《汽车应用材料》-3-情境A金属的晶体结构与结晶

内容导入金属的力学性能与其晶体结构密切相关。要深入认识金属材料，必须从金属的晶体结构入手。性能组织结构化学成分处理条件

钢铁——脆 例：（1）Fe-C合金的其性能也不同原因：Wc不同。铸铁钢——塑性好

一根出炉后水冷→一弯就断

（2）wc=0.8%锯条，加热到760℃后一根随炉缓慢冷却→弯曲90°不断

水冷后，硬度更高、更脆原因：随炉缓冷后，硬度稍低，但塑性、韧性更好第A章金属的晶体结构与结晶A.1纯金属与合金的晶体结构

A.2纯金属与合金的结晶A.1纯金属与合金的晶体结构

A.1.1纯金属的晶体结构

A.1.2合金的晶体结构

A.1.3金属实际的晶体结构

A.1.1纯金属的晶体结构自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类

晶体:原子是按一定几何形状有规律排列的。（金刚石、石墨、雪花、食盐、固态金属及合金）。石墨食盐纯铁非晶体:原子或分子无规则堆积在一起的。（玻璃、石蜡、沥青、松香等）。晶体非晶体液体晶体结构:晶体内部原子排列的规律及特性。

A.1.1纯金属的晶体结构

晶格常数：a、b、c棱间夹角：α、β、γ

a)晶体中原子排列

b)晶格c)晶胞1.晶格与晶胞结点晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格参数：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。体心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）2.常见的金属晶格类型2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶(1)体心立方晶格（bcc)

原子分布在立方体的八个结点和中心处。属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有一定的强度和较好的塑性。2.常见的金属晶格类型2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶(2)面心立方晶格(fcc)原子分布在立方体的八个结点和各面的中心处。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)和γ-Fe等

（温度在1394℃～912℃纯铁)。塑性好于具有体心立方晶格的金属。2.常见的金属晶格类型2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶(3)密排六方晶格原子分布在六方柱体12个结点和上下底面中心，上下两个底面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等这类金属通常较脆。2.常见的金属晶格类型金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝b＝cα＝β＝γ＝90°

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90

°

γ＝120°

68%74%74%81212α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、PbMg、Zn、Cd、Be、Ca有些金属在固态下，其晶体结构会随温度变化而改变，这种现象称同素异构转变，转变产物称同素异构体。如：γ-Fe→α-Fe（体积膨胀1%）即：热缩冷涨（水→冰）

意义：由于不同晶格类型原子排列紧密程度不同，晶格变化将导致金属的体积发生变化，因此，同素异构转变时会产生较大的内应力

1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc3.金属的同素异构转变有关合金的基本概念

A.1.2合金的晶体结构由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质如：①碳钢、铸铁：Fe-C；②黄铜：Cu-Zn

合金组成合金的最基本的、独立的物质如：①黄铜中的Cu和Zn；②Fe-C中的Fe和Fe3C组元合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分如：α-Fe和γ-Fe；液相和固相

相是由形态、数量、大小、分布不同的“相”，相互组合而成的综合体。

即：组织是相的综合。组织相→组织→性能合金的相结构1.固溶体

合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子，形成的均匀相概念

固溶体的晶体结构与溶剂相同特点合金的相结构固溶体金属化合物机械混合物溶剂溶质2011年9月26日星期一合金的相结构

黄铜合金：以锌(溶质)溶于铜(溶剂)中形成的固溶体，

结构fcc例如

铁素体：碳溶于α-Fe形成的固溶体（α-Fe是溶剂，碳原子是溶质）

结构bcc糖水：液溶体→冻成冰块（雪糕-固溶体）按溶质位置置换固溶体间隙固溶体固溶体的分类：按溶解度有限固溶体无限固溶体置换固溶体间隙固溶体特点：溶质原子位于溶

剂晶格某些结点特点：溶质原子溶入溶剂晶格间隙

固溶体的性能

通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬度增加的现象固溶强化

无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗力增加原因

2.金属化合物合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相

概念晶格类型不同于任一组元

特点

熔点高，硬而脆

性能当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现象称为弥散强化弥散强化

3.机械混合物

由两相或两相以上组成的多相组织概念各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能特点性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关

性能2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶前述晶体结构，都是理想的结构（原子排列既规则又完整，且晶格位向完全一致），这种晶体称为单晶体。

单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。实际上金属材料不都是这样的理想结构，而是一个多晶体结构，并存在有很多晶体缺陷。

内容导入A.1.3金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构由许多位向不同的单晶体构成的晶体多晶体晶体缺陷实际晶体结构中，局部原子排列的不规则性A.1.3金属实际的晶体结构单晶体多晶体多晶冰糖单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶冰糖。单晶冰糖晶粒晶界多晶体晶体缺陷空位、间隙原子、置换原子点缺陷线缺陷面缺陷位错：刃型位错、螺型位错晶界、亚晶界

晶体缺陷的类型晶体缺陷点缺陷空位及间隙原子置换原子形成的原因：热振动的偶然偏差结果：导致晶格畸变。晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。线缺陷——晶体中呈线状分布的缺陷（位错）刃型位错晶体缺陷刃型位错

位错——在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错排的现象。刃型位错——比较简单的位错形式线缺陷面缺陷——晶界、亚晶界晶界特征：①呈面状分布②产生晶格畸变亚晶界（位错墙模型）晶体缺陷2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶晶体缺陷对金属性能的影响各种晶体缺陷处晶格均处于畸变状态，引起晶格内部产生内应力，导致材料塑性变形抗力增大，从而使金属材料在常温下的强度、硬度提高。生产中常用的压力加工工艺，就是通过金属材料的塑性变形使晶体产生晶体缺陷，达到强化金属的目的。用产生塑性变形使金属得到强化的方法称为形变强化。形变强化是强化金属的重要途径之一。2011年9月26日星期一第2章金属的晶体结构与结晶A.1纯金属与合金的晶体结构

A.1.1纯金属的晶体结构

A.1.2合金的晶体结构

A.1.3金属实际的晶体结构金属的晶体结构是在结晶过程中逐渐形成的。所以，研究金属结晶的规律，有利于探索和改善金属材料的性能A.2纯金属与合金的结晶

A.2.1纯金属的结晶

A.2.2合金的结晶

凝固:

液体-->固体（晶体或非晶体）结晶:液体-->晶体

A.2.1纯金属的结晶结晶——金属由液体状态转变为晶体状态的过程。液体晶体1.纯金属的冷却曲线与过冷度过冷度：

T=T0-Tn结晶的必要条件：

必须有过冷度！影响过冷度的因素：

V冷T1

T

纯度

T1

T

纯金属的结晶纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的，是晶核的不断形成和长大的过程。2.纯金属的结晶过程

纯金属的结晶3.金属晶粒大小与控制晶粒大小对性能的影响晶粒越细，金属材料的强度、硬度

越高，塑性、韧性越好，这种现象

称为细晶强化。

纯金属的结晶增加过冷度进行变质处理（孕育处理）附加振动采用冷却能力强的铸模提高液体金属的过冷能力增加形核率降低长大速度机械振动超声波振动电磁振动细化晶粒的方法

纯金属的结晶1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒金属铸锭组织

纯金属的结晶小结1.纯金属的晶体结构固态金属及合金是晶体三种常见晶体结构：体心立方（α-Fe

）、面心立方（γ-Fe

）、密排六方2.合金的晶体结构基本概念：合金、组元、相、组织三种相结构：固溶体、金属化合物、机械混合物3.金属实际的晶体结构：多晶体、晶体缺陷晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷4.纯金属的结晶晶体结构是在结晶过程中形成的，晶粒越细小、力学性能越高细化晶粒的方法：快速冷却、变质处理、附加振动5.强化金属材料的四种方法：固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化二、填空题1.常见的金属晶格类型有

晶格、

晶格和

晶格三种类型。2.根据缺陷的几何形态特征，实际金属的晶体缺陷分为

、

和

。3.过冷度不是一个恒定值，它与液态金属的冷却速度有关。冷却速度越大，金属的实际结晶温度越

，过冷度越

。4.金属结晶过程是一个

和

的过程。5.金属的晶粒越细小，其强度、硬度

，塑性、韧性

，这种现象称为细晶强化。6.按溶质原子在溶剂中所占位置的不同，固溶体分为