機(jī)械制造基礎(chǔ)-第2章-晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、1第二章第二章 金屬、合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬、合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)不同分為晶固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)不同分為晶體與非晶體。非晶體的原子是無規(guī)則雜亂地堆積的，沒有體與非晶體。非晶體的原子是無規(guī)則雜亂地堆積的，沒有固定的熔點(diǎn)，各向同性。晶體的原子是按一定的幾何形狀固定的熔點(diǎn)，各向同性。晶體的原子是按一定的幾何形狀作有規(guī)律的排列，有固定的熔點(diǎn)，各向異性。作有規(guī)律的排列，有固定的熔點(diǎn)，各向異性。2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體、晶體與非晶體 2、常見的金屬晶格類型、常見的金屬晶格類型 用于描述原子在晶體中規(guī)律排列方式的空間格子稱為用于描述原

2、子在晶體中規(guī)律排列方式的空間格子稱為晶晶格格。晶格中直線的交點(diǎn)稱為晶格中直線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)。晶格中能代表原子排列規(guī)律的基本幾何單元稱為晶格中能代表原子排列規(guī)律的基本幾何單元稱為晶胞晶胞。常見的金屬晶格類型：常見的金屬晶格類型：體心立方晶格體心立方晶格、面心立方晶格面心立方晶格、密密排六方晶格排六方晶格。34 晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和立方體中心晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和立方體中心各有一個(gè)原子。各有一個(gè)原子。2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu)體心立方晶格：體心立方晶格：5 晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面中心晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面中心各有一個(gè)原子。各有

3、一個(gè)原子。 2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu)面心立方晶格面心立方晶格 ：6 晶胞是一個(gè)正六棱柱體，在柱體的各個(gè)角和上下底面晶胞是一個(gè)正六棱柱體，在柱體的各個(gè)角和上下底面中央各有一個(gè)原子，在頂面和底面的中間還有三個(gè)原子。中央各有一個(gè)原子，在頂面和底面的中間還有三個(gè)原子。 2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu)密排六方晶格：密排六方晶格：7 1）多晶體結(jié)構(gòu)）多晶體結(jié)構(gòu) 2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu)3、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶體稱為的晶體稱為單晶體單晶體。 由許多小晶體組成的晶體稱為多晶體，這些小晶由許多小晶體組成的晶

4、體稱為多晶體，這些小晶體稱為體稱為晶粒晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界晶界。 雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但不同方向的金屬雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但不同方向的金屬性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶體材料性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶體材料表現(xiàn)為各向同性。表現(xiàn)為各向同性。 8 2）晶體缺陷）晶體缺陷 2.1.1 純金屬的結(jié)構(gòu) 晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域，稱為晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域，稱為晶晶體缺陷體缺陷。晶體缺陷按其幾何特征分為晶體缺陷按其幾何特征分為 晶體缺陷產(chǎn)生晶格畸變，會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度晶體缺陷產(chǎn)生晶格畸變，會(huì)使金屬的強(qiáng)度

5、和硬度有所提高。有所提高。 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷9單晶體晶格位單晶體晶格位 多晶體晶格位向示意圖多晶體晶格位向示意圖 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷-空位示意圖空位示意圖 面缺陷面缺陷-晶界示意圖晶界示意圖 線缺陷線缺陷-刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)10 1、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象 2.1.2 純金屬的結(jié)晶 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶是在固定的溫度下進(jìn)行的。純金屬的結(jié)晶是在固定的溫度下進(jìn)行的。右圖為純金屬的冷卻右圖為純金屬的冷卻曲線。（熱分析法）曲線。（熱分析法）理論結(jié)晶溫度：理論結(jié)晶溫度：t0實(shí)際結(jié)晶溫度：實(shí)際

6、結(jié)晶溫度：t1過冷度：過冷度：tt0t1。過冷是金屬結(jié)晶的必過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。要條件。 金屬從一種原子排列狀態(tài)過度到另一種原子排列狀態(tài)的金屬從一種原子排列狀態(tài)過度到另一種原子排列狀態(tài)的轉(zhuǎn)變都屬于結(jié)晶過程。轉(zhuǎn)變都屬于結(jié)晶過程。11 2、純金屬的結(jié)晶過程、純金屬的結(jié)晶過程 2.1.2 純金屬的結(jié)晶 純金屬的結(jié)晶過程是一個(gè)不斷形成晶核和晶核純金屬的結(jié)晶過程是一個(gè)不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程。不斷長大的過程。 金屬結(jié)晶過程示意圖金屬結(jié)晶過程示意圖 123、金屬晶粒大小及細(xì)化方法、金屬晶粒大小及細(xì)化方法 結(jié)晶后，得到多晶體金屬。一般，晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度、硬結(jié)晶后，得到多晶體金屬。一般，晶粒越細(xì)

7、小，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性也越好。度越高，塑性、韌性也越好。 工業(yè)生產(chǎn)中常采用以下方法來細(xì)化晶粒，從而工業(yè)生產(chǎn)中常采用以下方法來細(xì)化晶粒，從而提高金屬的力學(xué)性能：提高金屬的力學(xué)性能： 1）增加過冷度）增加過冷度 2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理 3）附加振動(dòng)）附加振動(dòng)13 4、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變（二次結(jié)晶）、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變（二次結(jié)晶） 2.1.2 純金屬的結(jié)晶 在固態(tài)下，隨溫度的變化，其晶格類型會(huì)發(fā)生在固態(tài)下，隨溫度的變化，其晶格類型會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。純鐵的轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變可用下式表示：同素異晶轉(zhuǎn)變可用下式表示： 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)

8、變是通過原子的重新排列來金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重結(jié)晶過程。有一定的轉(zhuǎn)變完成的，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重結(jié)晶過程。有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時(shí)需要過冷；有潛熱釋放；轉(zhuǎn)變過程也溫度；轉(zhuǎn)變時(shí)需要過冷；有潛熱釋放；轉(zhuǎn)變過程也是通過形核和晶核長大來完成的。是通過形核和晶核長大來完成的。 1415 1、合金的基本概念、合金的基本概念2.1.3 合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1）合金）合金 合金就是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬合金就是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 2）組元）組元 組成合金獨(dú)立的、最基本

9、的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組成合金獨(dú)立的、最基本的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。合金的組元通常是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定化合物。合金的組元通常是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定化合物。 3）合金系）合金系 由二個(gè)或二個(gè)以上的組元按不同比例配制的一系由二個(gè)或二個(gè)以上的組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，稱為一個(gè)合金系，簡稱系。列不同成分的合金，稱為一個(gè)合金系，簡稱系。 162.1.3 合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶4）相）相 合金中凡是晶體結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與合金中凡是晶體結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。 5）組織）組織 組織是指用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有組織是指用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。其實(shí)質(zhì)是不同相的組某種形態(tài)特征的合金組成物。其實(shí)質(zhì)是不同相的組合。它直接決定合金的性能。合。它直接決定合金的性能。 17 2、合金的結(jié)構(gòu)、合金的結(jié)構(gòu) 2.1.3 合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶根據(jù)合根據(jù)合金中各金中各組元之組元之間的相間的相互作用互作用不同，不同，可分為可分為 1）固溶體）固溶體 2）金