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1、第二节纯金属与合金的晶体结构与结晶第1页，共30页，编辑于2022年，星期二一、一、纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构1、晶体与非晶体：固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。晶体的原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。简单总结：简单总结：原子作有序排列原子作有序排列原子作有序排列原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。；有固定的熔点；各向异性。；有固定的熔点；各向异性。；有固定的熔点；各向异性。原子作无序排列原子作无序排列原子
2、作无序排列原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。；没有固定的熔点；各向同性。；没有固定的熔点；各向同性。；没有固定的熔点；各向同性。晶体：晶体：非晶体：非晶体：固态的金属和合金都是晶体。固态的金属和合金都是晶体。第2页，共30页，编辑于2022年，星期二晶格晶格原子排列形成的空间格子原子排列形成的空间格子晶胞晶胞组成晶格最基本的单元组成晶格最基本的单元晶格常数：晶格常数：晶格常数：晶格常数：a a a a、b b b b、c c c c单位：埃单位：埃单位：埃单位：埃晶体晶体晶体晶体晶格晶格晶格晶格晶胞晶胞晶胞晶胞2、晶体结构的基础知识1）晶格：把每个原子看成一个点（结点），把这些点用直线
3、连接起来，所形成一个空间格子。2）晶胞：能代表整个晶格中原子排列规律的最小单元。3）晶格常数：晶胞中各棱边的长度(及夹角)。简单立方晶格与晶胞示意图：第3页，共30页，编辑于2022年，星期二(a)晶体中原子排列 (b)晶格 (c)晶胞简单立方晶格与晶胞示意图原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示。原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示。第4页，共30页，编辑于2022年，星期二 4）晶面：晶面：通过原子中心的平面通过原子中心的平面第5页，共30页，编辑于2022年，星期二5）晶向：）晶向：通过原子中心的直线所指的方向通过原子中心的直线所指的方向第6页，共30页，编辑于2022年，
4、星期二3、常见的金属晶格类型1）体心立方晶格）体心立方晶格:a=b=c，=90 常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等体心立方晶胞 模型；晶胞；晶胞原子数第7页，共30页，编辑于2022年，星期二2）面心立方晶格）面心立方晶格:常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等面心立方晶胞 模型；晶胞；晶胞原子数第8页，共30页，编辑于2022年，星期二3）密排六方晶格）密排六方晶格:常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等密排六方晶胞 模型；晶胞；晶胞原子数第9页，共30页，编辑于2022年，星期二4 4、金属的实际晶体结构、金属的实际晶体结构1 1）晶体缺
5、陷：）晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。（1）点缺陷 晶体中的点缺陷 空位；间隙原子；置换原子第10页，共30页，编辑于2022年，星期二 点缺陷示意图点缺陷示意图第11页，共30页，编辑于2022年，星期二（2）线缺陷：在晶体中，有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，即位错。金属的位错密度为1041012/cm2 晶体中位错示意图第12页，共30页，编辑于2022年，星期二透射电镜观察钛合金中的位错线透射电镜观察钛合金中的位错线高分辨率电镜观察刃位错（白高分辨率电镜观察刃位错（白高分辨率电镜观察刃位错（白高分辨率电镜观察刃位错（白点为原子）点为原
6、子）点为原子）点为原子）第13页，共30页，编辑于2022年，星期二（3）面缺陷：表面、界面）面缺陷：表面、界面晶界是不同位向晶粒的过度部位，晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为宽度为510个原子间距。个原子间距。晶界的过渡层结构示意图面缺陷示意图第14页，共30页，编辑于2022年，星期二面缺陷:孪晶（双晶）第15页，共30页，编辑于2022年，星期二2 2）多晶体结构）多晶体结构单晶体-晶体内部的晶格方位完全一致。晶粒外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体。晶界晶粒之间的界面。多晶体许多晶粒组成的晶体结构。工业上使用的金属都是：由许多小晶体（晶粒）组成的多晶体。多晶体的晶粒和晶界示意图第16
7、页，共30页，编辑于2022年，星期二二、二、金属的结晶过程和同素异构转变金属的结晶过程和同素异构转变1 1 纯金属的结晶：纯金属的结晶：1）结晶的概念：液态金属转变为固态晶体的过程。2）纯金属的冷却曲线To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)第17页，共30页，编辑于2022年，星期二过冷现象过冷现象 过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。过冷度过冷度 T=TT=T0 0 T T1 12 2、纯金属的结晶过程：、纯金属的结晶过程：纯金属结晶过程示意图液态金属温度降至熔点附近自发形核核心长大液态金属消失。基本过程
8、：形核，长大，即晶核的生成和晶核的长大。第18页，共30页，编辑于2022年，星期二3 3、金属结晶后晶粒的大小对金属力学性能的影响、金属结晶后晶粒的大小对金属力学性能的影响 一般来说，晶粒愈细，晶界愈多，晶格排列方向犬牙交错，相互咬合，增强金属结合力，因此金属的强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。细化晶粒的途径1）增加过冷度：冷却速度愈大，过冷度愈大，形核数量愈多，晶粒愈细。2）变质处理：在实际生产中，通过向金属液中加入某些物质（称为变质剂），在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。3）振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁
9、振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。第19页，共30页，编辑于2022年，星期二4 4、金属的同素异构转变、金属的同素异构转变 一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性，如Fe,Co,Ti等。固态金属随温度不同而改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。4）热处理：5）压力加工：第20页，共30页，编辑于2022年，星期二因为钢铁发生同素异构转变,因而可以对钢铁进行热处理.铁的同素异构转变第21页，共30页，编辑于2022年，星期二三、三、合金的晶体（相）结构合金的晶体（相）结构1 1 合金的基本概念合金的基本概念1）合金：由两种或两种以上的金属元素
10、或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。2）组元：指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。如化学元素、金属化合物。3）合金系：指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4）相：在金属或合金中，具有相同成分且晶格结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。相与相之间有明显的界面。合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物等。2 2 合金组织合金组织1）固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的晶体。第22页，共30页，编辑于2022年，星期二（1）置换固溶体：溶质原子替代溶剂原子的某些位置，所 形成的固溶体。*溶质原子与溶剂原子直径相差不大时，才能置换，可形成无限固溶体：（2
11、）间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中形成固溶体。溶质原子小，与溶剂原子直径比为 0.59。溶解度有限。固溶体的两种类型(a)置换固溶体 (b)间隙固溶体第23页，共30页，编辑于2022年，星期二（3）固溶体的力学性能 不论形成置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子和溶剂原子大小不一，化学性质也不尽相同，都造成固溶体的晶格畸变，导致固溶体的强度和硬度升高，即发生固溶强化。固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图 （a）正畸变 （b）负畸变(a)(b)第24页，共30页，编辑于2022年，星期二2）金属化合物：合金各组成元素之间相互作用，并按一定的整数比化合而成的一种新的具有金属性质的物质，可
12、用分子式表示。如Fe3C、WC等。特点：（1）其晶格类型和性能不同于任一组元；（2）一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；（3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。3）机械混合物：各组元既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比以混合方式存在。机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。第25页，共30页，编辑于2022年，星期二 性能特点：介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综合力学性能。P：b=750MPa;=25%;HB=180-200Fe3C：b=30MPa；0%；HB=800F：b=250MPa;=45-50%;HB=
13、80如：P-Fe+Fe3C如，固溶体+金属化合物、固溶体+固溶体，其综合性能好。第26页，共30页，编辑于2022年，星期二四、二元合金相图1、二元合金相图的概念：相图：合金系中不同合金相的平衡条件和相与相合金系中不同合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明图解。又称平衡图或状态图。之间关系的一种简明图解。又称平衡图或状态图。相图用温度成分的平面坐标系来表示。相图用温度成分的平面坐标系来表示。第27页，共30页，编辑于2022年，星期二2、二元合金相图的建立 相图的建立：配置成分不同的合金；作每个合金的冷却曲线找出临界点；将临界点标在温度成分坐标上；并将相同意义的点连接起来。用热分析法测定Pb-Sb合金相图第28页，共30页，编辑于2022年，星期二不同成分的Pb-Sb合金3、二元合金相图的分析1)相图分析：点、线、区意义L（252）Pb+Sb 在一定的温度下，由一种液相中同时析出两种成分和结构都不同的固相的过程，叫共晶转变。第29页，共30页，编辑于2022年，星期二2）合金的结晶过程共晶合金的结晶示意图第30页，共30页，编辑于2022年，星期二