教学材料《金属材料》-2

2.1金属的晶体结构金属材料的性能尤其是力学性能与其微观结构(原子的排列方式和空间分布)有着密切的关系，而且还可以通过外界条件改变其结构，从而改善材料的性能。一、晶体的基本知识固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。1.晶体与非晶体在晶体中，原子按照一定的几何规则作周期性的重复排列。反之，非晶体中的这些原子是杂乱无章的堆积在一起，无规则可循。下一页

返回2.1金属的晶体结构2.晶格、晶胞及晶格常数根据金属学知识，我们可以将金属晶体中的原子看作固定的圆球，那么晶体就是由这些圆球有规则地堆垛而成，即晶体中的原子在空间呈规则排列，如图2-1（a）。规则排列的方式即称为晶体的结构。原子堆垛模型尽管直观，但是不便于看清晶体内部的排列规律。为了便于研究晶体结构，假设通过原子的中心画出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种假想的空间几何格架就叫晶格，如图2-1(b)，原子位于晶格的结点上。晶格的最小几何组成单元称为晶胞如图2-1(c)。上一页

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返回2.1金属的晶体结构二、纯金属中典型的晶格类型除少数元素外，绝大多数纯金属皆为体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种典型、紧密的晶体结构之一。1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图2-2所示，所谓立方晶格即晶格常数a=b=c。体心立方晶格的金属原子分布在立方晶胞的八个角上和立方体的中心。晶胞中原子本身所占有的体积比例称为晶格的致密度。上一页

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返回2.1金属的晶体结构2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图2-3所示。除了晶胞的八个角上各有一个原子外，在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。3.密排六方晶格密排六方晶格是一个正六棱柱体，如图2-4所示。在六棱柱的十二个顶角及上下底面的中、自各有一个与相邻晶胞共有的原子，两底面之间还有三个原子。上一页

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返回2.1金属的晶体结构三、纯金属的实际晶体结构实际使用的纯金属，其晶体结构并非单晶体而是多晶体，且晶体内部存在缺陷。1.单晶体与多晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，这块晶体称为单晶体。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。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。实际金属都是由千千万万个位向不同的小晶粒组成。因此，实际金属性能是位向不同晶粒的平均性能，总体上表现出各向同性。上一页

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返回2.1金属的晶体结构2.晶体缺陷在晶体内部，由于各种原因，导致原子的规则排列受到干扰和破坏，使其偏离理想结构，此即晶体缺陷。它对金属的性能有很大的影响。根据几何特征，晶体缺陷分类如下：(1)点缺陷。主要是空位和间隙原子，还有少量杂质原子。(2)线缺陷。晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。(3)面缺陷。缺陷呈面状分布，主要在晶界处。上一页

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返回2.1金属的晶体结构四、合金的晶体结构由于纯金属种类有限，提炼困难，力学性能不太高，因此，无法满足各种机械工程的性能要求和总量的需求。而配制的各种不同成分的合金，可以显著改变金属材料的组织、结构和性能，从而具有比纯金属更高的力学性能和某些特殊的理化哇能，同时又保留了金属材料的一些优点，因此，合金材料的应用更加广泛。1.合金的基本概念(1)合金:由两种或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。上一页

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返回2.1金属的晶体结构(2)组元:组成合金的最基本的、独立的物质。组元通常为纯元素，也可以是稳定的化合物。根据组元之多少，合金可分为二元合金、三元合金、多元合金。组元确定后，可以按不同比例配制出一系列成分不同的合金—组成一个合金系。合金系也可以分为二元系、三元系、多元系。(3)相:合金中成分及结构相同的均匀部分。在合金中，相与相之间有明显的界面由一个固相组成的合金为单相合金，由两个及以上固相组成的合金为多相合金。合金在液态时通常为单相。上一页

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返回2.1金属的晶体结构(4)金相组织:在金相显微镜下观察到的金属各种形态的组织称为金相组织或显微组织，亦简称组织。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。通过热处理可以在不改变金属化学成分的前提下改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。2.合金的相结构根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。(1)固溶体:合金在固态下，组元间相互溶解而形成的均匀相。上一页

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返回2.1金属的晶体结构其晶格类型与其中某一组元相同。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失、以原子状态分布在溶剂晶格中的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。溶质原子在固溶体中的极限浓度称为固溶体的溶解度。溶解度有一定限度的固溶体称为有限固溶体，而固溶体组成元素能够无限互溶的固溶体称为无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体由于间隙有限，只能形成有限固溶体。上一页

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返回2.1金属的晶体结构(2)金属化合物:合金中的组元(元素)按一定的原子数量比相互作用而形成的具有金属特性的新相叫金属化合物。金属化合物的晶格类型不同于其中任一组成元素，它将形成新的、复杂的晶体结构。因此，金属化合物的性能也完全不同于其组元，表现为熔点高、硬度高而脆性大。固溶体和金属化合物是合金的基本相，两个基本相混合而成的组织称为机械混合物，其性能取决于各组成相的性能以及各自形状、大小、数量、分布等。上一页

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返回2.1金属的晶体结构合金的组织一般是固溶体或者固溶体与金属化合物组成。如果由单一固溶体组成，则合金具有较低的强度和硬度、较好的塑性和韧性;如果合金由固溶体与金属化合物组成，当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在合金基体即固溶体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性显著提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金钢、有色金属和硬质合金等材料中常作为重要的强化相存在。上一页

返回2.2金属的结晶金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。了解金属的结晶过程是十分必要的。一、纯金属的结晶特点纯金属的结晶过程，可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线—冷却曲线来表示，如图2-11所示。(1)纯金属是在恒温下结晶的。纯金属液体冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现了一个恒温平台，所对应的温度就是金属的结晶温度(或熔点)。在结晶过程中，由于放出的结晶潜热正好补偿了散失的热量，使温度保持恒定不变。因此，纯金属是在恒温下结晶的。结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降。下一页

返回2.2金属的结晶(2)结晶过程要花一定时间。从图2-11的冷却曲线可以看出，纯金属从开始结晶到结晶终了经历了一段时间，也就是说结晶不能在瞬间完成。(3)结晶有过冷现象金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷现象。T0与T1之差值ΔT=（T0-T1

）称为过冷度。过冷度并不是一个恒定值，其大小与冷却速度等有关。冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度也越大，金属也越容易结晶。实际金属总是在过冷情况下结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。上一页

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返回2.2金属的结晶二、纯金属的结晶过程结晶过程是金属内的原子从液态的混乱排列转变成固态的有序排列的过程，它包括晶核不断形成和晶核不断长大两个密切联系的基本过程。金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体即晶核，然后再以它们为核心不断地长大。与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。一个晶核长成一颗晶粒，晶核数量越多，则结晶后的晶粒数量就越多，晶粒便越细小。金属液体中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大。金属晶体常以树枝状的形式长大，称为枝晶。上一页

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返回2.2金属的结晶三、晶粒的细化金属的晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，塑性、韧性也好。这是因为一方面晶粒越细小，晶界越多，强化效果越显著;另一方面，晶粒越细小，受力变形时，塑性变形能够均匀分配到更多的晶粒中，表现出更大的塑性和韧性。因此，细化晶粒是提高材料力学性能的重要措施。工业生产中细化晶粒的方法有以下几种:(1)增大过冷度

(2)变质处理

(3)附加振动与搅拌上一页

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返回2.2金属的结晶四、合金的结晶特点合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处，也是在过冷条件下通过形核与长大两个基本过程完成的。但由于合金包含有两个以上组元，与纯金属的结晶不同，合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的，在结晶的过程中，不但有固相和液相数量变化，而且各相的成分也在变化，结晶后的固相一般为多相组织。因此，合金的结晶比纯金属复杂，单用一条冷却曲线难以说明。为了研究合金结晶过程及合金组织的变化规律，必须应用合金相图这一重要工具。上一页

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返回2.2金属的结晶所谓合金相图，就是合金在极缓慢冷却或加热条件下成分-温度-状态(组织)之间的关系图，又称合金状态图或合金平衡图。可以根据合金相图来研究合金的相变、组织形成及变化的规律，并