机械工程材料-第2章

2.1金属的晶体结构2.1.1晶体的基本概念自然界中的一切物质按照其内部原子(离子或分子)排列规律的不同，可以分为晶体和非晶体两大类。除了一些少数的物质(如普通玻璃、松香等)以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。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。原子在空间呈无序排列的固体称为非晶体，如普通玻璃、石蜡、松香等。金属在某些特定条件下也可以转变为非晶体，称为金属玻璃。晶体具有固定的熔点，如纯铁的熔点为1539℃、铜的熔点为1083℃。而非晶体没有确定的熔点或凝固点。下一页返回2.1金属的晶体结构晶体具有各向异性，即在不同方向上测量其性能(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等)时，表现出或大或小的差异。而非晶体表现为各向同性。由此可见，晶体与非晶体之间存在着本质的差别，但这并不意味着两者之间存在着不可逾越的鸿沟。在一定条件下，两者可以互相转化，如玻璃经长时间高温加热后能形成晶态玻璃;用特殊的设备，使液态金属以极快的速度冷却下来，可以制出非晶态金属。

1.晶体结构晶体中原子(离子或分子)在空间的具体排列称为晶体结构。在晶体中，原子的排列规律不同，其性能也不同，因而，必须研究金属的晶体结构。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构

2.晶格为了研究晶体中原子的排列规律，把组成晶体的原子(离子或分子)看作刚性的小球，那么，晶体就是由这些刚性小球按一定规律周期性地堆垛而成，如图2-1(a)所示。不同晶体的堆垛规律不同，为了研究方便，常常将构成晶体的实际质点(原子、离子或分子)忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称为结点或阵点。由这些结点形成的空间点的阵列称为空间点阵。用一系列的平行直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格子称为晶格，如图2-1(b)所示。晶格直观地表示了晶体中原子(离子或分子)的排列规律。由点阵中的结点构成的平面称为晶面，构成的直线称为晶向。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构

3.晶胞由于晶体中原子排列具有周期性的特点，因此，可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小几何单元称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长度a,b,c和棱间夹角a,β、y表示，如图2-1(c)所示，其中，晶胞的棱边长度a,b,称c为晶格常数或点阵常数，其度量单位为10-10M。若a=b=c,a=β=γ=90°，则这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格即为简单立方晶格。2.1.2常见金属的晶体结构类型上一页下一页返回2.1金属的晶体结构对于工业上使用的金属，由于金属键有很强的结合力，而且无方向性和饱和性，所以，金属晶体具有紧密排列的趋势，这使得金属晶格的排列形式大为减少，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数的晶体结构都比较简单。其中，90%以上的金属晶体都属于如下三种晶体结构类型:体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。前两者属于立方晶系，后者属于六方晶系。

1.体心立方晶格(BodyCenteredCubic,bcc)体心立方晶格的晶胞模型如图2-2所示。它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。其晶格常数a=b=c，通常只用a表示。体心立方晶格的晶体学特点可用以下几个参数描述。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构

(1)原子半径在体心立方晶胞中，原子沿立方体的对角线方向紧密接触排列。故其对角线长度方向上分布的原子数目为2，可计算出其原子半径:(2)原子数由于晶格是由大量晶胞堆垛而成的，因而，晶胞的每个顶点上的原子同时属于周围八个晶胞，故只有1/8个原子属于这个晶胞，晶胞中心的原子完全属于这个晶胞，所以体心立方晶胞中原子数为1/8x8+1=2.

(3)致密度若把原子看成刚性小球，那么原子之间必然有空隙存在。

上一页下一页返回2.1金属的晶体结构致密度，是指晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。用K表示。属于这种体心立方晶格的金属有a-Fe(<912℃的铁)、Cr,Mo,W,V等30多种。2.面心立方晶格(FaceCenteredCubic,fcc)面心立方晶格的晶胞模型如图2-3所示，也是由八个原子构成的立方体。除在立方体的八个顶角上各有一个与相邻晶胞共有的原子外，在六个面的中心也各有一个共有的原子。与体心立方晶格一样，面心立方晶格的晶格常数也是只用一个参数a表示。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构(1)原子半径在这种晶胞中，在每个面的对角线上，各原子彼此相互接触，因而其原子半径(2)原子数由于立方体顶角上的原子为八个晶胞共有，每一面心位置上的原子同时属于相邻两个晶胞，故面心立方晶格的晶胞中包含有原子。(3)致密度即有74%的体积被原子占有，其余的为空隙。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构属于这种晶格的金属有:Al,Cu,Ni,Pb,γ-Fe(912℃~1394℃的铁)等20多种。3.密排六方晶格(HexagonalCrystalPacking,hcp)密排六方晶格的晶胞模型如图2-4所示。它是由12个原子构成的简单六方晶体，且上下两个六方面心处各有一个原子，六方体的中心还有3个原子。(1)原子半径如图2-4所示，密排六方晶格的原子半径为底面边长的一半，即r=1/2a.(2)原子数上一页下一页返回2.1金属的晶体结构由于六棱柱顶角的原子为六个晶胞共有，底面中心的原子为两个晶胞共有，两底面之间的三个原子为晶胞所独有，因而，晶胞原子数为原子。(3)致密度密排六方晶格的致密度K=0.74。属于这种晶格的金属有Be,Mg,Zn,Cd等。由于以上三种晶格的原子排列不同，因此，它们的性能也不同。一般来讲，体心立方结构的材料，强度高而塑性相对低一些;面心立方结构的材料，强度低而塑性好;密排六方结构的材料，强度与塑性均低。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构2.1.3同素异构转变大部分金属只有一种晶体结构，但一也有少数金属如Fe,Mn,Ti,Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。当外部条件(如温度和压力)改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为同素异构转变或多晶型转变，也称重结晶。例如，铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，会发生两次晶格转变，其转变过程如图2-5所示.金属的同素异构转变具有重要的意义，不仅会导致晶体体积的变化，同时还会引起性能的改变。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构由于面心立方晶格和密排六方晶格的致密度比体心立方晶格的大，因而，由面心立方晶格或密排六方晶格向体心立方晶格转变时，晶体的体积会发生膨胀;反之，会收缩。此外，晶体体积的变化还会引起工件变形或开裂.2.1.4晶面及晶向指数在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析其各种晶面和晶向中原子分布的特点。这样，有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号，以表示它们在晶体中的方向，从而便于分析。晶面和晶向的这种符号分别叫作晶面指数和晶向指数。1.晶面指数的确定上一页下一页返回2.1金属的晶体结构如图2-6所示，以晶格中的某一原子为原点(注意不要把原点放在所求的晶面上)，将通过该点，平行于晶胞的三棱边作为OX,OY,OZ三坐标轴，以晶格常数a,b,c作为相应的三坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距;然后将所得三截距之值的倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般形式为(hkl)。

(hkl)代表的是一组互相平行的晶面。原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用{hkl}表示。

2.晶向指数的确定上一页下一页返回2.1金属的晶体结构由坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向;求出该直线上任意一点的三个坐标值;将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数，其一般形式为如图2-7所示，AB的晶向指数:过O作一平行于AB的直线OP，其上任一点的坐标为(1,1,0)，这样，所求AB的晶向指数即为〔110」;OB的晶向指数:本身过原点，不必作平行线，其上任一点的坐标为(1,1,1)，其晶向指数为与晶面指数类似，代表的是一组互相平行、方向一致的晶向。原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向称为晶向族，用<uvw>表示。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构2.1.5金属的实际结构和晶体缺陷1.单晶体与多晶体以上研究金属的晶体结构时，把晶体看成由原子按一定几何规律周期性排列而成，即晶体内剖铂勺晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体，如图2-8(a)所示。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体工业中的单晶硅。实际工业上应用的金属材料都是由很多小晶体组成的，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。晶粒内部的晶格位向是均匀一致的，而晶粒与晶粒之间的晶格位向彼此不同。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构由于晶界是两相邻晶粒的不同晶格位向的过渡层，所以，晶界上原子的排列总是不规则的，这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-8(b)所示。对于单晶体，由于各个方向上原子排列的密度不同，所以各个方向上的原子间的结合力不同，从而使单晶体具有各向异性的特点。2.晶体缺陷在实际应用的金属材料中，金属的晶体结构不可能像理想晶体那样规则和完整，由于各种因素的作用，晶体中不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这些晶格不完整的区域称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的性能(如强度、塑性、电阻等)有着重要影响。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构因此，研究晶体缺陷具有重要的实际意义。根据几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。(1)点缺陷点缺陷是指原子排列不规则的区域在空间三个方向上的尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、置换原子都是点缺陷。①空位。晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因(如热振动等)脱离其晶格结点时，将产生此类点缺陷。②间隙原子。处于晶格间隙中的原子，称为间隙原子。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构在金属晶体结构中都存在着间隙，一些尺寸较小的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。如钢中的氢、氮、碳等。③置换原子。杂质元素占据金属晶格的结点位置，称为置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。三种点缺陷的形态如图2-9所示。点缺陷的出现使周围原子间作用力的平衡被破坏，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，出现涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即产生了晶格畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高、电阻增加等。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构(2)线缺陷线缺陷是指原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。晶体中，最普遍的线缺陷就是位错，指在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。刃型位错是其中较常见的一种，如图2-10所示。这种位错的特点是，在晶体的某一个晶面的上下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入一个多余原子面，但又未插到底，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，在沿切口处硬插入一额外的半原子面一样，刃口处的原子列即为刃型位错。可见，刃型位错周围存在着弹性畸变。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构刃型位错有正负之分，多余半原子面在滑移面上方称为正刃型位错，用符号“⊥”表示，多余半原子面在滑移面下方称为负刃型位错，用符号“T”表示。实际晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。把单位体积中位错线的总长度称为位错密度(单位为cm-2)。大量的实验和理论研究表明，晶体的强度和位错密度有密切的关系，如图2-11所示。可见，如果晶体无缺陷，通过理论计算可知，其具有极高的强度，称为理论强度。随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定数值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构这一规律说明，要想提高一金属的强度，可沿着减少或者增加晶体缺陷两个方向进行。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的要求，而增大位错密度容易实现，如剧烈的冷加工可使位错密度大大提高，从而提高材料的强度。

(3)面缺陷面缺陷，是指原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而在另一方向上的尺寸很小，呈面状分布的晶体缺陷。晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷，如图2-12所示。晶界的宽度为5~10个原子间距，晶界两侧晶粒的位向差一般为20°~40°。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构晶界是两个晶粒的过渡部位，原子排列不规则且与两个晶粒都不相同。晶界对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位。金属的晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度也越高，因而，实际使用的金属材料力求获得细晶粒。由于相邻晶粒的取向失配，晶界上的原子不能有效地堆积，因而晶界的能量比晶内的高，熔点低，耐蚀性差，原子扩散快。晶界的缺陷比晶内的多，故外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高于晶内，称为内吸附。晶粒本身也不是理想晶体，它由许多尺寸很小、位向差也很小(通常小于10)的小晶块镶嵌而成，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由刃型位错垂直排列形成的位错墙。亚晶界对金属同样有强化作用。上一页返回2.2金属的结晶2.2.1结晶的基本概念金属自液态冷却转变为晶体的过程，称为结晶。它的实质是，原子从不规则排列状态(液态)过渡到规则排列状态(晶体状态)。金属结晶后形成的组织将极大地影响到金属的加工性能和使用性能。对于铸件和焊接件来说，结晶过程基本上决定了其使用性能和使用寿命，而对于尚需进一步加工的铸锭来说，结晶过程既直接影响其轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响其成品的使用性能。因此，研究金属的结晶过程，已成为提高金属机械性能和工艺性能的一个重要手段。此外，液相向固相的转变又是一个相变的过程。因此，研究金属的结晶过程也为进一步研究合金的固态相变打下基础。下一页返回2.2金属的结晶1.结晶时的过冷现象各种纯金属都有一定的结晶温度，即熔点，如Fe为1539℃，Cu为1083℃等，在熔点温度，液态中的原子结晶进入固态的速度与固态晶格上的原子进入液体的速度相等，这是一种理想状态，实际很难实现，因此，熔点又称理论结晶温度(或平衡结晶温度)T0。金属的实际结晶温度Tn总是低于平衡结晶温度T0，原因在于结晶的能量条件。热力学定律指出，自然界中的一切物质都是自发地由高能量的状态向低能量的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。由于液体与晶体的结构不同，同一物质在不同温度下的自由能的变化是不同的，如图2-13所示。上一页下一页返回2.2金属的结晶上述实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。2.实际结晶温度的测定金属的实际结晶温度可以用热分析方法测定，将纯金属置于坩埚内，加热熔化为液体，然后停炉缓慢冷却。将热电偶的热端浸入熔融的金属液中，每隔一定时间测一次温度，直至结晶完毕。把记录的数据绘在温度一时间坐标中，得到温度与时间的曲线，称为冷却曲线，如图2-14所示。通过冷却曲线可以看出，当液体金属冷却到一定温度时，冷却曲线上出现了平台，这意味着坩埚内的温度停止下降且保持不变。产生这种现象的原因，是液体金属在结晶时释放了热量，称为结晶潜热。上一页下一页返回2.2金属的结晶当坩埚内液体金属释放的结晶潜热与坩埚散失的热量相等时，坩埚内温度不变，冷却曲线出现平台。当液态金属全部结晶终了时，由于再无结晶潜热放出，坩埚内的温度又继续下降。所以，一般情况下，冷却曲线上出现平台，表明液体正在结晶，这时的温度就是纯金属的实际结晶温度，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间。通过实验测定可知，不同冷却速度时，过冷度是不一样的，如图2-15所示，冷却速度越大，则过冷度也越大。2.2.2结晶过程由于金属结晶过程的实质是液态金属原子规则排列的过程，所以不可能在一瞬间完成。上一页下一页返回2.2金属的结晶理论研究和实验观察证明，金属结晶过程是晶核形成和长大的过程。金属的结晶过程从微观的角度看，液态金属中存在许多有序排列的小原子团，这些小原子团或大或小，时聚时散，称为晶胚。当液态金属冷却到T0温度以下后，便处于热力学不稳定状态，经过一段时间(称为孕育期)，那些达到一定尺寸的晶胚将开始长大，这些能够继续长大的晶胚即晶核。晶核形成后，便向各个方向不断地长大。在这些晶核长大的同时，又有新的晶核产生，就这样不断形核，不断长大，直到液体完全消失为止。每一个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后便形成晶界。纯金属的结晶过程如图2-16所示。液态金属结晶时，形核方式有自发形核和非自发形核两种。上一页下一页返回2.2金属的结晶自发形核:在一定条件下，从液态金属中直接产生。原子为规则排列的结晶核心，也叫均质形核。非自发形核:液态金属依附在未溶颗粒表面所形成的晶核，也叫非均质形核。实际生产中，在液态金属中总有些杂质，一般由金属冶炼、熔化和浇注系统带入。杂质和金属晶体的结构越接近，则杂质作为结晶核心的可能性就越大。通常情况下，特意向液态金属中加入些杂质，以增加形核的数目。金属结晶时，自发形核有限且量少，而非自发形核所需能量较少，比自发形核容易得多。因此，在实际生产条件下，金属的结晶以非自发形核为主。上一页下一页返回2.2金属的结晶晶核形成后，结晶靠晶核长大来完成，晶核的长大以枝晶状形式进行。由于晶核在各个方向生长的速度不一致，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，如图2-17所示。但随着晶核的长大，晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其他部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴，称为一次晶轴;晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，形成二次晶轴、三次晶轴……如此不断长大，形成树枝状。当金属液体消耗完时，最后枝晶填满而形成一个晶粒。这种晶核成长方式称为枝晶成长。在结晶过程中，如果枝间处金属结晶造成的体积收缩没有得到液体金属充分补充，就会留下空隙，这时就保留了树枝状晶的形态。上一页下一页返回2.2金属的结晶2.2.3晶粒大小及控制实践表明，结晶后形成的晶粒大小对金属的性能有重要的影响。在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。多数情况下，工程上希望通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。这种用细化晶粒来提高材料强度的方法，称为细晶强化。晶粒的大小称为晶粒度，它取决于形核率N和成长率G的相对大小。若形核率大，成长率小，则单位体积中晶核数目多，每个晶核的长大空间就小，长成的晶粒细小;反之，若形核率小，而成长率大，则晶粒粗化。影响晶核的形核率N和成长率G的最重要的因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质。上一页下一页返回2.2金属的结晶(1)过冷度的影响金属结晶时，冷却速度越快，其过冷度便越大，不同过冷度△T对晶核的形成率N(晶核形成数目/(s·mm3))和成长率G(mm/s)的影响如图2-18所示。从图中可以看出，增大过冷度，则形核率和成长率都增大，但两者的增长速率不同，形核率的增长率大于成长率的增长率。在一般金属结晶的过冷范围内，增大过