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1、机械工程材料及成型工艺第二章第1页，本讲稿共29页一、金属的晶体结构（一、金属的晶体结构（理想金属的晶体结构理想金属的晶体结构）晶体晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰冰等。等。非晶体非晶体 原子无规则堆积，也称为原子无规则堆积，也称为 “过冷液体过冷液体”。液液体体1.1.晶体的概念晶体的概念第2页，本讲稿共29页2.2.金属晶体的特性金属晶体的特性（1 1）有确定的熔点）有确定的熔点熔熔点点晶晶体体非晶非晶体体时时间间温温
2、度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线第3页，本讲稿共29页（2 2）各向异性）各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ第4页，本讲稿共29页3.3.原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置 晶体结构晶体结构第5页，本讲稿共29页晶胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型第6页，本讲稿共29页晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 第7页，本讲稿共29页n三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc-Fe-Fe、W W、V V、M
3、o Mo 等。等。第8页，本讲稿共29页体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va/Vc=Va/Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a3a3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r3/3r3/3XYZabc2r2raa2 2第9页，本讲稿共29页（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 （fccfcc）-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等。等。第10页，本讲稿共29页面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=
4、ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向4 4第11页，本讲稿共29页（3 3 3 3）密排六方晶格）密排六方晶格）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcphcphcpC C（石墨）、（石墨）、MgMg、Zn Zn 等等底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0.740.74第12页，本讲稿共29页4.4.4.4.金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向金属
5、晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面：晶面：通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶向：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XYZabc第13页，本讲稿共29页 基本概念：合金、合金系、合金化、基本概念：合金、合金系、合金化、组元、相、组织组元、相、组织；合金的相结构：固溶体和金属化合物。合金的相结构：固溶体和金属化合物。5.5.合金的晶体结构合金的晶体结构第14页，本讲稿共29页组元与相的概念组元与相的概念组元组元：组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化：组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化 合物。如，合物。如，Fe-CFe-C合
6、金中，合金中，FeFe、C C 均为组元。均为组元。相相：化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开：化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。的均匀组成部分。合金中有两类基本相合金中有两类基本相 固溶体和化合物。固溶体和化合物。第15页，本讲稿共29页金属材料的组织金属材料的组织组织（显微组织）组织（显微组织）:指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌;组织由相构成组织由相构成;观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式;金属材料性能由组织决定金属材料性能由组织决定;而组织由
7、化学成分和工艺过程决定。而组织由化学成分和工艺过程决定。Fe-Mn-Si合金变形后时效合金变形后时效Fe-Mn-Si合金直接时效合金直接时效 第16页，本讲稿共29页固溶体固溶体固溶体概念固溶体概念：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。元之一相同的固相。固溶体的分类：固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同；根据根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同；根据溶解度；根据溶质原子在溶剂晶格中的排列是否规则。溶解度；根据溶质原子在溶剂晶格中的排列是否规则。第17页，本讲稿共29页固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间
8、隙原子间间隙隙固固溶溶体体置置换换固固溶溶体体置换原子置换原子YXZ第18页，本讲稿共29页固溶强化：固溶强化：形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变第19页，本讲稿共29页晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的小原子置换引起的晶格畸变晶格畸变间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变第20页，本讲稿共29页金属化合物金属化合物化合物类型：化合物类型：合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，如，按化合价规律形成，如，MgMg2 2Si
9、 Si。间隙化合物间隙化合物 过渡金属过渡金属+小半径非金属元素。小半径非金属元素。电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，如，按电子浓度规律形成，如，CuCu3 3Al Al。间隙相间隙相 r r非非/r/r金金 0.590.59，如，如，WCWC、TiCTiC、VCVC复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 r r非非/r/r金金 0.590.59如，如，FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6间隙化合物间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆性大。第21页，本讲稿共29页6.6.实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷实际金属晶体结构与理想结构偏离的区域实际金
10、属晶体结构与理想结构偏离的区域单晶体：内部晶格位向完全一致单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶的晶体（理想晶体）。如单晶SiSi半导体。半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）第22页，本讲稿共29页晶体缺陷类型晶体缺陷类型（1 1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界第23页，本讲稿共29页（1 1 1 1）点缺陷点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子
11、异类原子（杂质原子）（杂质原子）空位空位间隙原子间隙原子第24页，本讲稿共29页（2 2）线缺陷）线缺陷 刃型位错与螺型位错刃型位错与螺型位错刃位错刃位错刃位错刃位错形变强化（加工硬化、冷作硬化）：形变强化（加工硬化、冷作硬化）：金属在塑性变形时，随着变形程度的增加，出现强度和硬金属在塑性变形时，随着变形程度的增加，出现强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。度提高，塑性和韧性下降的现象。第25页，本讲稿共29页螺型位错螺型位错第26页，本讲稿共29页（3 3）面缺陷）面缺陷晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界第27页，本讲稿共29页亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，面缺陷引起晶格畸变
12、，晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。细晶强化：通过细化晶粒以提高材料强度的方法。细晶强化：通过细化晶粒以提高材料强度的方法。第28页，本讲稿共29页小结小结重点重点1.1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。格。单晶体，晶粒，多晶体。2.2.固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化，细晶强固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化，细晶强化，形变强化。化，形变强化。3.3.相和组织的概念。相和组织的概念。4.4.晶体缺陷（点、线、面缺陷），位错等概念。晶体缺陷（点、线、面缺陷），位错等概念。一般要求一般要求1.1.晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。第29页，本讲稿共29页