晶体学基础知识.ppt

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1、金属晶体学基础知识金属晶体学基础知识机械工人培训专用金属晶体学基础知识 不同的金属具有不同的力学性能，而同 一种金属在不同条件下其力学性能也是不一样的，金属材料这种性能上的差异，从本质上讲，是由其内部构造所决定的。因此掌握金属材料内部结构及对力学性能的影响，对于合理选用和加工金属材料，具有重要的意义。一 金属的结构与结晶 1 金属的晶体结构 1.1 晶体与非晶体 在物质内部，凡是 原子呈无规则排列的，称为非晶体，凡是原子做有序、有规则排列的称为晶体。1.2 晶体结构的概念 1.2.1晶格与晶胞 把每个原子看做一个点，这个点代表原子的振动中心，把这些点用直线连接起来，就形成了一个规则排列的空间格

2、子，叫作晶格。能完整的反应晶格特征的最小几何单元就叫作晶胞。1.2.2 晶格常数 不同金属原子的半径是不一样的，在组成晶胞后，晶胞的大小和形状也是不一样的。大小可用棱边长度来表示，而形状可用棱边的夹角来表示。它们统称为晶格常数。1.2.3 晶面与晶向 晶体中通过三个以上原子中心的平面叫晶面，通过两个以上的原子中心的直线叫晶向。1.3 多晶体和单晶体 单晶体是指晶体由一个晶粒组成。单晶体具有各向异性 多晶体是指晶体由多个晶粒组成。各向异性彼此互相抵消，故显示各向同性。晶体的各向异性 即沿晶向的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各

3、向异性。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。1.4 金属晶格类型 1.4.1 体心立方晶格 它的晶胞是立方体，在它的八个顶点上各有一个原子，中心还有一个原子。属于这种晶体结构的金属有：-Fe Cr V Nb W Mo等。1.4.2 面心立方晶格 其晶胞是立方体，在八个顶点上各有一个原子，在六个面的中心还各有一个原子。属于这种晶体结构的金属有：-Fe Ni Cu Al Ag等。1.4.3 密排六方晶格 属于这种晶体结构的金属有Be Mg Zn -Ti等。1.4.4 晶

4、胞原子个数计算 1.5 金属晶体缺陷 金属材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中出现了不规则现象，称为晶体缺陷。1.5.1 点缺陷 点缺陷主要包括空位与间隙原子1 空位 2 间隙原子 从图中可以看到，在空位和间隙原子存在的地方，由于在缺陷处原子之间的张力相对正常时产生了变化，从而导致晶格常数有所改变，这种现象叫作晶格畸变。1 空位 2 间隙原子 1.5.2 线缺陷线缺陷是指位错。如果在晶体中某处有一列和若干列原子发生有规律的错排现象叫作位错。位错有刃形位错和螺形位错。右面为刃形位错 螺形位错 1.5.3 面缺陷 面缺陷是指晶界和亚晶

5、界。实际晶体多为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体组成的，这些小晶体的晶体结构完全相同，但彼此之间的排布取向不同，称为位向差（一般为几度或几十度）晶粒之间的接触面称为晶界。1.5.4 金属晶体缺陷对金属的强化作用。2 纯金属的结晶 由液态金属原子的不规则排列逐步过渡到规则排列（晶体状态）的过程就是金属的结晶过程。控制金属结晶过程已经成为提高金属性能的主要手段之一，同时，金属的结晶过程也是一个重要的相变过程 2.1 纯金属理论结晶温度和过冷度 纯金属在冷却时开始结晶的温度与金属在加热时的熔点是相同的，通常称它为理论结晶温度。在相变过程中金属结构发生变化的温度称为临界温度，简称临界点。金属的结晶温

6、度也是临界点。过冷度 在实际生产中，液态金属结晶总是低于理论结晶温度，这种现象叫过冷现象。实际结晶温度与理论结晶温度之差叫过冷度。2.2 纯金属的结晶过程 在冷却过程中液态金属冷却至结晶温度时，不断在液态金属内部形成一些极微小的晶体，并吸引周围的液态原子进行规则排列，小晶体不断地向液态中长大，直至液态金属全部消失为止。2.3 晶粒大小对力学性能的影响及细化晶粒的方法 金属内部晶粒越细小，晶界就越多，晶格畸变越多，则强度硬度越高，同时，塑性和韧性也越好。常用细化晶粒的方法有：2.3.1 增加过冷度 2.3.2 变质处理 2.3.3 附加振动 3 金属的同素异构转变 有些金属在固态下具有两种以上的

7、晶格形式，这种现象叫同素异构现象。此种金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的现象叫同素异构转变。具有这种性能的金属有铁、鈷、锡、锰等。按温度由低到高依次用希腊字 表示。3.1 纯铁的同素异构转变 液态纯铁在1538时进行结晶，得到了具有体心立方晶格的-Fe-Fe,继续冷却到13941394时，发生同素异构转变，-Fe-Fe转变成为体心立方晶格的-Fe-Fe,再冷却到912912时，又发生同素异构转变，-Fe-Fe转变成-Fe-Fe。如再冷却到室温，晶格类型不再发生变化，纯铁冷却曲线与组织转变 4 金属的铸态组织 金属铸锭的铸态组织有三个不同特征的晶粒区。4.1 表面细晶粒表面细晶粒区。4.2 柱状晶粒柱状晶粒区。4.3 中心等轴中心等轴晶粒区。如果冷却速度很快，柱状晶粒迅速向中心发展，贯穿整个铸锭，这种组织叫穿晶。大多数焊缝组织都有比较粗大的穿晶组织。铸锭中三层不同的铸态组织，具有不同的性能。