工程材料—2.ppt

1、第2章 金属材料的基础知识,2-1 金属材料的晶体结构 2-2 合金的基础结构 2-3 纯金属的结晶 2-4 合金的结晶,第2章 金属材料的基础知识,金属材料的主要性能即力学性能，从本质上说是由其组织结构所决定的，而组织结构以原子的排列方式和空间分布来体现，绝大多数金属材料是在固体状态下被应用的。固体物质是以晶体和非晶体两种结构状态存在。所以，掌握金属材料的内部结构及其对金属材料的影响因素，对于生产、加工、使用金属材料具有重要的意义。 金属材料是应用最广泛的一种机械工程材料，对金属的固体结构及其形成过程的分析、了解及掌握是非常必要的。当同一金属由液态转变为固态时，由于结晶条件的不同，同一金属所

2、表现的力学性能也各异，所以，本章从金属的结晶过程及组织结构开始研究。,返回,2.1.1晶体结构 1.晶体 晶体是原子在三维空间按一定几何规律重复排列的有序结构。,返回,下一页,2-1 金属材料的晶体结构,2.非晶体 非晶体是原子在三维空间无序排列的结构。如玻璃、沥青、绝大多数塑料等。由于原子在物质内部排列方式的不同，通常将固态物质分为晶体和非晶体两类。晶体的性能具有各向异性的特点。,3.晶格与晶胞 为了便于理解，通常把原子看成一个固定的小球，这些固定的小球按一定几何形式有序排列组成晶体，如图2-1所示。 (1)晶格 为了便于研究，将每个原子视为一个几何质点，用假想的线将各质点连接起来，构成有明

3、显规律的空间格架，这种表示原子在晶体中排列规律的空间几何格架称为晶格。如图2-2(a)所示。 (2)晶胞 晶胞是组成晶格的最小几何单位，如图2-2(b)所示,返回,下一页,上一页,图2-1 晶体内部原子排列示意图,返回,图2-2 晶体与晶胞示意图,返回,4.晶面 晶体中由一系列原子所组成的平面称为晶面，如图2-3所示。 5.晶向 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如图2-4所示。,返回,下一页,上一页,图2-3 立方晶格中的晶面,返回,图2-4 立方晶格中的晶向,返回,2.1.2常见的3种晶格类型 因为晶胞是从晶格中取出来的，它能够代表晶格特性，所以要想

4、研究晶格特性只要研究晶胞特性就可以了。现以3种晶格的晶胞为例，说明3种晶格类型的特性。 1.体心立方晶格 在立方体晶胞的8个顶角上和晶胞中心各有一个原子。这种晶格类型的金属有。-铁(-Fe )、钨(W)、铬(Cr )、钼(Mo)、钒(V)等，如图2-5所示,返回,下一页,上一页,图2-5 体心立方晶胞,返回,2.面心立方晶格 在立方体晶胞的8个顶角和立方体6个面的中心各排列一个原子，这种晶格类型的金属有铜(Cu)、铝(Al)、铅(Pb)、金(Au ) 、镍(Ni ) 、 -铁(-Fe )等，如图2-6所示。 3.密排六方晶格 在六棱柱的各个棱角和上、下两个6边形底面的中心各有一个原子，此外在棱

5、柱体中间还有3个原子。这种晶格类型的金属有锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)等，如图2-7所示。,返回,下一页,上一页,图2-6 面心立方晶胞,返回,图2-7 密排立方晶胞,返回,2.1.3晶体结构的3种缺陷 一块金属晶体其内部晶格位向是一致的，称为单晶体。一块金属晶体由许多晶格位向不同的微小晶体组成的称为多晶体，如图2-8所示。当多个单晶体组成单个晶体时，单晶体内部的晶格位向是一致的，而各个单晶体彼此间位向都不同，这种不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得，实际应用的金属材料是多晶体结构，由于冶炼后在凝固过程中受到多种因素的影响，在

6、晶体内部的局部区域原子的规则排列往往受到干扰而被破坏，这种原子排列无序的区域称为晶体缺陷，常见的缺陷有3种类型。,返回,下一页,上一页,图2-8 体及多晶体结构示意图,返回,(a)结构(b)多晶体结构,1.点缺陷 点缺陷指在三维空间的3个方向上尺寸都很小的晶体缺陷，常见的有晶格空位和间隙原子。晶格空位缺陷是晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点。间隙原子是指晶体的晶格间隙处出现的多余原子，如图2-9所示。,返回,下一页,上一页,图2-9 点缺陷示意图,返回,2.线缺陷 在三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷称为线缺陷。常见为刃形位错和螺形位错等。 位错是晶体中一列或数列原子发生有规律的错排

7、现象，如图2-10所示，在这个晶体ABCD面的上方，多出一个垂直的半原子面EFGH，像刀刃一样切入晶体与ABCD面交于EF线(位错线)称为刃形位错。,返回,下一页,上一页,图2-10 刃型位错示意图,返回,3.面缺陷 在三维空间的一个方向上尺寸很小而呈面状的晶体缺陷称为面缺陷。主要指晶界、亚晶界(镶嵌块界)如图2-11(a)所示。晶界是晶粒与晶粒之间的过渡层。在多晶体中，相邻晶粒之间位向差可达20 40，所以晶界处原子排列是不规则的，即使在一个晶粒内部也存在许多更小晶格位向差小于2 3的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面为亚晶界，如图2-11 (b)所示。而

8、亚晶界处的原子排列与晶界一样，原子排列是不规则的。,返回,下一页,上一页,图2-11 面缺陷示意图,返回,2-2 合金的基本结构,2. 2. 1合金的基本概念 由于纯金属材料的力学性能较差，而且价格较高，所以使用的金属材料中绝大多数材料是合金。 1.合金 合金是由两种以上金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。如铁碳合金、铜锌合金等。,返回,下一页,2.组元 组元是组成合金的最基本的独立物质。可以是金属元素、非金属元素和稳定化合物。根据组元数目的多少，合金分为二元合金、三元合金或多元合金等。 3.相 合金中成分、结构相同并以界面相互分开的各个均匀组成部分。,返回,下一页,上一页,4.相变

9、金属或合金的一种相在一定条件下，可以变为另一种相。如纯铜在熔点温度以上或以下，分别为液相或固相，在熔点温度则为液、固两相共存。 5.单相组织 由单一相组成的组织为单相组织。 6.多相组织 由两种或两种以上相组成的组织为多相组织。,返回,下一页,上一页,2. 2. 2合金的相结构 根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的基本结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 1.固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格中仍保持溶剂晶格类型的合金相称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。,返回,下一页,上一页,(1)置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶

10、体，称为置换固溶体，如图2-12所示。在生产中加入铬(Cr)、锰(Mn)、硅(Si)、镍(Ni)和钼(Mo )等金属元素都能与铁形成置换固溶体，形成合金钢。,返回,下一页,上一页,图2-12 转换固溶体结构示意图,返回,(2)间隙固溶体 当溶质原子嵌入溶剂晶格各结点之间的空隙内形成的固溶体称为间隙固溶体。如图2-13所示。能够作为间隙固溶体的溶质原子多为原子半径小于0. 1 nm的非金属元素，如氮、硼、碳等。 固溶体的溶解度与温度有关，一般来说，温度越高溶解度越大。,返回,下一页,上一页,图2-13 间隙固溶体结构示意图,返回,如图2-14所示，由于固溶体中溶质原子的溶入，导致溶剂晶格的畸变，

11、使金属材料的强度、硬度得到提高，生产中称为固溶强化。,返回,下一页,上一页,图2-14 固溶体的晶格畸变,返回,2.金属化合物 合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时，合金元素间发生相互作用而生成具有金属性质的一种新相，称为金属化合物。一般具有较复杂的晶格结构，如Fe3C的晶体结构如图2-15所示。,返回,下一页,上一页,图2-15 碳体的晶体结构,返回,金属化合物的特点是熔点高、性能硬而脆。因此，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑性和韧性。 多数合金都是由固溶体和少量金属化合物组成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和分布在其中的化合物的形状、数量、大小及分布来

12、调整合金的性能，满足不同性能对材料的要求。,返回,上一页,纯金属或合金由液态变为固态的过程也是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，这个过程即为金属的结晶过程。了解金属结晶过程及变化规律，对改变和控制材料的内部组织和性能是非常重要的。,返回,下一页,2-3 纯金属的结晶,2. 3. 1纯金属的冷却曲线及过冷现象 1.冷却曲线 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。金属的结晶温度可通过热分析试验的方法测定。如图2-16所示，将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却，在冷却过程中每隔一段时间测量记录一次温度并以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出“温度一时间”的关系曲线，即纯

13、金属结晶时的冷却曲线。,返回,下一页,上一页,图2-16 热分析装置示意图,返回,如图2-17所示从该曲线可以看出，当液态金属从高温开始冷却时，由于周围环境的吸热，温度均匀下降，状态保持不变，当温度下降到a点后，金属开始结晶，释放结晶潜热，当释放的结晶潜热补偿了周围空气从金属吸收的热量时，温度停止了下降，保持恒定，在冷却曲线上出现一个平台，等到b点，结晶完成后，设备继续向外散热，温度继续下降，直至室温。a、 b两点间的水平线段为结晶阶段，它们对应的温度称为金属的实际结晶温度，用Tn表示。,返回,下一页,上一页,图2-17 纯金属的冷却曲线,返回,2.过冷度 理论上，纯金属液体在无限缓慢的冷却条

14、件下结晶，所得到的结晶温度为理论结晶温度，用T0表示。当温度高于T0时，金属处于液态;当温度低于T0时，金属处于固态。在T0温度时，金属处于液固平衡状态。但在实际生产中，金属自液态向固态结晶时，都有较快的冷却速度，液态金属只有冷却到低于T0温度，直到Tn，温度时才开始结晶。,返回,下一页,上一页,金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷，理论结晶温度与实际结晶温度的差值 T称为过冷度，过冷度T= T0- Tn 。,返回,下一页,上一页,2. 3. 2纯金属的结晶过程 金属的结晶过程是晶体在液体中从无到有，即晶核形成和晶核长大两个过程组成的，如图2-18所示。 1.晶核的生成 实验表明，

15、在液态金属中存在两种晶核，自发晶核与非自发晶核,返回,下一页,上一页,图2-18 纯金属结晶过程示意图,返回,(1)自发晶核 在液态金属从高温冷却到结晶温度的过程中，液体内部存在一些微小体积中原子由不规则排列向晶体结构中原子规则排列逐渐过渡，不断产生许多类似晶体中原子规则排列的小集团，其特点是极不稳定，时聚时散，尺寸越大，稳定性越低，这种原子不稳定排列的小集团是产生晶核的基础，当液体温度降到实际结晶温度后，一些尺寸较大的原子小集团逐渐稳定，并能够自发地成长，形成结晶，这种晶核称为自发晶核。,返回,下一页,上一页,(2)非自发晶核 液态金属依附在一些未熔微粒表面所形成的晶核为非自发晶核。这些未熔

16、颗粒可以是液态金属中原来就存在的杂质，也可以是人为加入的物质。,返回,下一页,上一页,2.晶核的长大 由于结晶条件的不同，晶体主要以两种方式生长。在过冷度较小情况下，纯金属晶体主要以其结晶表面向前平移的方式长大，即平面式长大，当过冷度较大，特别是液态金属内部存在非自发晶核时，在晶核长大的早期，其内部原子排列规则，但随着晶核的长大，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其他部位，因而得到优先生长，如长出树枝状枝干，在枝干上再长出分枝称为枝晶，如图2-19所示，当相邻枝晶的骨架相遇时，就停止了扩展。,返回,下一页,上一页,图2-19 枝晶生长示意图,返回,在生产中，金属的结晶多为枝晶，在结晶过程中，

17、如果金属液体供应不充分，金属最后凝固的枝晶之间的间隙则不能被填满，晶体的树枝状结构就很容易显露出来，在实际生产中，我们很容易在金属的铸锭表面见到树枝状的浮雕。,返回,下一页,上一页,2. 3. 3晶粒大小对金属力学性能的影响 衡量金属的晶粒大小常用晶粒度(即单位体积或面积内晶粒的数量)表示。在同样变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现象，同时由于晶粒多，不规则的晶界也多，所以细晶粒的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好，见表2-1。,返回,下一页,上一页,2. 3. 4细化晶粒的措施 1.增加过冷度 金属的形核率和长大速度均随过冷度增大而加快，但两者加快速率不相同，在很大范围内形核率的增长速率比晶核长大速率增长的更快。如图2-20所示，金属的形核率N和长大速度v与过冷度变化的关系。因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。,返回,下一页,上一页,图2-20 形核率和长