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1、机械工工程材料料授课课讲义绪 论论一. 本本课程的的性质机械工工程材料料课程程是机械械设计制制造及自自动化专专业的一一门必修修课，是是一门重重要的技技术基础础课。计计划讲课课：266学时，实实验：66学时，学学分：22个。大家知道道不管是是服装设设计师，还还是家用用电器设设计师，以以及各种种机械设设备、汽汽车、船船舶、飞飞机和军军用装备备设计师师，在他他们精心心设计出出自己的的作品后后，都需需要选用用恰当的的材料来来制造，从从而保证证制成的的产品具具有最佳佳形貌和和性能。如如果选材材不当，将将会使所所设计制制造出产产品，不不能发挥挥出最佳佳性能，并并可能导导致其使使用寿命命大大降降低；或或因选
2、材材不当，导导致成本本太高，失失去其应应有的市市场竞争争力。所所以，从从事机械械设计与与制造的的各类工工程技术术人员，都都必须对对其经常常使用的的各类材材料有一一定的了了解。工程材料料：主要要是指机机械、船船舶、建建筑、化化工、交交通运输输、航空空航天等等各项工工程中经经常使用用的各类类材料。工程材料料主要包包括金属属材料和和非金属属材料两两大类，金金属材料料又可分分为黑色色金属材材料和有有色金属属材料两两类，黑黑色金属属材料主主要指各各类钢和和铸铁，有有色金属属材料主主要指铝铝及铝合合金、铜铜及铜合合金以及及滑动轴轴承合金金等；非非金属材材料包括括高分子子材料、陶陶瓷材料料和复合合材料等等。
3、当今社会会科学技技术突飞飞猛进，新新材料层层出不穷穷，而且且使用量量也不断断增加，但但到目前前为止，在在机械工工业中使使用最多多的材料料仍然是是金属材材料。金金属材料料长期以以来得到到如此广广泛应用用，其主主要原因因是，因因为它具具优良的的使用性性能和加加工工艺艺性能。金属材料料的使用用性能：机械性性能（如如强度、硬硬度、塑塑性、韧韧性等），物物理性能能（如导导电、导导热、电电磁、膨膨胀等），化化学性能能（如抗抗氧化性性、耐腐腐蚀性等等）。金属材料料的加工工工艺性性能：铸铸造性能能（如流流动性、收收缩性等等），锻锻造性能能（如压压力加工工成型性性等），切切削加工工性能（如如车、铣铣、刨、磨磨的
4、切削削量，光光洁度等等），焊焊接性能能（如熔熔焊性、焊焊缝强度度、偏析析等），热热处理性性能（如如淬透性性、回火火稳定性性等）。由于不同同的材料料具有不不同的性性能，因因此它们们的应用用场合也也就不同同。如在在航天工工业中铝铝及铝合合金得到到了广泛泛应用，是是因为铝铝合金具具有重量量轻强度度高的特特性。而而在电子子工业中中银、铜铜、铝得得到了广广泛的应应用,是是因为它它们具有有优良的的导电性性。在机机械工业业中，由由于机械械产品在在使用过过程中，主主要承受受各种力力的作用用。因此此，主要要要求所所使用的的金属材材料具有有良好的的机械性性能，而而碳钢和和合金钢钢具备上上述性能能要求，所所以得到到
5、了广泛泛应用。金属材料料具有良良好的机机械性能能，是由由它的成成分和内内部结构构与组织织所决定定的。金属材料料的结构构：是其其晶体结结构的简简称，它它指的是是构成金金属材料料的质点点（如分分子、原原子或离离子等）的的具体组组合状态态、结合合方式和和排列情情况。金属材料料的组织织：是指指用显微微镜所观观察到的的金属材材料内部部的组成成形貌，故故也称为为显微组组织。由于每一一个机械械工程技技术人员员，在设设计和制制造机械械产品过过程中，都都要与工工程材料料打交道道，特别别是要与与各种金金属材料料打交道道；要想想合理的的选择和和使用金金属材料料，就必必须搞清清楚金属属材料的的成分、结结构、组组织与性
6、性能之间间的关系系及其变变化规律律，也就就是应该该努力学学好本课课程。工工程材料料课程程就是为为了使非非材料专专业工程程技术人人员，对对各类工工程材料料有所了了解而开开设的，目目的就是是为了使使他们具具备一定定的正确确选择和和合理使使用材料料的基础础。二. 课课程的主主要内容容本课程共共设122章，可可分为五五个部分分：1. 金金属学部部分：是本书的的144章为金金属学基基础知识识，主要要介绍金金属材料料的基本本现象、基基本概念念和材料料的组织织与性能能的变化化基本规规律，它它是合理理选择、正正确使用用、以及及强化金金属材料料的理论论基础。它它主要包包括金属属材料的的结构、结结晶过程程、塑性性
7、变形、回回复与再再结晶，以以及二元元合金相相图、铁铁碳合金金相图等等；这一一部分是是随后两两部分的的直接基基础。2. 热热处理部部分：是本书的的第5章章，主要要包括钢钢的热处处理原理理与工艺艺两方面面，本章章着重阐阐述钢在在不同工工艺条件件下的组组织转变变规律，并并在此基基础上，介介绍改善善与强化化钢的组组织与性性能的常常用热处处理工艺艺，为合合理使用用热处理理做准备备。3. 金金属材料料部分：是本书的的688章，这这部分主主要结合合金属学学与热处处理基本本知识，较较全面地地介绍常常用金属属材料的的牌号、成成分、组组织与性性能特点点及用途途，为正正确选用用金属材材料打基基础。它它主要包包括合金
8、金钢、铸铸铁、有有色金属属及合金金等。以上三部部分是本本课程的的重点，其其中58章更更是全书书重点。4. 非非金属材材料部分分：是本书的的9111章，这这部分主主要包括括高分子子材料、陶陶瓷材料料和复合合材料，由由于讲课课学时少少，只能能简单介介绍上述述几类材材料的结结构、组组织与性性能特点点，为初初步了解解有关非非金属材材料的基基础知识识，打一一点基础础。5. 材材料的机机械性能能及机械械零件的的失效与与选材分分析部分分：是本书的的第122章，主主要介绍绍材料的的常用机机械性能能指标，和和机械零零件的失失效形式式、原因因与分析析方法，以以及选材材的原则则和典型型零件的的选材与与工艺分分析。本
9、教材按按编者安安排全书书讲课共共需366学时，实实验4学学时。这这与我校校实际教教学计划划相差较较大，故故在教学学过程中中只能对对各章节节进行适适当删减减和压缩缩。为了了尽量保保证课程程体系的的完整性性，我们们重点介介绍18章内内容，99122章内容容根据教教学进度度与时间间，只作作简单介介绍。三. 学学习目的的与要求求1. 了了解和掌掌握所学学工程材材料方面面的基本本理论和和基本知知识。2. 了了解和掌掌握各类类工程材材料的牌牌号、成成分，组组织与性性能之间间的相互互关系及及其变化化规律。3. 能能正确选选择常用用工程材材料，合合理制订订其生产产工艺流流程。第一章 金属的的结构和和结晶1.1
10、1 几几个基本本概念和和金属的的特征一. 金金属材料料金属材料料是指金金属元素素与金属属元素，或或金属元元素与少少量非金金属元素素所构成成的，具具有一般般金属特特性的材材料，统统称为金金属材料料。金属材料料按其所所含元素素数目的的不同，可可分为纯纯金属（由由一个元元素构成成）和合合金（由由两个或或两个以以上元素素构成）。合合金按其其所含元元素数目目的不同同，又可可分为二二元合金金、三元元合金和和多元合合金。大大家知道道物质按按其形态态不同，可可分为固固体、液液体和气气体。而而固体又又可分晶晶体和非非晶体。二. 晶晶体组成固态态物质的的最基本本的质点点（如原原子、分分子或离离子）在在三维空空间中
11、，作作有规则则的周期期性重复复排列，即即以长程程有序方方式排列列。这样样的物质质称为晶晶体。如如：金属属，天然然金刚石石，结晶晶盐，水水晶，冰冰等三. 非非晶体：组成固态态物质的的最基本本的质点点，在三三维空间间中无规规则堆砌砌。这样样的物质质称为非非晶体。如如：玻璃璃，松香香等。晶体通常常又可分分为金属属晶体和和非金属属晶体，纯纯金属及及合金都都属于金金属晶体体，其原原子间主主要以金金属键结结合，而而非金属属晶体主主要以离离子键和和共价键键结合。如如：食盐盐NaCCl（离离子键），金金刚石（共共价键）都都是非金金属晶体体。四. 金金属键金属键是是金属原原子之间间的结合合键，它它是大量量金属原
12、原子结合合成固体体时，彼彼此失去去最外层层子电子子（过渡渡族元素素也失去去少数次次外层电电子），成成为正离离子，而而失去的的外层电电子穿梭梭于正离离子之间间，成为为公有化化的自由由电子云云或电子子气，而而金属正正离子与与自由电电子云之之间的强强烈静电电吸引力力（库仓仓引力），这这种结合合方式称称为金属属键，见见P2页图11-1。五. 金金属特征征金属材料料主要以以金属键键方式结结合，从从而使金金属材料料具有以以下特征征：1. 良良好的导导电、导导热性：自由电子子定向运运动（在在电场作作用下）导导电、（在在热场作作用下）导导热。2. 正正的电阻阻温度系系数：即随温度度升高，电电阻增大大，因为为金
13、属正正离子随随温度的的升高，振振幅增大大，阻碍碍自由电电子的定定向运动动，从而而使电阻阻升高。3. 不不透明，有有光泽：自由电子子容易吸吸收可见见光，使使金属不不透明。自自由电子子吸收可可见光后后由低能能轨道跳跳到高能能轨道，当当其从高高能轨道道跳回低低能轨道道时，将将吸收的的可见光光能量辐辐射出来来，产生生金属光光泽。4. 具具有延展展性：金属键没没有方向向性和饱饱和性，所所以当金金属的两两部分发发生相对对位移时时，其结结合键不不会被破破坏，从从而具有有延展性性。1.22 晶晶体结构构不管是金金属晶体体还是非非金属晶晶体，其其晶体结结构如何何，与组组成晶体体的物质质质点（可可以是原原子、分分
14、子或离离子，也也可以是是原子群群，分子子群或离离子群的的中心）的的具体排排列方式式和规律律有关。科科技工作作者一般般是用晶晶体结构构模型进进行描述述。一. 晶晶体结构构模型按晶体结结构模型型提出的的先后，可可将晶体体结构模模型分为为球体模模型、晶晶格模型型和晶胞胞模型。1. 晶晶体的球球体模型型就是把组组成晶体体的物质质质点，看看作为静静止的刚刚性小球球，他们们在三维维空间周周期性规规则堆垛垛而成，见见P3页页图1.3（aa）。该该模型虽虽然很直直观，立立体感强强，但不不利于观观察晶体体内部质质点的排排列方式式。针对对这一缺缺陷科技技工作者者进一步步提出了了晶体的的晶格模模型。2. 晶晶体的晶
15、晶格模型型1) 空空间点阵阵将组成晶晶体的物物质质点点，进一一步抽象象为几何何点，这这些几何何点在三三维空间间周期性性、规则则地排列列成的阵阵列，称称为空间间点阵或或布喇菲菲点阵；而这些些几何点点称为阵阵点或结结点。2)晶体体的晶格格模型用假想的的平行直直线将阵阵点联结结起来，就就构成了了晶体的的晶格模模型，也也称空间间格子，简简称晶格格。见PP3页图图1.33（b）。显显然用抽抽象了的的晶格模模型来研研究晶体体结构就就方便多多了。3) 晶晶体的晶晶胞模型型简称为晶晶胞。由由于晶体体的特点点是，原原子在三三维空间间有规则则的周期期性重复复排列。因因此，可可以从晶晶格模型型中取出出一个具具有代表
16、表性的最最基本的的结构单单元，来来研究晶晶体结构构的特征征。这个个能够反反映晶格格结构的的最基本本的结构构单元就就称为晶晶胞。见见P3页页图1.3（cc）。由于晶胞胞中原子子的排列列规律，能能够完全全代表晶晶格中原原子的排排列规律律，所以以晶胞在在三维空空间的重重复堆砌砌便构成成了晶格格。因此此可以说说，晶胞胞就是构构成晶格格的细胞胞。利用用晶胞来来反映晶晶体中原原子的排排列方式式和特征征，将更更为方便便。所以以在研究究晶体结结构时，都都是取它它的晶胞胞进行研研究。 反映晶胞胞的参数数：由于于不同的的晶体其其晶格结结构不同同，故取取出的晶晶胞也不不相同。为为了反映映各晶胞胞的特征征，通常常以晶
17、胞胞的某一一顶角为为坐标原原点，以以x、yy、z为为晶轴，见见图1.3 (c).用晶格格常数（点点阵常数数）和晶晶轴夹角角来反映映晶胞的的特征。a. 晶晶格常数数：为晶晶胞各棱棱边长度度，用aa、b、cc表示，称称为点阵阵常数，单单位用nnm或埃埃1=100 8cm （11nm=10-9m）b.晶轴轴夹角：为晶胞胞各棱边边间夹角角，用、表示。当当某一晶晶胞的晶晶格常数数a=bb=c，=900时，该晶胞称为立方晶胞。4)晶系系与空间间点阵a. 晶晶系：是是晶体分分类的一一种方式式，具有有相同晶晶胞特征征参数的的晶体属属于同一一晶系。根根据晶胞胞特征参参数的不不同，晶晶体可分分为七大大晶系： 见P
18、P4页表表1.11，即三三斜、单单斜、正正交、正正方、六六方、菱菱方、立立方晶系系。b. 晶晶系与空空间点阵阵：根据据每个阵阵点具有有相同的的周围环环境（距距离、位位向），法法国晶体体学家布布喇菲用用数学方方法首先先证明，空空间点阵阵只能有有14种种，它分分属上述述七个晶晶系，见见P4页页图1.4或表表1.11。其中中有7种种为简单单晶胞，77种为复复杂晶胞胞或复合合晶胞。简简单晶胞胞只在其其平行六六面体的的八个顶顶角上有有阵点，属属于该晶晶胞的阵阵点数为为1。因因为晶胞胞顶角上上的每一一个阵点点属于八八个相邻邻晶胞所所共有（即即8x11/8=1）。而而复合晶晶胞除在在八个顶顶角上有有阵点外外
19、，还在在其体心心、面心心（每个个面的中中心），或或底心（上上下底面面的中心心）有阵阵点，所所以这种种晶胞的的阵点数数2。由于空间间点阵上上的阵点点，可以以代表各各种不同同物质的的原子、分分子或离离子，以以及原子子群、分分子群或或离子群群；所以以同一种种空间点点阵，可可以有无无限种实实际晶体体结构。见见P5页页图1.5（aa），(bb)，(c)三三种不同同的晶体体结构都都属于（dd）这种空空间点阵阵。因此此可以说说空间点点阵是有有限的（只只能有114种），而而晶体结结构是无无限的可可以有很很多种。二. 纯纯金属的的三种典典型晶体体结构由元素周周期表可可知金属属的种类类很多，而而且它们们的晶体体结
20、构并并不完全全相同。工工业上常常用的金金属绝大大多数具具有比较较简单的的晶体结结构，其其中最典典型的为为体心立立方结构构（bccc）、面心心立方结结构（ffcc）和密排排六方结结构（hhcp），见PP5页图图1.66。1. 三三种典型型晶体结结构的形形貌图1.66中（aa）为体心心立方结结构，即即在立方方晶胞的的八个顶顶角上各各有一个个原子，在在体中心心有一个个原子，每每个原子子与空间间点阵中中的一个个阵点相相对应。属属于这种种晶体结结构的纯纯金属有有-Fee,Crr,Moo,W,V等。图1.66中（bb）为面心心立方结结构，即即在立方方晶胞的的八个顶顶角上各各有一个个原子，每每个面的的中心各
21、各有一个个原子，属属于这种种晶体结结构的纯纯金属有有Al，CCu，AAu，AAg，NNi，PPb，-Fee等。图1.66中（cc）为密排排六方结结构，它它是在六六棱柱体体晶胞的的十二个个顶角上上各有一一个原子子，上下下顶面中中心各有有一个原原子，在在六棱柱柱中三个个相间的的三棱柱柱中心各各有一个个原子，属属于这种种晶体结结构的纯纯金属有有Mg,Zn,Cd等等。2. 描描述金属属晶体结结构的一一些重要要参数由于在金金属晶体体中，一一个原子子与空间间点阵中中的一个个阵点相相对应，所所以我们们可以用用刚性球球体模型型，计算算出其晶晶体结构构中的下下列重要要参数。1) 单单位晶胞胞原子数数：即一一个晶
22、胞胞所含的的原子数数目。2) 原原子半径径：是利利用晶格格常数，算算出晶胞胞中两相相切原子子间距离离的一半半。3) 配配位数：是晶体体结构中中任何一一原子周周围最近近邻且等等距离的的原子数数目，配配位数越越大，原原子排列列的越紧紧密。4) 致致密度：是单位位晶胞中中原子所所占体积积与晶胞胞体积之之比，其其表达式式为 KK=nvv/V；K致密度度；n单位晶晶胞原子子数，vv每个原原子的体体积，VV晶胞体体积，致致密度越越大，原原子排列列越紧密密。5) 间间隙半径径： 指指晶格空空隙中能能容纳的的最大球球体半径径。因为为相同尺尺寸的原原子，既既使按最最紧密方方式排也也会存在在空隙。三种典型型晶体结
23、结构的重重要参数数小结晶格类型型 单单位晶胞胞原子数数 原子半半径 配配位数 致致密度 间间隙半径径 体心立方方 2 3/4a 8 0.668 0.229面心立方方 4 2/4a 12 0.774 0.441密排六方方 6 11/2aa 122 0.74 0.41三. 金金属晶体体中晶面面和晶向向的表示示晶面 是是金属晶晶体中原原子在任任何方位位所组成成的平面面。晶向 是是金属晶晶体中原原子在任任何方向向所组成成的直线线。晶面指数数 表示示晶面在在晶体中中方位的的符号。晶向指数数 表示示晶向在在晶体中中方向的的符号。1. 晶晶面指数数的确定定1) 立立坐标,找出所所求晶面面的截距距;(坐坐标原
24、点点不可设设在所求求晶面上上)所求求晶面与与坐标轴轴平行时时,截距距为；2) 取取晶面与与三个坐坐标轴截截距的倒倒数；3) 将将所得倒倒数按比比例化为为最小整整数，放放入圆括括号内，即即得所求求晶面的的晶面指指数，一一般用（hhkl）表表示。以P7页页图1.9和立立方晶系系为例，画画图说明明晶面指指数的具具体确定定方法。对对于立方方晶系由由于其对对称性高高，所以以可将其其原子排排列情况况相同，而而空间位位向不同同的晶面面归为同同一个晶晶面族，用用hkkl表表示。如如（1000），（0010），（0001）就就属于1000晶面面族。而而（1110），（1101），（0011），（10），（01）
25、，（01）就属于110晶面族。（111），（11），（11），（11）就属于111晶面族。对于非立方晶系由于其对称性较差，所以其晶面指数数字相同，而排列次序不同的晶面不属于同一个晶面族。如在正交晶系中（100），（010），（001）晶面就不属于同一个晶面族100，因为其晶格常数abc。2. 晶晶向指数数的确定定1) 建建立坐标标,将所所求晶向向的一端端放在坐坐标原点点上(或或从坐标标原点引引一条平平行所求求晶向的的直线)；2) 求求出所求求晶向上上任意结结点的三三个坐标标值；3) 将将所得坐坐标值按按比例化化为最小小整数，放放入方括括号内，即即得所求求晶向的的晶向指指数一般般用uuvw表示。
26、以以P7页页图1.10为为例，画画图说明明晶向指指数的具具体确定定方法。对对于立方方晶系由由于其对对称性高高，也可可将其原原子排列列情况相相同，而而空间位位向不同同的晶向向归为同同一个晶晶向族，用用表表示，如如晶向1000，0100，0011属于于晶晶向族。在立方晶晶系中，当当晶面指指数与晶晶向指数数相同时时，即hh=u, k=v, l=ww时（hhkl）uvw，如（111）111。但在对称性较差的非立方晶系中，一般不存在这种关系。由晶面指指数和晶晶向指数数的介绍绍，可以以发现不不同的晶晶面和晶晶向上，原原子排列列的紧密密程度不不同。晶晶面上原原子排列列的紧密密程度，可可用晶面面的原子子密度（
27、单单位面积积上的原原子数）表表示；晶晶向上原原子排列列的紧密密程度，可可用晶向向的原子子密度（单单位长度度上的原原子数）表表示。以以体心立立方和面面心立方方为例，画画图说明明晶面和和晶向原原子密度度的具体体计算方方法。通通过计算算和比较较可以发发现，在在晶体中中原子最最密排晶晶面之间间的距离离最大，原原子最密密排晶向向之间的的距离最最大；这这是晶体体在外力力作用时时，总是是沿着原原子最密密排晶面面和原子子最密排排晶向，首首先发生生相对位位移的主主要原因因之一。3. 六六方晶系系晶面和和晶向指指数的确确定以上介绍绍的晶面面和晶向向指数的的确定方方法，是是国际上上通用的的密勒指指数法，它它适用于于
28、各种晶晶系。但但用它确确定六方方晶系的的晶面和和晶向指指数时，从从其各晶晶面指数数和晶向向指数中中，却反反映不出出原子排排列情况况相同，而而空间位位向不同同的各等等同晶面面和各等等同晶向向之间的的关系。见见P8页页第56行。如果采用用四个坐坐标轴，即即a1,a2,a3,c就就可较好好地反映映出各等等同晶面面和各等等同晶向向之间的的关系。这这样可用用（hkkil）表表示晶面面指数，用用uvvtw表示晶晶向指数数。由于于在二维维平面最最多只有有两个独独立的坐坐标，则则a3=-(a1+a2)，因因此有ii=-(h+kk), t=-(u+v)。用用四个坐坐标轴确确定六方方晶系的的晶面指指数的方方法，与
29、与用三个个坐标轴轴时相同同，只需需多确定定出在aa3轴上的的截距。它它也可以以先用三三个坐标标确定，再再根据ii=-(h+kk)的关关系，加加上第四四个指数数。而用用四个坐坐标轴确确定晶向向指数时时，必须须从坐标标原点出出发，沿沿平行于于四个坐坐标轴的的方向依依次移动动，最后后到达所所求晶向向上的某某一结点点。具体体确定方方法见PP8页图图1.112，应应注意沿沿a3轴移动动的距离离，应等等于沿aa1,a2轴移动动距离之之和的负负值，即即满足tt=-(u+vv)。用用三个坐坐标轴确确定的晶晶向指数数和用四四个坐标标轴确定定的晶向向指数，可可根据PP8页下下的公式式相互转转换。用用四个坐坐标轴确
30、确定出的的六方晶晶系的晶晶面和晶晶向指数数，就能能较好地地反映出出各原子子排列情情况相同同，而空空间位向向不同的的各等同同晶面和和晶向之之间的关关系。见见P8页页第100111行和图图1.111，图图1.112。4. 金金属晶体体的各向向异性1) 单单晶体由一个晶晶核所长长成的大大晶体,它的原原子排列列方式和和位向完完全相同同,这样样的晶体体称为单单晶体。2) 各各向异性性是单晶体体沿各不不同晶面面或晶向向具有不不同性能能的现象象。如体心立立方结构构-Fee单晶体体的弹性性模量EE，在方向向E =22.8105 MMPa，而而在方向EE =1.32105 MPPa，两两者相差差两倍多多。而且且
31、发现单单晶体的的屈服强强度、导导磁性、导导电性等等性能，也也存在着着明显的的各向异异性。单晶体具具有各向向异性的的主要原原因是，其其晶体中中原子在在三维空空间是规规则排列列的，造造成各晶晶面和各各晶向上上原子排排列的紧紧密程度度不同（即即晶面的的原子密密度和晶晶向的原原子密度度不同），使使各晶面面之间以以及各晶晶向之间间的距离离不同，因因此各不不同晶面面、不同同晶向之之间的原原子结合合力不同同，从而而导致其其具有各各向异性性。3) 多多晶体由许多晶晶核长成成的大晶晶体，因因各晶核核的原子子排列方方式相同同，而位位向不同同，因此此在各晶晶核长成成的晶粒粒交界处处存在着着晶界，所所以多晶晶体由许许
32、多晶粒粒组成，见见图1.13。多晶体中中各晶粒粒相当于于一个小小的单晶晶体，它它具有各各向异性性。由于于各晶粒粒位向不不同，因因此它们们的各向向异性相相互抵消消，表现现为各向向同性，多多晶体的的这种现现象称为为伪等向向性（伪伪无向性性）。非晶体由由于原子子排列无无规则，所所以沿各各不同方方向测得得的性能能相同，表表现为各各向同性性。1.33 实实际金属属晶体中中的晶体体缺陷理想晶体体理想晶体体是指晶晶体中原原子严格格地成，完完全规则则和完整整的排列列，在每每个晶格格结点上上都有原原子排列列而成的的晶体。如如理想晶晶胞在三三维空间间重复堆堆砌就构构成理想想的单晶晶体。实际晶体体=多晶晶体+晶晶体
33、缺陷陷实际使用用的金属属材料绝绝大多数数都是多多晶体，即即由许多多不同位位向的晶晶粒和晶晶界组成成。在金金相显微微镜下一一般如下下图，各各小晶粒粒可以近近似地看看作是一一个小的的单晶体体。但是是实际金金属材料料的每个个晶粒中中，还存存在着各各种晶体体缺陷。晶体缺陷陷晶体缺陷陷是晶体体内部存存在的一一些原子子排列不不规则和和不完整整的微观观区域，按按其几何何尺寸特特征，可可分为点点缺陷、线线缺陷和和面缺陷陷三类。晶体缺陷陷在实际际金属材材料中所所占的量量很少（只只占原子子总数的的千分之之一），因因此仍可可把实际际金属材材料的结结构看作作是接近近完整的的。由于于晶体缺缺陷在晶晶体中并并不是静静止不
34、动动的，它它可以随随外界条条件的改改变进行行运动、增增加、发发生交互互作用和和消失，所所以它对对金属材材料的性性能、固固态相变变、扩散散等过程程，将产产生重大大影响。一. 点点缺陷1. 点点缺陷的的概念 是晶体体中在XX,Y,Z三维维方向上上尺寸都都很小的的晶体缺缺陷。2. 点点缺陷的的类型 见P99页图11.144主要有有四类，即即空位；间隙原原子（有有同类和和异类之之分）；置换原原子（有有大小之之分）；复合空空位。3. 点点缺陷的的形成 可以是是液态金金属凝固固时，少少数原子子发生偶偶然的错错排而形形成；也也可以是是晶体在在高温或或外力作作用下形形成。对对于纯金金属中只只能形成成空位、同同
35、类间隙隙原子和和复合空空位。而而金属中中含有少少量杂质质元素时时，才可可能形成成异类间间隙原子子和置换换原子；当有尺尺寸不同同的两种种杂质原原子时，才才可能形形成大小小不同的的置换原原子。一一般认为为组成晶晶体的原原子在晶晶格结点点上并不不是静止止不动的的，而是是以晶格格结点为为中心不不停地作作热振动动，但受受到周围围原子的的约束，它它只能处处在其平平衡位置置上（即即晶格结结点上）。但是晶体体中每个个原子的的振动能能量是不不同的，并并随时间间和外界界条件而而改变（如如温度升升高，振振幅增大大），即即存在着着能量起起伏。当当某一原原子某一一瞬间具具有足够够大的能能量时，它它将摆脱脱周围原原子的约
36、约束，跳跳离其原原平衡位位置（即即振动中中心），形形成空结结点即空空位。如如果它跳跳到晶格格间隙处处，则形形成同类类间隙原原子。空空位、间间隙原子子、置换换原子的的存在都都破坏了了原子排排列的规规律性。使使晶格发发生局部部弹性变变形，晶晶格的这这种弹性性变形称称为晶格格畸变，见见图1.14。空空位和小小置换原原子使其其周围原原子向该该位置靠靠拢，产产生负畸畸变；而而间隙原原子和大大置换原原子使周周围原子子被挤开开，产生生正畸变变。二. 线线缺陷1. 线线缺陷的的概念 是晶体体中在一一维方向向上尺寸寸很大，而而在另外外二维方方向上的的尺寸很很小的晶晶体缺陷陷，它的的主要形形式是位位错。1) 位位
37、错的类类型(1) 位错：是晶体体中一列列或若干干列原子子，发生生某种有有规律的的错排现现象。它它的类型型很多主主要有刃刃型位错错，螺型型位错和和混合型型位错等等。(2) 刃型位位错：是是在完整整晶体中中的某一一个晶面面上， 多出了了半排原原子面，这这半排多多出的原原子面就就象刀刃刃垂直切切入完整整晶体中中一样，故故称为刃刃型位错错。见PP10页页图1.15。EEFGHH面为多多余半原原子面，EEF线为为位错线线。通常常用符号号“”表表示正刃刃型位错错，既在在晶体上上半部有有多余半半原子面面；而用用符号“”表示示负刃型型位错，既既在晶体体的下半半部有多多余半原原子面。由由图可以以看出，位位错的存
38、存在使晶晶体中局局部区域域原子排排列的规规律性受受到破坏坏，在AABCDD晶面上上位错线线附近的的原子受受压应力力，在AABCDD晶面下下方位错错线附近近的原子子受拉应应力。因因此在位位错线周周围产生生了严重重的晶格格畸变，这这说明位位错不是是一个原原子列，而而是一个个晶格畸畸变“管道”，通常常以该管管道的中中心作为为位错线线。(3) 螺型位位错：见见P100页图11.166是在简简单立方方晶体的的右端（左左端也行行）加切切应力，使使晶体沿沿ABCCD晶面面上下局局部发生生一个原原子间距距的相对对位移，所所产生的的原子错错排现象象，由于于该错排排区成螺螺旋型管管道状，见见图1.16(b) 、(
39、cc)故称称为螺型型位错。不管是刃刃型位错错还是螺螺型位错错，从微微观看都都是一个个晶格畸畸变的管管道区，其其管道的的直径较较小，只只有几个个原子间间距，而而长度较较长有几几百到上上万个原原子间距距，故称称为线缺缺陷，可可用其中中心线表表示。见见图1.17。因因为在实实际晶体体中存在在着大量量的位错错，一般般以空间间三维网网状分布布，（已已用透射射电子显显微镜在在铁中观观察到），网网络中的的各线段段可以是是刃型，螺螺型或混混合型位位错。晶体中位位错数目目的多少少一般用用位错密密度表示，= LL/V，是是单位晶晶体中所所包含的的位错线线总长度度，单位位为cmm /ccm3 （11/cmm2）。在
40、在退火态态金属中中 1106-108cm-22 ，而而经冷形形变后到110111 10012 ccm-22。因此晶体体中的位位错可以以是在凝凝固过程程中形成成，也可可以在塑塑性变形形时形成成。三. 面面缺陷面缺陷的的概念：是指晶晶体中在在二维方方向上尺尺寸很大大，而在在另一维维方向上上尺寸很很小的晶晶体缺陷陷。面缺陷的的类型：主要包包括晶体体的外表表面、堆堆垛层错错、晶界界、亚晶晶界、孪孪晶界和和相界面面等。1. 晶晶界晶界是多多晶体中中晶粒与与晶粒之之间的交交界面，由由于各晶晶粒中原原子排列列方式相相同（如如都是体体心立方方），只只是晶格格位向不不同，因因此晶界界实际上上是不同同位向晶晶粒之
41、间间的过渡渡层。该该过渡层层有一定定的厚度度，为了了同时适适应两侧侧不同位位向晶粒粒的过渡渡，而使使过渡层层处的原原子总是是不能规规则排列列，产生生晶格畸畸变，见见P111页图11.188，所以以它是晶晶体中的的一种重重要的面面缺陷。根据晶体体中各晶晶粒之间间的位向向差不同，又又可将晶晶界分为为大角度度晶界（10）和小角度晶界（10）两类。1) 大大角度晶晶界：大大角度晶晶界的原原子结构构模型，到到目前为为止还没没有完全全搞清楚楚。一般般认为其其结构如如图1.18，多多晶体金金属材料料中，各各晶粒之之间的晶晶界大都都属于大大角度晶晶界，其其位向差差在300400范围。它它与小角角度晶界界的主要
42、要差别是是具有高高的晶界界能，并并随两晶晶粒位向向差的增增大而增增高，但但位向差差大于一一定值后后，晶界界能为一一定值与与位向差差无关，见见P122页图11,244。2) 小小角度晶晶界：主主要是指指亚晶界界，见图图1.223，它它的原子子结构模模型研究究的比较较清楚，主主要由位位错构成成。2. 亚亚晶界亚晶界是是亚晶粒粒与亚晶晶粒之间间的晶界界，位向向差一般为为几十分分到几度度。大晶晶粒中的的小晶粒粒称为亚亚晶粒。亚亚晶界的的两种特特殊形式式为对称称倾側晶晶界和扭扭转晶界界。1) 对对称倾側側晶界：如图11.200，图11.199，将一一单晶体体的XOOZ面两两侧的晶晶体绕XX轴相对对旋转/
43、2角角，则形形成的界界面为对对称倾側側晶界。它它是由刃刃型位错错垂直排排列成的的位错墙墙组成，两两亚晶粒粒之间的的位向差差虽然很很小，但但仍然造造成了原原子错排排，故为为面缺陷陷。2) 扭扭转晶界界：如图图1.221,11.222，将一一单晶体体的XOOY面上上下晶体体绕Z轴轴旋转角，则则形成扭扭转晶界界。它是是由相互互交叉的的螺型位位错网络络组成，它它也造成成原子错错排所以以是面缺缺陷。小角度晶晶界的晶晶界能比比大角度度晶界的的晶界能能低，并并随位向向差的增增大而增增大。1.44 纯纯金属结结晶的基基本概念念物质由液液态固态的的过程称称为凝固固,由于于液态金金属凝固固后一般般都为晶晶体,所所
44、以液态态金属固态金金属的过过程也称称为结晶晶。由金金工实习习大家知知道绝大大多数金金属材料料都是经经过冶炼炼后浇铸铸成形，即即它的原原始组织织为铸态态组织。了了解金属属结晶过过程，对对于了解解铸件组组织的形形成，以以及对它它锻造性性能和零零件的最最终使用用性能的的影响，都都是非常常必要的的。而且且掌握纯纯金属的的结晶规规律，对对于理解解合金的的结晶过过程和其其固态相相变也有有很大的的帮助。一. 液态金属属的结构构 经研究发发现在略略高于熔熔点时，液液态金属属的结构构具有以以下特点点：1) 是近程有有序远程程无序结结构，见见图1.25；2) 存在着能能量起伏伏和结构构起伏。二. 结结晶过程程的宏
45、观观现象研究液态态金属结结晶的最最常用、最最简单的的方法是是热分析析法。它它是将金金属放入入坩埚中中，加热热熔化后后切断电电源，用用热电偶偶测量液液态金属属的温度度与时间间的关系系曲线，该该曲线称称为冷却却曲线或或热分析析曲线，见见图1.26。由由该曲线线可以看看出，液液态金属属的结晶晶存在着着两个重重要的宏宏观1. 过过冷现象象 实际结晶晶温度TT总是低低于理论论结晶温温度Tmm的现象象，称为为过冷现现象，它它们的温温度差称称为过冷冷度，用用T表示，纯纯金属结结晶时的的T大小与与其本性性、纯度度和冷却却速度等等有关。实实验发现现液态金金属的纯纯度低T小，冷冷却速度度慢，T小，反反之相反反。2
46、. 结结晶过程程伴随潜潜热释放放 由纯金金属的冷冷却曲线线可以看看出它是是在恒温温下结晶晶，即随随时间的的延长液液态金属属的温度度不降低低，这是是因为在在结晶时时液态金金属放出出结晶潜潜热，补补偿了液液态金属属向外界界散失的的热量，从从而维持持在恒温温下结晶晶。当结结晶结束束时其温温度随时时间的延延长继续续降低。三. 金金属结晶晶的微观观基本过过程 由于金金属是不不透明的的，所以以无法直直接观察察到其结结晶的微微观过程程，但通通过对透透明有机机物结晶晶过程的的观察，发发现金属属结晶的的微观过过程，就就是原子子由液态态的短程程有序逐逐渐向固固态的长长程有序序转变的的过程。 当液态态金属过过冷到其
47、其Tm以下下时，它它的尺寸寸最大的的短程有有序的原原子集团团，通过过结晶潜潜热的释释放排列列成长程程有序的的小晶体体，该小小晶体称称为晶核核，该过过程称为为形核。晶晶核一旦旦形成就就可不断断地长大大，同时时其它尺尺寸较大大的短程程有序的的原子集集团又可可形成新新的晶核核。因此此纯金属属的结晶晶过程是是晶核不不断的形形成和长长大的交交替重叠叠进行的的过程。其其示意图图见P113页图图1.227，所所以结晶晶后为多多晶体，如如在结晶晶时控制制好只让让一个晶晶核形成成和长大大就可得得到单晶晶体。四. 金金属结晶晶的热力力学条件件由热力学学第二定定律可知知，物质质遵循能能量最小小原理，即即物质总总是自发发地向着着能量降降低的方方向转化化。图11.288给出了了在等压压条件下下液、固固态金属属的自由由能与温