能细化晶粒素，都能细化晶粒。结论：结论：2 2、未熔杂质的影响、未熔杂质的影响 加速晶核的形成，达到细化晶粒的目的。加速晶核的形成，达到细化晶粒的目的。变质处理变质处理：金属结晶时，向金属液体中人为加入某：金属结晶时，向金属液体中人为加入某种难熔杂质，从而有效的细化晶粒，改善金属机种难熔杂质，从而有效的细化晶粒，改善金属机械性能的方法。械性能的方法。变质剂（人工晶核）变质剂（人工晶核）强化金属机械性能的方法之一：强化金属机械性能的方法之一：细化晶粒细化晶粒3 3、振动搅拌、振动搅拌 思考题：思考题：可以细化晶粒的方法？可以细化晶粒的方法？ 提问：为什么晶粒越细，金属强度、硬

18、度越好。提问：为什么晶粒越细，金属强度、硬度越好。四、金属铸锭的组织四、金属铸锭的组织1 1、表面细晶粒层、表面细晶粒层2 2、柱状晶粒层、柱状晶粒层3 3、中心等轴晶粒层、中心等轴晶粒层各种铸造缺陷各种铸造缺陷:缩孔、疏松、气泡、偏析缩孔、疏松、气泡、偏析本章小结本章小结1 1、晶体、晶格、晶胞、晶体、晶格、晶胞2 2、三种常见的金属晶格类型、三种常见的金属晶格类型3 3、晶面、晶向指数的确定、晶面、晶向指数的确定4 4、单晶体、多晶体、晶粒、晶界、亚晶粒、亚晶界、单晶体、多晶体、晶粒、晶界、亚晶粒、亚晶界5 5、常见的晶格缺陷、常见的晶格缺陷6 6、过冷、过冷度、过冷、过冷度7 7、结晶的基本过程、结晶的基本过程 8 8、变质处理、变质处理本章思考题本章思考题: :1 1、为什么单晶体金属在性能上呈现各向异性？、为什么单晶体金属在性能上呈现各向异性？ 而多晶体而多晶体金属金属呈现各向同性？呈现各向同性？2 2、晶粒的大小对机械性能有何影响？如何细化晶粒？、晶粒的大小对机械性能有何影