第三篇 金属材料.pdf
第三篇 金属材料第三篇第三篇第三篇第三篇 金属材料金属材料金属材料金属材料六、有色金属及其合金简介六、有色金属及其合金简介六、有色金属及其合金简介六、有色金属及其合金简介一、金属材料绪论一、金属材料绪论一、金属材料绪论一、金属材料绪论二、二、二、二、金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶四、金属材料组织和性能的影响因素四、金属材料组织和性能的影响因素四、金属材料组织和性能的影响因素四、金属材料组织和性能的影响因素五、碳钢的分类方法、成份和主要应用五、碳钢的分类方法、成份和主要应用五、碳钢的分类方法、成份和主要应用五、碳钢的分类方法、成份和主要应用第三篇第三篇第三篇第三篇 金属材料金属材料金属材料金属材料1.1.金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位2.2.金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类3.3.金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史4.4.金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况5.5.金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点一、金属材料绪论一、金属材料绪论一、金属材料绪论一、金属材料绪论金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位金属材料的历史地位1.1.材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步有着密切关系。它是衡量人类社会文明程与社会进步有着密切关系。它是衡量人类社会文明程与社会进步有着密切关系。它是衡量人类社会文明程与社会进步有着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。度的标志之一。度的标志之一。度的标志之一。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。石器时代石器时代石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代铁器时代铁器时代2.2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。仍不会改变这种状况。仍不会改变这种状况。仍不会改变这种状况。金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类金属材料的分类黑色金属黑色金属黑色金属黑色金属有色金属有色金属有色金属有色金属铸铁铸铁铸铁铸铁钢钢钢钢工程构件用钢工程构件用钢工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢机器零件用钢机器零件用钢工具钢工具钢工具钢工具钢特殊性能用钢特殊性能用钢特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)结构金属材料结构金属材料结构金属材料结构金属材料功能金属材料功能金属材料功能金属材料功能金属材料轻金属轻金属轻金属轻金属(铝铝铝铝,镁镁镁镁,钛钛钛钛)贵重金属贵重金属贵重金属贵重金属(金金金金,银银银银,铜铜铜铜)重金属重金属重金属重金属(铜铜铜铜,锌锌锌锌,铅铅铅铅,镍镍镍镍)稀有金属稀有金属稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴)放射金属放射金属放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍镭铀钍镭铀钍)金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史1.1.公元前公元前公元前公元前38003800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前30003000年出现锡青铜年出现锡青铜年出现锡青铜年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀甘肃东乡马家窑文化的青铜刀甘肃东乡马家窑文化的青铜刀甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含（含（含（含6 6-1010SnSn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。时期。时期。时期。2.2.自公元前自公元前自公元前自公元前1212世纪起，铁器在地中海东岸地区使用日世纪起，铁器在地中海东岸地区使用日世纪起，铁器在地中海东岸地区使用日世纪起，铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前广。到公元前广。到公元前广。到公元前1010世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前公元前公元前公元前8 8世纪到公元前世纪到公元前世纪到公元前世纪到公元前7 7世纪，北非和欧洲相继进入铁世纪，北非和欧洲相继进入铁世纪，北非和欧洲相继进入铁世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。器时代。器时代。器时代。3.3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著在明末科学家宋应星所著在明末科学家宋应星所著在明末科学家宋应星所著天工开物天工开物天工开物天工开物中有详细的阐述。中有详细的阐述。中有详细的阐述。中有详细的阐述。4.4.现代冶金技术现代冶金技术现代冶金技术现代冶金技术的发展自的发展自的发展自的发展自1919世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。钢开始。钢开始。钢开始。1919世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和2020世纪中叶的氧气顶吹世纪中叶的氧气顶吹世纪中叶的氧气顶吹世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。我国冶炼铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制我国冶炼铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制我国冶炼铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制我国冶炼铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史5.5.在非铁金属冶金方面，在非铁金属冶金方面，在非铁金属冶金方面，在非铁金属冶金方面，1919世纪世纪世纪世纪8080年代发电机的发年代发电机的发年代发电机的发年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；二大金属；二大金属；二大金属；2020世纪世纪世纪世纪4040年代，用镁作还原剂从四氯化钛年代，用镁作还原剂从四氯化钛年代，用镁作还原剂从四氯化钛年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。也陆续实现工业化生产。也陆续实现工业化生产。也陆续实现工业化生产。金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史6.196.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在2020世纪发展为门类众多世纪发展为门类众多世纪发展为门类众多世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。7.207.20世纪中叶，新金属材料研世纪中叶，新金属材料研世纪中叶，新金属材料研世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、究发展迅猛。如非晶态合金、究发展迅猛。如非晶态合金、究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合金属基复合材料、金属间化合金属基复合材料、金属间化合金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。物结构材料、金属纳米材料等。物结构材料、金属纳米材料等。物结构材料、金属纳米材料等。纳米金属具有超塑延展性，纳米金属具有超塑延展性，纳米金属具有超塑延展性，纳米金属具有超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸纳米铜在室温下竟可延伸纳米铜在室温下竟可延伸纳米铜在室温下竟可延伸5050多倍而多倍而多倍而多倍而“不折不挠不折不挠不折不挠不折不挠”。金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属材料发展的历史金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况1.1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的金属总产量的金属总产量的金属总产量的9595，而且有许多良好的性能，能满足大，而且有许多良好的性能，能满足大，而且有许多良好的性能，能满足大，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。2.2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占储量大于铁矿储量，如铁只占储量大于铁矿储量，如铁只占储量大于铁矿储量，如铁只占5.15.1，而非铁金属中铝为，而非铁金属中铝为，而非铁金属中铝为，而非铁金属中铝为8.88.8镁为镁为镁为镁为2.12.1，钛为，钛为，钛为，钛为0.60.6。3.3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。产成本高，限制了生产总量的增长幅度。产成本高，限制了生产总量的增长幅度。产成本高，限制了生产总量的增长幅度。4.4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。因而非铁金属产量仍在迅速增长。因而非铁金属产量仍在迅速增长。因而非铁金属产量仍在迅速增长。金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属结构材料的应用情况金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点1 1继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。耐高、低温、抗腐蚀等性能。耐高、低温、抗腐蚀等性能。耐高、低温、抗腐蚀等性能。2 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视，非晶态或亚稳态非晶（亚稳态）材料日益受到重视，非晶态或亚稳态非晶（亚稳态）材料日益受到重视，非晶态或亚稳态非晶（亚稳态）材料日益受到重视，非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。合金材料、金属纳米材料。合金材料、金属纳米材料。合金材料、金属纳米材料。3 3特殊条件下应用的金属材料，低温、高压、高温、外特殊条件下应用的金属材料，低温、高压、高温、外特殊条件下应用的金属材料，低温、高压、高温、外特殊条件下应用的金属材料，低温、高压、高温、外场以及辐照条件下材料的结构、组织和性能的研究。场以及辐照条件下材料的结构、组织和性能的研究。场以及辐照条件下材料的结构、组织和性能的研究。场以及辐照条件下材料的结构、组织和性能的研究。4 4材料的设计及选用科学化按照指定性能对材料进行结材料的设计及选用科学化按照指定性能对材料进行结材料的设计及选用科学化按照指定性能对材料进行结材料的设计及选用科学化按照指定性能对材料进行结构、成分的科学设计。构、成分的科学设计。构、成分的科学设计。构、成分的科学设计。金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料发展的热点金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料金属材料金属材料金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。金属材料在固态下通常都是属及其合金。金属材料在固态下通常都是属及其合金。金属材料在固态下通常都是属及其合金。金属材料在固态下通常都是晶体状态晶体状态晶体状态晶体状态，所，所，所，所以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。金属晶体的密堆积结构金属晶体的密堆积结构金属晶体的密堆积结构金属晶体的密堆积结构在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层。个凹位，将其算为第一层。二、金属材料的晶体结构二、金属材料的晶体结构二、金属材料的晶体结构二、金属材料的晶体结构123456123456123456AB，金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1，3，5 位。位。(或对准或对准 2，4，6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的)第三层可以有两种最紧密的堆积第三层可以有两种最紧密的堆积第三层可以有两种最紧密的堆积第三层可以有两种最紧密的堆积方式方式方式方式,第一种是将球对准第一层第一种是将球对准第一层第一种是将球对准第一层第一种是将球对准第一层的球。的球。的球。的球。123456于是每两层形成一个于是每两层形成一个于是每两层形成一个于是每两层形成一个周期，即周期，即周期，即周期，即AB AB AB AB ABABABAB堆积堆积堆积堆积方式，形成六方紧密堆积方式，形成六方紧密堆积方式，形成六方紧密堆积方式，形成六方紧密堆积。配位数配位数配位数配位数 12 12 12 12。(同层同层同层同层 6 6 6 6，上下层各上下层各上下层各上下层各 3 3 3 3)金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构配位数为配位数为晶格晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。?金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构在在在在晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构中，原子或离子总是按一定方式与周围的中，原子或离子总是按一定方式与周围的中，原子或离子总是按一定方式与周围的中，原子或离子总是按一定方式与周围的原子或离子相结合，此时，一个质点与周围直接接触原子或离子相结合，此时，一个质点与周围直接接触原子或离子相结合，此时，一个质点与周围直接接触原子或离子相结合，此时，一个质点与周围直接接触的质点数称为的质点数称为的质点数称为的质点数称为配位数配位数配位数配位数。原子配位数原子配位数原子配位数原子配位数是指某一个原子周是指某一个原子周是指某一个原子周是指某一个原子周围所接触到的围所接触到的围所接触到的围所接触到的同种原子同种原子同种原子同种原子的的的的数目数目数目数目；离子配位数离子配位数离子配位数离子配位数是在离子是在离子是在离子是在离子晶体中，每个离子周围晶体中，每个离子周围晶体中，每个离子周围晶体中，每个离子周围所接触到所接触到所接触到所接触到的的的的异性离子的个数异性离子的个数异性离子的个数异性离子的个数。在在在在金属晶体金属晶体金属晶体金属晶体中，由于金属原子通常做中，由于金属原子通常做中，由于金属原子通常做中，由于金属原子通常做最紧密堆积最紧密堆积最紧密堆积最紧密堆积，决，决，决，决定了金属原子具有定了金属原子具有定了金属原子具有定了金属原子具有较高或最高较高或最高较高或最高较高或最高的的的的配位数配位数配位数配位数。配位数为。配位数为。配位数为。配位数为1212的是晶体结构中的是晶体结构中的是晶体结构中的是晶体结构中最大的配位数最大的配位数最大的配位数最大的配位数。在成。在成。在成。在成共价键结合共价键结合共价键结合共价键结合的晶的晶的晶的晶体中，无论是单质或是化合物，由于共价键具有体中，无论是单质或是化合物，由于共价键具有体中，无论是单质或是化合物，由于共价键具有体中，无论是单质或是化合物，由于共价键具有饱和饱和饱和饱和性和方向性性和方向性性和方向性性和方向性，因此配位数偏低，一般不大于，因此配位数偏低，一般不大于，因此配位数偏低，一般不大于，因此配位数偏低，一般不大于4 4。右图是此种六右图是此种六右图是此种六右图是此种六方紧密堆积的前方紧密堆积的前方紧密堆积的前方紧密堆积的前视图视图视图视图ABABA金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第二种第二种第二种第二种是将球对准第一层的是将球对准第一层的是将球对准第一层的是将球对准第一层的2 2 2 2，4 4 4 4，6 6 6 6 位位位位，不同于不同于不同于不同于 AB AB AB AB 两两两两层的位置层的位置层的位置层的位置，这是这是这是这是C C C C 层。层。层。层。123456123456123456金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构123456第四层再排第四层再排第四层再排第四层再排 A A A A，于于于于是形成是形成是形成是形成ABC ABC ABC ABC ABCABCABCABC三三三三层一个周期。层一个周期。层一个周期。层一个周期。得到面得到面得到面得到面心立方堆积心立方堆积心立方堆积心立方堆积。配位数配位数配位数配位数 12121212。(同层同层同层同层 6 6 6 6，上下层各上下层各上下层各上下层各 3 3 3 3)金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构此种立方紧密堆此种立方紧密堆此种立方紧密堆此种立方紧密堆积的前视图积的前视图积的前视图积的前视图ABCAABC金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构这两种堆积都是最紧密堆积这两种堆积都是最紧密堆积这两种堆积都是最紧密堆积这两种堆积都是最紧密堆积，空间利用率为空间利用率为空间利用率为空间利用率为 74.05%74.05%。金属钾金属钾金属钾金属钾 K K 的体心立方的体心立方的体心立方的体心立方堆积堆积堆积堆积还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆积：立方体积：立方体积：立方体积：立方体 8 8 个顶点上的球互不相切，但均与体心位置个顶点上的球互不相切，但均与体心位置个顶点上的球互不相切，但均与体心位置个顶点上的球互不相切，但均与体心位置上的球相切。上的球相切。上的球相切。上的球相切。配位数配位数配位数配位数 8 8，空间利用率为，空间利用率为，空间利用率为，空间利用率为 68.02%68.02%。金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构六方紧密堆积六方紧密堆积 IIIB，IVB面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积 IB，Ni，Pd，Pt体心立方堆积体心立方堆积 IA，VB，VIB金属的堆积方式金属的堆积方式研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类型。型。型。型。（一）（一）（一）（一）密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格（二）（二）（二）（二）面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格（三）（三）（三）（三）体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属晶格的基本类型金属晶格的基本类型体心立方晶格体心立方晶格bcc 面心立方晶格面心立方晶格fcc密排六方晶格密排六方晶格hcp金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构Body Centered CubicBody Centered CubicFace Centered CubicFace Centered CubicHexagonal packed crystal三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶三、金属材料的结晶金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。的过程称为二次结晶或重结晶。的过程称为二次结晶或重结晶。的过程称为二次结晶或重结晶。液态金属中原子排列液态金属中原子排列液态金属中原子排列液态金属中原子排列短程有序短程有序短程有序短程有序短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。固态金属中原子排列固态金属中原子排列固态金属中原子排列固态金属中原子排列长程有序长程有序长程有序长程有序长程有序的原子集团是相对稳定的。长程有序的原子集团是相对稳定的。长程有序的原子集团是相对稳定的。长程有序的原子集团是相对稳定的。金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶通过实验，测得液体金通过实验，测得液体金通过实验，测得液体金通过实验，测得液体金属在结晶时的温度属在结晶时的温度属在结晶时的温度属在结晶时的温度-时间曲线时间曲线时间曲线时间曲线称为冷却曲线。绝大多数纯称为冷却曲线。绝大多数纯称为冷却曲线。绝大多数纯称为冷却曲线。绝大多数纯金属（如铜、铝、银等）的金属（如铜、铝、银等）的金属（如铜、铝、银等）的金属（如铜、铝、银等）的冷却曲线如图所示。冷却曲线如图所示。冷却曲线如图所示。冷却曲线如图所示。纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件T=TT=T0 0-T Tn n金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶 T T纯铜的冷却曲线中纯铜的冷却曲线中纯铜的冷却曲线中纯铜的冷却曲线中T T0 0为纯铜的为纯铜的为纯铜的为纯铜的熔点熔点熔点熔点(又称理论结晶温度又称理论结晶温度又称理论结晶温度又称理论结晶温度),),T Tn n为为为为开始结晶温度。曲线中开始结晶温度。曲线中开始结晶温度。曲线中开始结晶温度。曲线中abcabc段为段为段为段为液态金属逐渐冷却液态金属逐渐冷却液态金属逐渐冷却液态金属逐渐冷却,bcbc段温度低段温度低段温度低段温度低于理论结晶温度于理论结晶温度于理论结晶温度于理论结晶温度,这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为过冷现象。理论结晶温度过冷现象。理论结晶温度过冷现象。理论结晶温度过冷现象。理论结晶温度T T0 0与与与与开始结晶温度开始结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T Tn n之差叫做过冷之差叫做过冷之差叫做过冷之差叫做过冷度度度度,用用用用T T 表示。表示。表示。表示。纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。1.1.形核形核形核形核液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。(1)(1)自发形核自发形核自发形核自发形核(2)(2)非自发形核非自发形核非自发形核非自发形核金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫过程叫过程叫过程叫自发形核自发形核自发形核自发形核。这种由液态金属内部为金属原子自。这种由液态金属内部为金属原子自。这种由液态金属内部为金属原子自。这种由液态金属内部为金属原子自发形成的晶核叫发形成的晶核叫发形成的晶核叫发形成的晶核叫自发晶核自发晶核自发晶核自发晶核。实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫结晶核心，这个过程叫结晶核心，这个过程叫结晶核心，这个过程叫非自发形核非自发形核非自发形核非自发形核。这种依附于杂质。这种依附于杂质。这种依附于杂质。这种依附于杂质而形成的晶核叫做而形成的晶核叫做而形成的晶核叫做而形成的晶核叫做非自发晶核非自发晶核非自发晶核非自发晶核。金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶2.2.晶体的长大晶体的长大晶体的长大晶体的长大晶体的长大有两种方式晶体的长大有两种方式晶体的长大有两种方式晶体的长大有两种方式:(1)(1)平面长大平面长大平面长大平面长大(2)(2)树枝状长大树枝状长大树枝状长大树枝状长大当冷却速度较慢时，金属晶体以当冷却速度较慢时，金属晶体以当冷却速度较慢时，金属晶体以当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶其表面向前平行推移的方式长大。晶其表面向前平行推移的方式长大。晶其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的体长大时，不同晶面的垂直方向上的体长大时，不同晶面的垂直方向上的体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向长大速度不同。沿密排面的垂直方向长大速度不同。沿密排面的垂直方向长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂上的长大速度最慢，而非密排面的垂上的长大速度最慢，而非密排面的垂上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。平面长大直方向上的长大速度较快。平面长大直方向上的长大速度较快。平面长大直方向上的长大速度较快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规的结果，晶体获得表面为密排面的规的结果，晶体获得表面为密排面的规的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。则形状。则形状。则形状。金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶平面长大平面长大平面长大平面长大当冷却速度较快时，晶体的棱角当冷却速度较快时，晶体的棱角当冷却速度较快时，晶体的棱角当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因和棱边的散热条件比面上的优越，因和棱边的散热条件比面上的优越，因和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶而长大较快，成为伸入到液体中的晶而长大较快，成为伸入到液体中的晶而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。得到具有树枝状的晶体。得到具有树枝状的晶体。得到具有树枝状的晶体。实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶树枝状长大树枝状长大树枝状长大树枝状长大平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体 树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶金属材料的结晶合金的结晶合金的结晶合金的结晶合金的结晶由由由由两种或两种两种或两种两种或两种两种或两种以上的以上的以上的以上的金属金属金属金属或或或或非金属非金属非金属非金属所组成的所组成的所组成的所组成的具有具有具有具有金属特性金属特性金属特性金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体的物质。一般通过熔合成均匀液体的物质。一般通过熔合成均匀液体的物质。一般通过熔合成均匀液体和和和和凝固凝固凝固凝固而得。根据组成而得。根据组成而得。根据组成而得。根据组成元素元素元素元素的数目，可分为二元的数目，可分为二元的数目，可分为二元的数目，可分为二元合金、三元合金和合金、三元合金和合金、三元合金和合金、三元合金和多元合金多元合金多元合金多元合金。我国我国我国我国是世界上最早是世界上最早是世界上最早是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在研究和生产合金的国家之一，在研究和生产合金的国家之一，在研究和生产合金的国家之一，在商朝商朝商朝商朝(距今距今距今距今30003000多多多
