《材料成型基础》课件2.ppt

第第2章章 金属材料结构的基本知识金属材料结构的基本知识 常温下、固态的金属大多数都是晶体结构，不同的金属材料具有不同的力学性能，不同的力学性能取决于金属材料的内部组织结构，而内部组织结构是由金属材料的化学成分组成和加工工艺所决定。因此，研究金属材料首先就应从晶体结构开始，了解金属内部结构对金属性能的影响，做到合理选择和加工金属材料。2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 2.1.1 晶体的基本概念晶体的基本概念 1晶体与非晶体 自然界固态物质按组成质点（原子、分子和离子）的空间排列位置，可分为晶体和非晶体两大类。在物质内部，凡是原子（离子或分子）按一定秩序有规则排列的物质称为晶体；如固态的金属、金刚石、合金等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征。若是原子（离子或分子）呈无序堆积状况排列的物质称为非晶体；如玻璃、松香、石蜡等。非晶体没有固定的熔点，且各向同性。自然界中绝大多数的固体是晶体，由于各原子间的相互吸引力与排斥力相平衡使晶体具有规则的、规律性原子排列形式。有时能见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐及黄铁矿等，而金属晶体一般看不到这样规则的外形的。2晶格、晶胞、晶格常数 不同的晶体其内部的原子可按不同方式规则地排列。通常把晶体中原子规则排列的方式称为晶体结构。图2.1为最简单的金属晶体结构示意图。（a）晶体中的原子排列 （b）晶格 （c）晶胞 图2.1 简单的金属晶体结构示意图 为形象地描述各种晶体中的原子排列规律，可将晶体中的原子看成一个个小圆球，如图2.1（a）所示。通过原子中心用一些假想连线把它们连接起来，并将每个原子视为一个质点，这样就构成了有明显规律性的空间格子，如图2.1（b）所示。这种构成有明显规律性的空间格架，称为晶格。空间格架中各连线的交点称为“结点”，结点上的小圆圈（或质点）表示原子的中心。如图2.1（c）所示，在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律，这个最小几何单元称为晶胞。晶胞的几何特征可用晶格常数来表示，即晶胞的三条棱边长度a、b、c和三条棱边之间的夹角、六个参数来表示。当晶格常数a=b=c,晶轴间夹角=900时，称这种晶胞为立方体晶胞。具有立方体晶胞的晶格叫立方晶格。立方晶格只需要用一个晶格常数（a）就可以表示晶胞的大小和形状。2.1.2 三种常见的晶体结构三种常见的晶体结构 金属的晶格类型很多，但绝大多数的金属属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3种典型的晶体结构。1体心立方晶格 如图2.2所示，体心立方晶格的晶胞的形状为一立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。体心立方晶格的晶胞八个顶角的原子与晶格中邻近的8个晶胞所共有，晶胞中心有一个原子。为此，体心立方晶格的每个晶胞的原子数为：1/88+1=2个。具有体心立方晶格的金属有铬（Cr）、钨（W）、钒（V）铁（-Fe）等，这类金属一般具有较高的强度和良好的塑性。图2.2 体心立方晶胞示意图 2面心立方晶格 如图2.3所示，面心立方晶格的晶胞的形状为一个立方体，其原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。面心立方晶格的晶胞八个顶角的原子与晶格中邻近的8个晶胞所共有,六个面的中心原子各为邻近2个晶胞所共有。为此，面心立方晶格的每个晶胞的原子数为：1/88+1/26=4个。具有面心立方晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍(Ni)、铁(Fe)等，这类金属具有良好的塑性。图2.3 面心立方晶胞示意图 3密排六方晶格 如图2.4所示，密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体,其原子排列在十二个顶角上和上、下底面的中心,另外三个原子排列在晶胞的柱体内。密排六方晶格的晶胞的十二个顶角上原子与晶格中邻近的6个晶胞所共有，上、下底面的中心的原子各为邻近2个晶胞所共有，晶胞的柱体内有三个原子。为此，密排六方晶格的每个晶胞的原子数为：1/612+1/22+3=6个。属于这种晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等。除以上3种晶格以外，少数金属还有其它类型的晶格结构。图2.4 密排六方晶格示意图 2.1.3 金属晶体结构缺陷金属晶体结构缺陷 工程上实际使用的金属材料一般是多晶体结构。绝大部分并非是理想的单晶体材料，而是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。这些金属材料在相同条件下具有相同的晶体结构，但晶体晶格的位向是不同的。只有通过专门的加工，才能获得晶格的位向完全一致的晶体，即单晶体。由于受到各种因素的影响，使得实际金属原有规律的原子排列方式受到干扰，这种原子排列不规则的部位和区域称为金属的晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷3类。1点缺陷 点缺陷是晶体内部空间尺寸很小的缺陷，最常见的缺陷有晶格空位和间隙原子。若在晶格的某些空隙处可出现多余的原子或挤入外来原子的这种缺陷，称为间隙原子。而晶格上应该有原子的地方没有原子，晶格中出现“空穴”的这种原子缺陷，称为“空位”。空位附近的原子受张力作用，使得晶格常数增加。间隙原子的产生使得周围原子受到挤压作用，而使晶格常数缩小。由于这些缺陷的存在使得晶格发生畸变的现象称为晶格畸变。晶格畸变使晶体内部产生应力，从而使晶格的强度和硬度提高，塑性、韧性下降，形成一种强化效应。2线缺陷 在晶体中有一列或多列原子发生规律性错排的现象称为“位错”。在位错的附近区域，晶体的某一水平面（ABCD）的上方，多出一个原子面（EFGH），它中断于ABCD面上的EF处，这个原子面如同刀刃一样插入晶体，称为刃型位错。发生位错时附近区域晶格畸变，使晶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。金属材料的塑性变形是通过位错来实现的。3面缺陷 面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，常见的有晶界和亚晶界。金属的实际结构为多晶体结构，金属的所有晶粒的结构相同，位向不相同，位向相差可为几度或几十度。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界，晶界处的原子排列是不规则的，原子处于不稳定的状态。即使是同一颗晶粒内部，其晶格的位向也不是完全一致的，而是被分隔成许多尺寸很小、位向相差很大的小晶块镶嵌成的晶粒，这些小晶块被称为亚晶粒（或镶嵌块）。亚晶粒之间的界面称为亚晶界，亚晶界处的原子排列也是不规则的。晶界和亚晶界处晶格产生明显的畸变。造成金属强度、硬度提高而塑性变形困难。若晶粒越细则晶界越多，金属的强度、硬度也越高，这就是“细晶强化”的基本原理。常见金属的晶体缺陷如表2.1所示。表2.1 常见金属的晶体缺陷种类名 称示意图说明点缺陷指晶体内部空间尺寸很小（呈点状分布）的缺陷，常见的是晶格空位和间隙原子。点缺陷使周围原子发生相互挤拢或撑开，产生晶格畸变。线缺 陷指晶体内部呈线状分布的缺陷，主要是各种位错。例图，在ABCD晶面的上半部比下半部多出了一个半原子面EFGH，使ABCD晶面上下两部分晶体间出现原子错排的错位现象。位错线EF周围，晶格畸变。面缺陷指晶体中呈面状分布的缺陷，主要是晶界、亚晶界。在多晶体晶界，原子排列不规则，从一种位向逐步过渡到另一种位向，晶格明显畸变。2.2 合金的基本概念和基本结构合金的基本概念和基本结构2.2.1 合金的基本概念合金的基本概念 工程上实际使用的金属材料很少是纯金属，由于纯金属的力学性能较低而成本较高，为此应用受到限制。而合金可以按不同需要配制成不同的力学性能和物理、化学性能的材料，因而得到广泛的应用。常用的合金材料如碳素钢、铸铁、合金钢、青铜等。1合金 合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素），通过熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如普通黄铜是由铜和锌（均为金属元素）两种元素组成的合金；碳钢和铸铁则是由铁和碳（金属元素与非金属元素）两种元素组成的合金。2组元 组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元，简称“元”。在大多数情况下，组元是合金的组成元素或是某些稳定的化合物。由2个组元组成的合金二元合金，3个组元组成的称三元合金，依次类推。如黄铜是由2个组元即为铜和锌元素组成的二元合金。3合金系 由两个或两个以上给定的组元，按不同比例配制出一系列成分不同、性能不同的系列合金，这一系列合金构成了一个合金系统，简称为合金系。如铸造铝合金中的铝硅系、铝镁系等。4相 在金属或合金中，凡化学成分、晶体结构相同并与其它部分有明显界面分开的均匀组成部分称为相。例如，均匀的液态合金是一个相，称之为液相；结晶后的纯金属也是一个相，称之为固相；而正在结晶的纯金属，则是液相和固相同时存在，称为两相共存。固态下的合金其结构要比纯金属复杂得多，它们可以是单相的，也可以是多相的。若合金是由化学成分、晶体结构都相同的同一种晶粒构成，则属于单相组成的合金；若合金是由化学成分、晶体结构互不相同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相组成的合金。5组织 金属及其合金的内部微观形貌特征称为“显微组织”。通常借助金相显微镜、电子显微镜观测金属及其合金的内部微观形貌进行观察和分析，可以了解其内部组成相的大小、方向、形态、分布和相对数量等组成关系的构造情况，从而进一步了解材料的性能及其变化规律。2.2.2 固态合金的基本结构固态合金的基本结构 当合金由液态结晶为固态时，由于组成合金的各组元之间相互作用（溶解、化合或混合）不同，在固态合金中可能出现固溶体、金属化合物和机械混合物3种基本结构。1.固溶体 合金在固态下，合金组元之间通过溶解（一组元原子溶解在其它组元晶格中或组元之间相互溶解）形成一种成分均匀、且晶格与组元之间相同的固相，称为固溶体。在固溶体中，保持原有晶格的组元称为溶剂，而晶格结构消失的组元称为溶质。固溶体的晶格与溶剂的晶格相同。如碳溶解到面心立方晶格的铁（-Fe）中形成固溶体，-Fe是溶剂，碳是溶质，且固溶体具有与-Fe相同的面心立方晶格结构。（1）固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类，如图2.5所示。（a）置换固溶体 （b）间隙固溶体 图2.5 固溶体的两种类型 置换固溶体 当溶质原子替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置时，所形成的固溶体叫置换固溶体。许多合金的组元之间都能形成置换固溶体，如铜和锌、铜和镍等，它们的熔解度（即溶质原子在固溶体中的极限浓度）不同，却都能形成置换固溶体。在一定的温度和压力条件下，溶质在溶剂中的熔解度主要取决于溶质与溶剂的原子半径、电化学性能以及晶格类型等因素的综合作用。当溶质与溶剂的原子半径差别很小，电化学特性接近，晶格类型相同时，这些组元之间可以形成任何成分比例的固溶体，（即溶质可以任何比例置换溶剂晶格中的原子，其熔解度可达100%），称为无限固溶体。若上述因素中的某个因素变化，则形成有限固溶体，即溶质原子只能有限地置换溶剂晶格中的原子。合金中多数是有限固溶体。有限固溶体的熔解度与温度有着密切关系，一般温度越高，熔解度就越大。间隙固溶体 当溶质原子溶入溶剂晶格的间隙时所形成的固溶体称为间隙固溶体。当溶质原子半径比溶剂原子半径小很多时，溶质原子就能够嵌入溶剂晶格的间隙中。因为溶剂晶格的间隙是有限的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体的溶质、溶剂的原子半径和晶格类型对熔解度有直接影响。（2）固溶体的性能 在形成固溶体时，由于溶质原子的溶入固溶体发生晶格畸变，结果使合金的强度、硬度有所增高的现象，称为固溶强化。固溶体中溶入的溶质原子量越多，晶格畸变越严重，固溶强化的作用就越明显。固溶强化是提高金属材料机械性能的重要途径之一。实践证明，当固溶体中的溶质原子含量适当时，能显著提高金属材料的强度和硬度，同时塑性和韧性几乎不变。因此，工程上大部分合金的基本组成相是固溶体。2金属化合物 合金组元之间相互发生化合作用而生成的一种具有金属特性的新相称为金属化合物。金属化合物的晶体结构与性能完全不同于组成它的任一组元，通常具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。因此，单相金属化合物的合金很少使用。当多相合金中含有适量的金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性能明显提高，且许多合金的重要组成相是金属化合物。3机械混合物 纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相。由两相或两相以上的以一定重量百分比组合的多相混合物称为机械混合物。工业合金除少数具有单相固溶体组织外，绝大多数属于由两相或多相组成的机械混合物。在机械混合物中，各个相仍保持各自的晶格结构和性能。整体性能取决于组成它的各个相的性能以及各相的相对数量、形状、大小和分布状况等。机械混合物的强度、硬度比单一固溶体组织高，塑性、韧性不如单一固溶体。2.3 纯金属的结晶纯金属的结晶 大多数金属制品都是经过溶化、浇注、凝固而成。金属材料由液态变成固态的凝固（结晶）过程，是原子由不规则排列的液态逐步过渡到原子规则排列的固态的过程。由于金属材料的各种性能取决于结晶所形成的组织。因此，了解金属结晶的过程及规律，有利于控制晶体材料内部组织和性能。2.3.1 纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的冷却曲线及过冷度 通常采用热分析法对纯金属的结晶过程进行研究。先将纯金属加热并熔化成液体，然后缓慢地冷却下来。在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度-时间坐标图中，便可获得纯金属的冷却曲线，如图2.6所示。（a）以极缓慢速度冷却 （b）在实际冷却条件下冷却图2.6 纯金属冷却曲线示意图 由冷却曲线可见，液态金属随着时间的的推移，由于热量不断向外散失，温度随之不断下降。当冷却至a点时，液态金属开始形核。在核长大的过程中由于不断释放出结晶的潜热，以此补偿散失在空气中的热量，使结晶过程中的温度不会随着时间的延长而下降，直至b点结晶结束后，温度才继续下降。a、b两点间的水平线段称为结晶阶段，所对应的温度是纯金属的结晶温度。理论上金属结晶温度（凝固点）与熔化温度二者应是同一温度，即金属的理论结晶温度（T0）。实际上，液态金属总是冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始形核结晶，如图2.5所示。实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（T0）的现象称为“过冷现象”，理论结晶温度和实际结晶温度之差，称为过冷度（T=T0-T1）。金属结晶时过冷度并不是一个恒定值，过冷度的大小与冷却速度、金属的性质及纯度有关。冷却速度越快，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低，结晶过程越滞后。在实际生产中，金属都是在过冷条件下结晶，所以过冷是金属结晶的必要条件。2.3.2 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程 在过冷的条件下，金属液冷却到结晶温度时，首先从液体中形成一些微小而稳定的固体质点，这些固体质点称为晶核。随着时间的推移，晶核不断长大的同时陆续有很多新的晶核形成，长大、直至它们互相接触，金属液全部凝固为止。最后形成了许多互相接触、外形不规则而内部原子排列规则的晶体，这些晶体称为晶粒。因此，纯金属的结晶过程是形核及晶核长大的过程。如图2.7所示。金属结晶时晶核先后形成，在不同时间内长大，所形成的晶粒大小、形状、和位向各不相同。晶粒之间最后形成过渡的界面为晶界。位向都相同的晶体称为单晶体，单晶体的性能是各向异性的。若结晶后晶体由许多晶粒组成，则被称为多晶体。多晶体内各晶粒的位向互不相同，自身的各向异性彼此抵消，显示出各向同性。（a）液体 （b）形核 （c）核长大 （d）相互接触 （e）晶体图2.7 金属的结晶过程示意图2.3.3 晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对力学性能的影响 金属的力学性能与晶粒大小有关。在室温下，金属的晶粒越细小，强度和韧度越高。因此，有效地控制金属结晶时晶粒的长大，就可以提高金属的力学性能。由金属结晶过程可知，金属晶粒大小取决于结晶时的形核率N（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度V。形核率N越大，结晶后的晶粒越多，晶粒也越细小。因此，控制结晶时的形核率N是细化晶粒的根本途径。常用的细化晶粒方法是：1增加过冷度加快金属液的冷却速度 因为形核率（N）和核长大速度（V）都随过冷度（T）增大而增大，但在很大的范围内形核率（N）比晶核长大速度（V）增长更快，因此，对于中、小型铸件，可以通过增加过冷度就能使晶粒细化。如降低浇注温度、采用水冷铸型等。2变质处理 液态金属在结晶前，往金属液中加入一定量的细小的形核剂(变质剂或孕育剂)作为人工晶核，使形核率明显增加的方法称为变质处理。如钢中加入钛、硼、铝等形核剂；铸铁中加入硅铁、硅钙等形核剂，都能起到细化晶粒的作用。3振动处理 在金属结晶过程中，采取对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，可以破碎正在长大的枝晶，得到更多的结晶核心，以此达到细化晶粒的目的。2.4 金属的同素异构转变金属的同素异构转变 有些金属在结晶成固态后继续冷却时，随着温度的变化晶格形式还会发生变化，在固态下存在两种以上的晶格形式。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体，称为该金属的同素异晶体。如图2.8所示为纯铁的同素异构转变。图2.8 纯铁的冷却曲线示意图 由纯铁的冷却曲线可见，液态纯铁在1538进行结晶时，是具有体心立方晶格的-Fe，当冷却到1394时发生同素异构转变，由体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再冷却到912时又发生同素异构转变，由面心立方晶格-Fe转变为体心立方晶格的-Fe，直至冷却到室温，晶格的类型不再发生变化。这种转变过程可以用下式表示：（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）同素异构转变是钢铁进行热处理的重要理论依据。金属发生同素异构转变与液态金属的结晶过程有相似之处：（1）同素异构转变是在一定温度下发生的转变；转变的过程也是一个形核和晶核长大的过程；（2）同素异构转变时有过冷的现象，具有较大的过冷度；还有结晶潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段；（3）同素异构转变属于固态相变，晶格变化时金属体积也变化，同时会产生较大的内应力；（4）采取控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，改变金属的性能。复习思考题复习思考题一、一、填空题 1金属的晶格类型很多，但绝大多数的金属属于 晶格、晶格和 晶格等三种典型的晶体结构。2实际金属晶体中存在着 、原子、亚晶界及晶界等结构的缺陷，造成晶体结构发生 畸变，从而引起金属材料的宏观上的塑性变形抗力增大提高金属的强度。3金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越 ，金属的实际结晶温度越 ，过冷度也就越 。4在固溶体中，保持原有晶格的组元称为 ，而晶格结构消失的组元称为 。5固溶体中溶入的溶质原子量越 ，晶格畸变越 ，固溶强化的作用就越 。6金属材料由液态变成固态的凝固（结晶）过程，是原子由 排列的液态逐步过渡到原子 排列的固态的过程。7在室温下，金属的晶粒越 ，强度和韧度越 。8当晶格常数 ,晶轴间夹角 时，称这种晶胞为立方体晶胞。9当多相合金中含有适量的金属化合物时，合金的 、和 性能明显提高。10金属发生同素异构转变与液态金属的结晶过程有相似之处：有一定的 温度；转变时有 现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个 和 长大的过程。二、判断题 1 晶体具有固定的熔点和各向异性的特征。（）2固溶体的晶格依然保持溶质的晶格类型。（）3 间隙固溶体既是有限固溶体也是无限固溶体。（）4理论结晶温度和实际结晶温度之和称为过冷度。（）5在一定的温度和压力条件下，溶质在溶剂中的熔解度主要取决于溶质与溶剂的原子半径、电化学性能以及晶格类型等因素的综合作用。（）6固溶强化是提高金属材料机械性能的重要途径之一。（）7机械混合物的强度、硬度比单一固溶体组织高，塑性、韧性不如单一固溶体。（）8 液态纯铁在1538进行结晶是，是具有面心立方晶格的。（）9纯金属的结晶过程是一个恒温过程。（）10金属在液态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。（）三、简答题：1常见的金属晶格有哪几种？绘图说明其特征。2金属的实际晶体中有哪些缺陷？它们对金属性能有何影响？3什么叫过冷度？它对金属晶粒大小及力学性能有何影响？4晶粒大小对金属力学性能有何影响？细化晶粒的方法有哪些？5如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。（1）金属模浇注与砂模浇注；（2）浇注时采用振动与不振动；（3）向液态金属加入少量微粒物质与不加物质。四、名词解释：晶体、非晶体、晶格、晶胞、晶粒、晶界、单晶体、多晶体、过冷度、同素异构转变