《金属材料与热处理（少学时）（第三版）》-课件 第一章　金属的结构与结晶

1§1-1金属的晶体结构

2§1-2纯金属的结晶1．了解金属的晶体结构及晶体缺陷。2．了解纯金属的结晶过程，掌握金属晶粒的大小对其性能的影响。3．掌握生产中常用细化晶粒的方法。4．了解纯铁的同素异构转变。大家知道金刚石和石墨都是由碳元素构成的，可谓“孪生兄弟”，但二者却“性格迥异”。金刚石具有正八面体结构，不导电，但硬度极高，能做成玻璃刀；石墨具有层状的六边形结构，能导电，但硬度低。你知道二者“性格迥异”的原因吗？§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体你能区分下列物质是晶体还是非晶体吗？自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为非晶体。所有的金属都是晶体。取一张云母薄片，在上面涂一层很薄的石蜡，用烧热的钢针接触云母片，观察接触点周围的石蜡熔化后所成的形状，然后在玻璃片上做同样的试验。从试验中我们看到，熔化了的石蜡在云母片上呈椭圆形，而在玻璃片上呈圆形。这说明了什么？1.晶格的概念为了更清楚地表示金属中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格。二、金属的晶格类型2.晶胞的概念由图可见，晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。晶胞是可以反映金属原子排列规律的最小单元，所以一般都是取出晶胞来研究金属的晶格结构。常见的三种金属晶格类型即使是相同原子构成的晶体，只要原子排列的晶格形式不同，则它们之间的性能也会存在很大的差别，如金刚石与石墨就是典型的例子。只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体，单晶体的晶格排列方位完全一致。单晶体必须人工制作，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。多晶体是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界。三、单晶体与多晶体1.单晶体的定义2.多晶体的定义实际上由于各种原因，金属原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，我们把这种晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。四、晶体的缺陷金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点T0）条件下才能进行。理论结晶温度和实际结晶温度（

T1）之间存在的温度差称为过冷度（ΔT=T0-T1）。§1-2 纯金属的结晶结晶是金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程。这一过程实际上是原子由一个高能量级向一个较低能量级转变的过程，所以在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。一、纯金属的结晶过程纯金属的结晶是在恒温下进行的。结晶结束，不再有潜热放出来补充散发的热量，温度又重新下降，直至室温。金属的结晶过程由晶核的产生（形核）和生成枝晶（长大）两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。形核与长大的过程是一切晶体物质（包括非金属物质）进行结晶的普遍规律。由于树枝状晶体在金属结晶时是不透明的，所以很难看到。但在一些情况下，由于结晶时没有得到足够的原子填充，所以其形态被保存下来，比如在一些纯金属的表面、铸锭或厚大铸件的缩孔中，通常可以观察到如下图所示的结构。在显微镜下观察纯铁晶粒的大小、形态和晶界形式，如下图所示。二、晶粒大小对金属材料的影响铸造生产中总是希望得到较细晶粒的铸件，而晶粒的大小与结晶过程中晶核形成的数目及长大速率有关，其关系如图1-8所示，图中单位时间、单位体积所形成的晶核数（形核率）用字母

N

表示。从图中不难看出，形核率越高，长大速率（G）相对增长较慢，则结晶后的晶粒越细，因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速率的方法来细化晶粒。金属结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。薄壁铸件的晶粒较细；厚大铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部则是粗晶。1．增加过冷度2．变质处理生产中最常用的细化晶粒的方法是变质处理，即在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂，以提高形核率。3．振动处理金属在结晶时，对液态金属采取机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎而细化，破碎的枝晶还可作为结晶核心，从而达到提高形核率、阻碍晶粒长大的双重目的，以细化晶粒。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质，称为同素异构性。在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变。三、同素异构转变纯铁是具有同素异构性的金属，图1-9所示为纯铁的同素异构转变冷却曲线。由图可知，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe；继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe；再冷却到912℃，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe；如再继续冷却到室温，晶格类型将不再发生变化。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含形核和长大两个过程（图1-10），故又称为重结晶，但其过程是在固态下进行的。同素异构转变可使金属在固态下重组晶粒，获得所需性能。也就是说，可在不改变零件尺寸、形状的情况下，使其内部组织结构和性能发生变化。1．什么是晶体？什么是非晶体？它们在性能上有什么不同？想一想，除了金属，你在日常生活中还见过哪些晶体？2．什么是晶格？什么是晶胞？金属中主要有哪三种晶格类型？