工程材料及成形工藝基礎(chǔ)-金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過程

第二講：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過程本講知識要點：

1、晶體結(jié)構(gòu)：晶體、晶格、晶胞、晶格常數(shù)

2、金屬結(jié)晶過程：過冷、過冷度、形核、長大、單晶體、多晶體、晶粒度、重結(jié)晶、二次結(jié)晶、合金、合金基本組成物一、晶體結(jié)構(gòu)(CrystalStructure)1、晶體：①原子按一定順序呈有規(guī)則的排列。②具一定的凝固點和熔點。③各向異性。

2、晶格：(Spacelattice)

表示原子排列規(guī)則的空間格子。

3、晶胞：(unitcell)

組成晶格的最基本幾何單元。

4、晶格常數(shù)：(constant)晶胞各邊長度。

特點：晶體——①排列規(guī)律；有固定熔點；

②具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石和金屬等。

非晶體——①無序；無熔點；②各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。晶體與非晶體區(qū)別：金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶格及晶包

金屬晶體

（純鐵、銅和鋁等）金屬常見晶格類型：1.

體心立方晶格

body—centeredcubiclattice特點：

b

較好。2.

面心立方晶格

face—centeredcubiclattice特點：

較好。3.密排六方晶格

hexagonalclosepackedlattice特點：硬度高、脆性大。abCa=b＜c4.晶格致密度——原子排列緊密程度：體心=0.68面心=0.74六方=0.74abc簡單立方晶胞示意圖原子5.晶格常數(shù)——a,b,ca=b=c且互垂直表示晶胞幾何形狀大小晶體原子排列晶面結(jié)點

小結(jié)：金屬三種晶格：1、體心立方：（BodyCentredCubic）

鉻、鉬、α-Fe和鎢等金屬。2、面心立方：（Face）

銅、鋁、銀、γ-Fe和金等金屬。3、密排六方：（HexagonalClosePacked）

鈹、鎂、鋅、α-鈦等。注：晶格類型及晶格常數(shù)不同，性能就不一樣。二、金屬結(jié)晶過程(SolidifyingProcess)（錄像）1、結(jié)晶：金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。1）過冷：金屬在理論結(jié)晶溫度以下結(jié)晶。過冷度：△T=T理論結(jié)晶－T實際結(jié)晶注意：△T不是恒定，

V冷越快，△T越大。純金屬結(jié)晶：

2）純金屬在恒溫下結(jié)晶，冷卻曲線出現(xiàn)水平線段。2、結(jié)晶有形核和長大過程（NucleationandGrainGrowth)（1）形核：

自發(fā)晶核：原子自發(fā)聚集在一起。非自發(fā)晶核：依靠外來的固體質(zhì)點。（2）長大：按晶格規(guī)律液體原子向晶核聚集過程。

總之，金屬的結(jié)晶過程包括形核與長大；它們既是交替進行的，又是同時存在的。

金屬結(jié)晶：原子由不規(guī)則排列→有規(guī)則排列過程。形核＋長大→晶粒三、有關(guān)晶粒、晶粒度知識晶粒：由一個晶核長成的小顆粒晶體。多晶體：（multi-由許多晶粒組成的晶體。晶界：晶粒間界面。單晶體：

（single-由一個晶核長成的晶體。單晶鍺和硅。注意：工業(yè)上絕大多數(shù)金屬都屬于多晶體。晶粒度：晶粒的大小。金屬的晶粒越細(xì)小，其綜合性能越好。單晶體與多晶體：；金屬和合金：為多晶體。晶界：晶粒間的接觸面。

晶粒愈細(xì)，強度、硬度愈高，塑性和韌性愈好。細(xì)化晶粒方法：（1）凝固時采取變質(zhì)處理或孕育處理，（2）快速冷卻，提高過冷度；（3）用機械振動、超聲波振動或電磁攪拌等手段打碎枝晶成為晶核。（4）在固態(tài)下，可用熱處理和壓力加工的方法細(xì)化。如：鐵、錫和錳，還可在固態(tài)下加熱和冷卻來改善其性能。注意：鋼的熱處理原理來自鐵的同素異晶性四、金屬同素異晶轉(zhuǎn)變：

AllotropicTransformationofMetal1、概念：金屬晶格類型隨溫度改變而重新排列的過程。

2、與結(jié)晶類似：存在過冷、包括形核和長大兩個過程、轉(zhuǎn)變時有吸收或放出潛熱。所以又叫重結(jié)晶或二次結(jié)晶。3、同素異晶（構(gòu)）性：具有同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。

純鐵在固態(tài)下的不同溫度下呈現(xiàn)出不同晶格類型。

（液體）1538℃(體心)1394℃(面心)912℃(體心)1）體心立方晶格

α－Fe2）面心立方晶格

γ－Fe純鐵晶體狀態(tài)的兩種排列：小結(jié)：純鐵同素異晶轉(zhuǎn)變曲線：五、晶體的缺陷類型1、點缺陷：（間隙原子或空位）——在長、寬、高方向尺寸都很小的一種缺陷。性能變化：↗；↘。間隙原子晶格空位2、線缺陷：（位錯）晶格中呈線狀分布。

↗↗，

↘↘3、面缺陷：（晶界）呈面狀分布的缺陷。

↑↑，

↓↓線缺陷面缺陷六、合金結(jié)構(gòu)(StructureofAlloy)1、合金概念：以一種金屬元素為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬元素，經(jīng)熔合而形成具有金屬特性的物質(zhì)。（1）組元：組成合金的元素。（2）相：化學(xué)成分和晶格形式相同，并與其周邊成分或晶格形式有界面分開的均勻組織。2、合金基本組成物（constitute）（1）固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑，晶格類型等同溶劑。按溶解度：分有限和無限固溶體；按溶質(zhì)原子位置：分置換和間隙固溶體；固溶強化：因晶格畸變使金屬的強度和硬度提高。“固溶強化”溶入某種元素形成固溶體而使金屬強度、硬度升高。固溶強化：溶質(zhì)溶入溶劑，引起晶格畸變，使位錯運動受到阻，強度和硬度提高。固溶體的性能：1）溶質(zhì)含量極少時，性能與溶劑基本相同。2）溶質(zhì)含量升高，固溶體性能發(fā)生明顯改變：

強度、硬度逐漸升高；塑性、韌性有所下降；電阻率升高，導(dǎo)電性下降等。置換和間隙固溶體晶格畸變：（Fe3C）800HBW（用硬質(zhì)合金頭測定）硬而脆，但塑性、韌性低。如：滲碳體，其性能：（2）金屬化合物：

合金各組元間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成有金屬特征的新物質(zhì)。金屬化合物特點：熔點高、硬度高和脆性大。

非金屬化合物：不具有金屬特征的化合物。如，F(xiàn)eS（3）機械混合物：組元間既不互溶，又不形成化合物，而是按重量比混合形成新物質(zhì)。組成：純金屬、固溶體和金屬化合物等。注意：工業(yè)上常用合金均含機械混合物。白色F基體中嵌入黑片狀Fe3C力學(xué)性能：σb=750MPa；δ=20%－25%；αk=30-40

（J/cm2）。成分：C＝0.77%珠光體P

（F+Fe3C）顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀，表面有珍珠光澤，因此得名。上述為T8鋼的退火組織（白色為鐵素體、黑色為滲碳體）。萊氏體：（Ld，4.3%C）727℃以下為低溫Ld’（P+Fe3C）；

力學(xué)性能——硬而脆。共晶白口鑄鐵組織：珠光體呈橢圓狀分布在滲碳體上。含滲碳體較多，故性能與滲碳體相近。七、二元合金相圖

EquilibriumDiagramofBinaryAlloy

描述二元合金的結(jié)晶過程：用“二元相圖”解釋。二元相圖：研究二元合金成分、溫度和組織變化規(guī)律。

二元合金相圖的建立：用熱分析法繪制熱分析法Cu—Ni合金相圖：CuNi成分：Cu由100%→0%；0100溫度AB10831452℃L----liquidS---solidL+SWNi%→70%Cu+30%Ni合金1●●21點：結(jié)晶出固體S1—2間：兩相區(qū)L+S2點：全為固體SABCuNi●●12LS合金結(jié)晶特點：1、在一個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶；2、結(jié)晶的固相成分與液相不同（液相成分不斷改變）。L+St℃τO1●●2LL→S（L+S）S冷卻曲線AB上線——液相線；AB下線——固相線。Pb-Sb二元合金共晶相圖Pb-Sn二元合金共晶相圖Pb-Sn共晶合金Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金的顯微組織共晶組織形態(tài):

共晶組織形態(tài)：層片狀棒狀球狀針狀共晶組織形態(tài)針狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀專業(yè)詞匯：晶體結(jié)構(gòu)：CrystalStructure晶格:Spacelattice晶胞:UnitCell體心立方：BodyCentredCubic面心立方：FaceCentredCubic密排六方：HexagonalClosePacked金屬結(jié)晶過程：SolidifyingProcess形核和長大：NucleationandGrainGrowth純金屬冷卻曲線:CoolingCurve多晶體：Multi-Cryst