金属材料的晶体结构

关于金属材料的晶体结构普通弹性材料（例如低碳钢）在拉伸实验中会经历4个阶段：弹性形变、屈服阶段、强化阶段、破坏直至断裂弹性形变：即材料所受拉力在弹性极限之内，拉力与材料伸长成正比（胡克定律）。当外力撤去之后，材料会恢复原来的长度。屈服阶段：在外部拉力超过弹性极限之后，材料失去抵抗外力的能力而“屈服”，即在此情况下外力无显著变化材料依然会伸长。当外力撤去后，材料无法回到原来的长度。强化阶段：材料在内部晶体重新排列后重新获得抵抗拉伸的能力，但此时的形变为塑性形变，外力撤去后无法回到原来的长度。破坏阶段：材料在过度受力后开始在薄弱部位出现颈缩现象，抵抗拉伸能力急剧下降，直至断裂。

第2页,共51页，2024年2月25日，星期天aE=tgaB(ss下)A(ss上)C(sb)gs(MPa)200400e0.10.2O屈服极限：抗拉强度：E1.弹性阶段2.屈服阶段3.强化阶段线弹性阶段屈服阶段强化阶段低碳钢拉伸应力应变曲线颈缩阶段屈服点σs和抗拉强度σb是反映材料强度的两个性能指标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。第3页,共51页，2024年2月25日，星期天第4页,共51页，2024年2月25日，星期天σ0.2——对应于试样产生0.2%的塑性应变时的应力值为材料的屈服强度对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点第5页,共51页，2024年2月25日，星期天第二章金属材料的组织结构金属的晶体结构纯金属的结构金属的同素异构转变合金的相结构合金相图第6页,共51页，2024年2月25日，星期天一、金属的晶体结构基本概念纯金属的晶体结构合金的晶体结构第7页,共51页，2024年2月25日，星期天1、基本概念晶体：由许多金属原子/离子在空间按一定几何形式规则地紧密排列。（周期性）对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。第8页,共51页，2024年2月25日，星期天晶体（金刚石、NaCl、冰……）非晶体（蜂蜡、玻璃……）液体第9页,共51页，2024年2月25日，星期天晶体特性——固定熔点；各向异性熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线XYZ第10页,共51页，2024年2月25日，星期天原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶体结构第11页,共51页，2024年2月25日，星期天晶胞点阵（晶格）模型第12页,共51页，2024年2月25日，星期天晶格——将原子抽象为一个几何结点，并用直线联接中心，所构成的一个空间格架。晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的几何单元第13页,共51页，2024年2月25日，星期天XYZabc晶格常数a，b，c

晶格常数第14页,共51页，2024年2月25日，星期天晶面:通过原子中心的平面晶向：通过原子中心的直线所指的方向XYZabcXYZabc第15页,共51页，2024年2月25日，星期天2、纯金属的晶体结构金属键——决定特性大量自由电子→良好导电导热性电子云与离子间引力→高强度和良好塑性紧密的金属键→排列紧密的高对称晶格第16页,共51页，2024年2月25日，星期天三种常见的金属晶体结构体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp第17页,共51页，2024年2月25日，星期天（1）体心立方晶格bcc如-Fe、W、V、Mo

等第18页,共51页，2024年2月25日，星期天晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积2

4r3/3XYZabc2r2raa2第19页,共51页，2024年2月25日，星期天（2）面心立方晶格fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag

等第20页,共51页，2024年2月25日，星期天晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4第21页,共51页，2024年2月25日，星期天（3）密排六方晶格hcp如C（石墨）、Mg、Zn等

晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74第22页,共51页，2024年2月25日，星期天3、实际金属的晶体结构单晶体——原子排列相同，晶格位向一致多晶体——多晶粒和多晶界

晶粒

（单晶体）第23页,共51页，2024年2月25日，星期天晶粒——晶体中包含的具有不规则颗粒外形的小晶体晶界——晶粒界面，不同的位向过渡区第24页,共51页，2024年2月25日，星期天晶体缺陷类型点缺陷：空位、间隙原子、异类原子线缺陷：位错面缺陷：晶界与亚晶界第25页,共51页，2024年2月25日，星期天间隙原子是其它元素则称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子（1）点缺陷第26页,共51页，2024年2月25日，星期天（2）线缺陷

——

刃位错与螺位错刃位错刃位错第27页,共51页，2024年2月25日，星期天螺旋位错第28页,共51页，2024年2月25日，星期天（3）面缺陷晶界第29页,共51页，2024年2月25日，星期天亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。第30页,共51页，2024年2月25日，星期天二、纯金属的结晶结晶结晶条件（结晶温度）结晶过程（形核与长大）晶粒细化第31页,共51页，2024年2月25日，星期天结晶：液体-->晶体

凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）晶体液体结晶第32页,共51页，2024年2月25日，星期天冷却曲线——热分析法tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）第33页,共51页，2024年2月25日，星期天冷却速度越大，则过冷度越大。第34页,共51页，2024年2月25日，星期天结晶过程——形核和晶核长大的过程液态金属形核晶核长大完全结晶第35页,共51页，2024年2月25日，星期天（1）形核过程自发形核——由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。第36页,共51页，2024年2月25日，星期天（2）长大过程——平面生长与树枝状生长平面生长示意图第37页,共51页，2024年2月25日，星期天细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性↑第38页,共51页，2024年2月25日，星期天细化晶粒的措施（1）提高过冷度形核率N

、长大速度G与过冷度

T的关系第39页,共51页，2024年2月25日，星期天（2）变质处理

在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大（3）振动结晶作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。第40页,共51页，2024年2月25日，星期天三、金属的同素异构转变同素异构性——一种金属具有两种或两种以上的晶格结构同素异构转变——金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。

重结晶特点：晶界形核，

T大，内应力大第41页,共51页，2024年2月25日，星期天纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C第42页,共51页，2024年2月25日，星期天纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性第43页,共51页，2024年2月25日，星期天四、合金的相结构基本概念固溶体化合物第44页,共51页，2024年2月25日，星期天1、基本概念合金——两种以上元素组合成的、具有金属特性的物质。如，Cu-Zn,Fe-C等合金组元——组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。相——化学成分、结构相同，且以界面分开的各均匀组成部分。第45页,共51页，2024年2月25日，星期天水（液相）水+冰（双相）冰（固相）第46页,共51页，2024年2月25日，星期天Fe-C合金中的相——F+Fe3

CFe3

C铁素体（F）第47页,共51页，2024年2月25日，星期天组织——相的形状、分布、组合状态。单相组织（F）双相组织（F+Fe3C）第48页,