金屬材料與熱處理第二章

金屬材料與熱處理第二章第一節(jié)金屬的晶體結構a）天然水晶b）普通玻璃天然水晶和普通玻璃第2頁,共23頁，2024年2月25日，星期天自然界中物質的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。固態(tài)物質根據其結構的不同可分為晶體和非晶體。在物質內部，凡原子呈無序堆積狀況的，稱為非晶體，例如普通玻璃、松香、石蠟等均屬于非晶體；相反，凡原子呈有序、有規(guī)則排列的，稱為晶體，例如石英、食鹽等，金屬在固態(tài)下一般均屬于晶體一、晶體與非晶體第3頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二、金屬的晶體結構1.晶體結構的概念晶體內部原子是按一定幾何規(guī)律排列的，為了便于理解，可以把原子看成一個小球，則金屬晶體就是由這些小球按一定規(guī)律堆積而成的晶體內部原子排列模型第4頁,共23頁，2024年2月25日，星期天a）晶格

b）晶胞

晶格和晶胞示意圖為了更加直觀地表示晶體中原子的排列規(guī)律，再將原子簡化成一個質點，用假想的線將這些質點連接起來，就形成了具有一定規(guī)律性的空間架格，這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架，稱為晶格，如圖所示第5頁,共23頁，2024年2月25日，星期天晶格類型晶胞結構示意圖常見金屬體心立方晶格立方體的八個頂角和立方體的中心各有一個原子鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及α－鐵（α－Fe）等面心立方晶格立方體八個頂角和六個面的中心各有一個原子鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、金（Au）及γ－鐵（γ－Fe）等密排六方晶格正六棱柱體的十二個頂角和上下兩底面中心各有一個原子，柱體中間還有三個原子鎂（Mg）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鈹（Be）等2.金屬常見的晶格類型第6頁,共23頁，2024年2月25日，星期天三、單晶體與多晶體如果晶體內部原子的排列位向是完整一致的，這樣的的晶體稱為單晶體，如圖所示。

單晶體示意圖

第7頁,共23頁，2024年2月25日，星期天

多晶體示意圖絕大多數情況下，金屬晶體內部的原子排列并不是完整一致的，而是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成的，這樣的小晶體稱為晶粒，如圖所示。每個晶粒的方位各不相同，它們之間的交界面稱為晶界。象這樣由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。第8頁,共23頁，2024年2月25日，星期天四、金屬的晶體缺陷實際晶體中出現的各種不規(guī)則原子排列現象統(tǒng)稱為晶體缺陷，常見的晶體缺陷有以下幾種：1.點缺陷——空位、間隙原子和置代原子空位、間隙原子和置代原子示意圖

第9頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2.線缺陷——位錯晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律錯排的現象叫作位錯。在晶體中，位錯的晶格畸變發(fā)生在沿“半原子面”端面的狹長區(qū)域，故稱為線缺陷。形式比較簡單的一種叫作“刃型位錯”，如圖所示。a）立體圖b）平面圖刃型位錯示意圖第10頁,共23頁，2024年2月25日，星期天3.面缺陷——晶界和亞晶界實際生產中所使用的金屬材料幾乎都是多晶體，它們是由大量外形不規(guī)則的晶粒相互銜接組成的，晶粒與晶粒之間的分界面就稱為晶界。由于各晶粒彼此之間的位向不同，所以，晶界處的原子排列是不規(guī)則的，如圖所示。晶界過渡結構示意圖第11頁,共23頁，2024年2月25日，星期天試驗證明，即使在一顆晶粒內部，其晶格位向也并不象理想晶體那樣完全一致，而是分隔成許多尺寸更小、位向差別不大的小晶塊，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所形成的小晶界，如圖所示。亞晶界結構示意圖第12頁,共23頁，2024年2月25日，星期天1．金屬的晶格類型在生產中的應用金屬的晶格類型與其力學性能和生產應用具有直接關系。在金屬常見的三種晶格類型中，面心立方晶格金屬的塑性最好，體心立方晶格金屬次之，密排六方晶格金屬最差。塑性好的金屬能夠承受比較大的塑性變形，可以通過軋制、擠壓、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工方法獲得形狀相對復雜的產品。部分金屬的晶格類型隨溫度變化是可以改變的，可以利用這一現象合理安排壓力加工的工藝。

金屬的晶體特性在實際生產中的應用第13頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2．金屬的晶體缺陷在生產中的應用

金屬實際晶體中存在的所有結構缺陷，都會造成晶格畸變，引起塑性變形抗力的增大，從而使金屬的強度提高。在實際生產中，可以利用這一規(guī)律尋找強化金屬的手段。第14頁,共23頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)純金屬的結晶金屬材料在生產和加工中通常要經過液態(tài)和固態(tài)的過程。如在生產過程中首先通過冶煉得到液態(tài)金屬，再轉變成固體狀態(tài)。鋼就是將從鐵礦石中提煉出的液態(tài)生鐵，放到煉鋼爐內熔煉，再澆鑄成鋼錠或者鋼坯。金屬材料在加工過程中，也會遇到由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的情況，如鑄造加工就是將金屬加熱成液態(tài)后，再澆鑄成一定形狀的工件。金屬由原子不規(guī)則排列的液體轉變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程稱為結晶。第15頁,共23頁，2024年2月25日，星期天

轉爐煉鋼第16頁,共23頁，2024年2月25日，星期天澆鑄示意圖

b)鋼錠

鋼錠澆鑄示意圖第17頁,共23頁，2024年2月25日，星期天一、純金屬的結晶過程1．純金屬的冷卻曲線及過冷度純金屬的結晶過程可以通過熱分析法進行研究，右圖為熱分析裝置示意圖。1－電爐

2－坩堝

3－金屬液

4－熱電偶

熱分析法裝置示意圖第18頁,共23頁，2024年2月25日，星期天

純金屬的冷卻曲線將純金屬加熱熔化成液體，然后緩慢地冷卻下來，在冷卻過程中，每隔一定時間測量一次溫度，將記錄下來的數據描繪在溫度－時間坐標圖中，便獲得了純金屬的冷卻曲線，如右圖所示第19頁,共23頁，2024年2月25日，星期天a)理論結晶

b)實際結晶

純金屬結晶時的冷卻曲線金屬的實際結晶溫度T1總是低于理論結晶溫度T0，這種現象稱為過冷現象過冷現象理論結晶溫度T0和實際結晶溫度T1之差稱為過冷度（△T＝T0－T1）過冷度第20頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2．純金屬的結晶過程

純金屬結晶過程示意圖結晶過程是晶核的形成與長大的過程第21頁,共23頁，2024年2月25日，星期天

純金屬顯微組織圖結晶完成后形成的晶粒與晶界如下圖所示第22頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二、金屬結晶后的晶粒大小及對力學性能的影響晶粒大小對力學性能的影響晶粒平均直徑（μm）Rm（MPa）ReL（MPa）A（%）