金属材料与热处理高职层次精选文档.ppt

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1、金属材料与热处理高职层次本讲稿第一页，共四十一页第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 Metallography and heat-treatment 多媒体教学课件多媒体教学课件课件制作：王晓丽课件制作：王晓丽本讲稿第二页，共四十一页本章目的：本章目的：1 建立金属晶体结构的理想模型；建立金属晶体结构的理想模型；2 揭示金属的实际晶体结构；揭示金属的实际晶体结构；本讲稿第三页，共四十一页1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 1晶体晶体 非晶体非晶体 所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体非晶体非晶体则反之。则反之。非晶体非晶体

2、晶体晶体特点：特点：晶体晶体有熔点；有熔点；具有具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。金属等。非晶体非晶体无熔点；无熔点；各各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。向同性。如：玻璃，松香，沥青等。本讲稿第四页，共四十一页2.晶格与晶胞晶格与晶胞晶格：晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶晶胞：胞：组成晶格最基本的几何单元。组成晶格最基本的几何单元。abc晶晶 胞胞 示意图示意图原子原子3.晶格常数晶格常数a,b,ca=b=c且互垂直且互垂直表示晶胞几何形状大小晶胞几何形状大小晶体中的原子排列晶体中的原子排列晶面晶面结点结点形

3、成的原因形成的原因：各原子之间各原子之间相互吸引力相互吸引力与排斥力相与排斥力相平衡结果。平衡结果。本讲稿第五页，共四十一页二、常见的二、常见的晶格类型晶格类型1.体心立方晶格体心立方晶格bodycentered cubic lattice特点特点：b 较好。如：较好。如：912 Fe,Cr,Mo,V等。等。含有含有2个原子体积组成。个原子体积组成。2.面心立方晶格面心立方晶格 facecentered cubic lattice特点特点：较好。如：较好。如：912 Fe,Cu,Al 等金属等金属。含有含有4个原子体积组成个原子体积组成。本讲稿第六页，共四十一页3.密排六方晶格密排六方晶格 h

4、exagonal closepacked latticehexagonal closepacked lattice特点特点：硬度高硬度高、脆性大脆性大。如：锌。如：锌(Zn),镁镁(Mg),镉镉(Cd)等金属等金属。abCa=bc4.晶格致密度晶格致密度原子排列的紧密程度原子排列的紧密程度。致密度致密度=原子体积原子体积晶胞体积晶胞体积43 r3a3结果：体心结果：体心=0.68面心面心=0.74六方六方=0.74原子半径原子半径 r=?本讲稿第七页，共四十一页（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，

5、并且在立方体的体中心还有一个原子。方体的体中心还有一个原子。晶格常数晶格常数a=b=ca=b=c，通常只用，通常只用a a表示表示 这种晶胞在其立方体的对角线这种晶胞在其立方体的对角线 方向上原子是紧密接触排列着方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度方向上所分布的原子数目为的。故其对角线长度方向上所分布的原子数目为2 2，这样可计，这样可计算出其原子半径算出其原子半径?在这种晶胞中，每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶在这种晶胞中，每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。胞所共有。实际上每个体心立方晶胞中仅含有：实际上每个体心立方晶胞中仅含有：?个个原子。原子。本讲稿第八页，共四十

6、一页体心立方晶格的致密度：即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。属于这种体心立方晶格的金属有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。本讲稿第九页，共四十一页（2）面心立方晶格）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。晶格常数a=b=c，通常只用a表示在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，因而其原子半径：又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有：个原子。本讲稿第十页，共四十一页（2）面心立方晶格）面心立方晶格面心立方晶格的致密度：即有74%的体积被原子占有，其余的为空隙。属于

7、这种晶格的金属有：Fe(912,-Fe)、Al、Cu、Ni、Pb等。本讲稿第十一页，共四十一页（3）密排六方晶格）密排六方晶格密排六方晶格由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。晶格常数abc，c/a=1.633密排六方晶格晶胞中所含原子数：个原子致密度K=0.74属于这种晶格的金属有Be、Mg、Zn、Cd等。除以上三种晶格以外，少数金属 还具有其它类型的晶格，但一般 很少遇到。本讲稿第十二页，共四十一页三、晶面及晶向指数三、晶面及晶向指数在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，这样有必要

8、给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。晶面指数与晶向指数是如何确定？本讲稿第十三页，共四十一页三、晶面及晶向指数三、晶面及晶向指数（1）晶面指数的确定）晶面指数的确定 如图如图1-10 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；需确定的晶面在三坐标轴上的截距

9、；将所得三截距之值变为倒数；将所得三截距之值变为倒数；再将这三个倒数按比例化为最小整数并加再将这三个倒数按比例化为最小整数并加 上一圆括号即为晶面指数。上一圆括号即为晶面指数。一般表示形式：（一般表示形式：（hkl)。本讲稿第十四页，共四十一页（1 1）晶面指数的确定）晶面指数的确定）晶面指数的确定）晶面指数的确定1PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，；截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）2AGE面：截距1，1，1；倒数1，1，1，晶面指数（111）3DBEG面：截距1，1，；倒数 1，1，0，晶面指数（110）4DCFG面：截距1，；倒数1，0，0，晶面

10、指数（100）值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中 所有那些与其相平行的位向相同的晶面。在一种晶格中，如果某些晶面，虽然 它们的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）及（001）等，这时 若不必要予以区别时，可把这些晶面统一 用100表示。即：（hkl)这类符号系指某一确定位向的 晶面指数；而hkl则可指所有那些位向不同而原子排 图2-11晶面指数的确定列相同的晶面指数。本讲稿第十五页，共四十一页（2）晶向指数的确定晶向指数的确定 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；求出该直线上任意一点的三个坐标值；将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，

11、即为所求的晶面指数，其一般形式uvw。如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP,其上任一点的坐标（110）,这样所求AB的晶向指数即为110；OB：本身过原点不必作平行线，其上任一 点的坐标（111），其晶向指数111；OC：其上任一点C的坐标（100），其晶相指数100。同理：OD晶向指数010,OA为001。同样 100代表方向相同的一组晶向,而则代表方向不同但原子排列 相同的晶向。本讲稿第十六页，共四十一页 2 实际金属的结构实际金属的结构（1）单晶体与多晶体）单晶体与多晶体单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的

12、内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。本讲稿第十七页，共四十一页（1 1）单晶体与多晶体）单晶体与多晶体）单晶体与多晶体）单晶体与多晶体对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。单晶体 多晶体

13、 本讲稿第十八页，共四十一页（2）晶体缺陷）晶体缺陷在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。图2-14点缺陷示意图本讲稿第十九页，共四十一页当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。本讲稿第二十页，共四十一页线缺陷原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。位错可认为是晶格中一部分晶体相

14、对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。本讲稿第二十一页，共四十一页本讲稿第二十二页，共四十一页实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度：单位体积中位错线的总长度,或单位面积上位错线的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错 密度有如图2-16的对应关系,当晶体中位

15、错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。金属强度与位错密度的关系本讲稿第二十三页，共四十一页面缺陷原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。面缺陷本讲稿第二十

16、四页，共四十一页 面缺陷面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图下图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。本讲稿第二十五页，共四十一页面缺陷面缺陷:孪晶孪晶图2-18 孪晶示意图本讲稿第二十六页，共四十一页3 金属的结晶金属的结晶一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。液态金属与固态金属

17、的主要差别在于：液态金属无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程排列”不同的“近程排列”。本讲稿第二十七页，共四十一页1.结晶时的过冷现象各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。Fe：1539，Cu：1083等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。实际结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。本讲稿第二十八页，共四十一页图中以自由能F代表体系的能量，只有

18、当固态金属的自由能低于液态金属的自由能，即:体系自由能变化F=F固F液0时,结晶过程才能自发进行。从温度坐标上看，只有实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0，结晶过程才能自发进行。这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。两者之间的温度差T称为过冷度。即:T=T0Tn。过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度T愈大。液体和固体的自由能随温度的变化本讲稿第二十九页，共四十一页2、冷却曲线与过冷度、冷却曲线与过冷度TT0T1时间时间O冷却曲线冷却曲线平台：平台：结晶过程时间结晶过程时间。是结晶时放出的热（潜热）造成的。是结晶时放出的热（潜热）造成的。T0理论结晶温度理

19、论结晶温度T1实际结晶温度实际结晶温度T0T1=T 过冷度过冷度过冷是结晶的必要条件！过冷是结晶的必要条件！Ttemperation本讲稿第三十页，共四十一页本讲稿第三十一页，共四十一页本讲稿第三十二页，共四十一页二、结晶过程的基本规律二、结晶过程的基本规律二、结晶过程的基本规律二、结晶过程的基本规律1.形核和核长大金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。形

20、核有自发形核和非自发形核两种方式，自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展。本讲稿第三十三页，共四十一页形核和核长大形核和核长大本讲稿第三十四页，共四十一页金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶本讲稿第三十五页，共四十一页2.影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素晶

21、粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有：形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。1）过冷度：T大，F大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图2-272）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。3)机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动

22、、电磁搅拌等。本讲稿第三十六页，共四十一页2 影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素图2-28 成核速率、长大速度与过冷度的关系本讲稿第三十七页，共四十一页4金属铸锭的组织金属铸锭的组织铸锭结晶组织1表层细晶区表层细晶区2中间柱状晶区中间柱状晶区3中心等轴晶区中心等轴晶区本讲稿第三十八页，共四十一页4金属铸锭的组织金属铸锭的组织其组织是由三层不同形状的晶粒组成、表面细晶粒区由于模壁温度较低，造成较大过冷度及模壁的人工晶核作用，使晶粒组织致密成份较均匀。、柱状晶粒区组织较致密（树枝分枝较少），性能有方向性，脆性大。由于垂直于模壁方向散快，

23、成长不相互抵触。、中心等轴粗晶粒区组织较疏松（有显微缩孔，但热压力加工时可焊合）。由于中心散热困难，温度趋于均匀冷却状态，未熔杂质及细碎枝晶使之形核。金属铸锭除组织不均匀外，还存在各种铸造缺陷，如缩孔，疏松，气泡、偏析（表面杂质少，中心杂质多）等。本讲稿第三十九页，共四十一页习题与思考题习题与思考题1 什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在结构与性能上的差别。结构与性能上的差别。2 金属常见的晶体结构由哪几种，金属常见的晶体结构由哪几种，Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等等各属于哪种晶体结构？各属于哪种晶体结构？3 在体心立方晶胞中

24、画出以下晶面或晶向：在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（121）（）（101）（）（321）（）（121），），121101321121 本讲稿第四十页，共四十一页4 金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过冷度？么叫过冷度？5 晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小的主要因素是什么？铸造实际中如何控制金属晶粒大小？的主要因素是什么？铸造实际中如何控制金属晶粒大小？何谓变质处理？何谓变质处理？6 金属铸锭的组织有何特点，存在哪些缺陷？金属铸锭的组织有何特点，存在哪些缺陷？7 讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实际结构讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实际结构是怎样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是是怎样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是否是性能上的缺陷？否是性能上的缺陷？本讲稿第四十一页，共四十一页