金属与合金的晶体结构与结晶(精)
金属与合金的晶体结构与结晶
一、填空
1、自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为_____和________两大类。
2、金属的晶格类型主要有___________、___________、____________三大类。
3、晶体的缺陷主要有_______、_______、__________。
4、纯金属的结晶过程包括____________和___________两个过程
5、根据溶质原子在溶剂中所占位置不同，固溶体可分为_________和_________两种。
二、简答
1、晶体与非晶体的主要区别是什么？
2、什么是过冷度？影响过冷度的主要因素是什么？
3、晶粒的大小对材料的力学性能有何影响？如何细化晶粒？
参考答案
一、1、晶体非晶体2、体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格
3、点缺陷线缺陷面缺陷
4、晶核的形成晶核的长大
5、置换固溶体间隙固溶体
二、1、答：晶体在固态下原子在物质内部做有规则排列，而非晶体在固态下物质内部原子
成无序堆积状态。
2、答：过冷度是指晶体的理论结晶温度和实际结晶温度之差。影响过冷度的主要因素
是冷却速度，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度越底。
3、答：金属的晶粒大小对其力学性能有重大影响，一般来说，细晶粒金属比粗晶粒金
属具有较高的强度和韧性。细化晶粒的主要措施：
1）增加过冷度2）液态金属在结晶前加入变质剂进行变质处理。
金属与合金的晶体结构
第二章金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1、晶体与非晶体 晶体——原子规则排列的集合体 非晶体——原子无规则堆积的集合体 晶体特征：固定的熔点，各向异性 2、晶格与晶胞 晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元 3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度 晶面：晶格中各方位的原子面 晶向：任意两个原子连线所指的方向 第二节纯金属的实际晶体结构 α-Fe [100] E=135000N/mm2 [111] E=290000 N/mm2 实际测定 E=210000 N/mm2 一、多晶体结构 单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面 二、晶体缺陷 1、点缺陷——空位和间隙原子 点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑ 空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主 要方式之一。温度↑，空位↑ 2、线缺陷——位错 位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2)
增加或减小，可以提高强度 3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：晶格畸变→强度高 原子能量高→熔点低，易腐蚀，原子扩散快 晶粒细→晶界面积大→强度高 亚晶界：晶粒内小位向差（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界 第三节合金的晶体结构合金的基本概念 合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。 组元：组成合金的基本物质。 相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分 单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金 组织：相的聚合体。 ( 单相组织，多相组织，) 二、合金的相结构 合金相结构——固溶体和金属化合物。 1、固溶体 固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素 有限固溶体：溶解度有一定限度——有限互溶 无限固溶体：溶解度无一定限度——无限互溶（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类： 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中 固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高 (仍保持良好的塑性和韧性) 2、金属化合物 特征： ?有金属性质 ?晶体结构不同于任何组元 ?成分可用分子式表示Fe3C 性能：硬，脆，熔点高 弥散强化（第二相强化）： 当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上， 可使合金的强度↑↑，硬度↑↑，耐磨性↑↑ 调整合金性能的途径： ?改善固溶体溶解度 ?改变化合物形状、数量、大小、分布
二元合金的相结构与结晶 - 答案
第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG
常见的金属晶体结构
第二章作业 2－1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。 4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（～×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（～×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工 4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想为什么（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法 1、2 都可以，用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。 4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。 4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗
最新第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案
第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG
纯金属与合金的晶体结构
淮安信息职业技术学院教案首页 一、章节：第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构 二、教学目的：使学生了解纯金属与合金的晶体结构，晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 三、教学方法： 讲授法。 四、教学重点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 五、教学难点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 六、使用教具： 挂图。 七、课后作业： P17：1、2、6。 八、课后小结：
第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1．晶体与非晶体 晶体内部的原子按一定几何形状作有规则地重复排列，如金钢石、石墨及固态金属与合金。而非晶体内部的原子无规律地规律地堆积在一起，如沥青、玻璃、松香等。 晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。 2．晶体管格与晶胞 为便于分析晶体中原子排列规律，可将原子近似地看成一个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，便形成一个空间格子。 晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中的规则排列方式的空间几何图形。结点——晶格中直线的交点。 晶胞——晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。
晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱长a、b、c（单位，1A=108cm）和棱边夹角来描述，其中a、b、c称为晶格常数。 各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。 二、常见的晶格类型 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。其晶格常数a=b=c。属于这种晶格类型的金属有α铁、铬、钨、钼、钒等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、铝、铜墙铁壁、镍、金、银等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等、α－Ti。 晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。体心立方晶格的致
合金的晶体结构与结晶过程
第八节合金的晶体结构与结晶过程 一、基本概念 ●组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 ●由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。 ●相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。 ●组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 二、合金的晶体结构 根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。 （一）固溶体 ●合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。 根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。 1．置换固溶体 ●溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。 按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。 a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体 图1-32 固溶体的类型 2．间隙固溶体 ●溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合
金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。 a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子） 图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变 （二）金属化合物 ●金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。 金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。 （三）机械混合物 ●由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。 在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。 三、合金结晶过程 合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点： （1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。 （2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。 （3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。 四、合金结晶冷却曲线 合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：
第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案
第三章二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指组成合金最基本的、独立的物质。 3．固溶体的定义是在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成置换固溶体。C 、N 则形成间隙固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要差些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相，其反应式为L →a+β 8．匀晶反应的特征是，其反应式为 9．共析反应的特征是，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为有限固溶体和无限固溶体 11．合金的相结构有固溶体和金属化合物两种，前者具有较高的塑性变形性能，适合于做基体相；后者有较高的高硬度性能，适合于做增强相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应B A C L γα?+；DEF 共晶反应F D C L βγ+?；GHI 共析反应I G H βαγ+?； ①L +α；②γα+；③βα+；④βγ+；⑤L +γ；⑥β+L ； 13．相的定义是，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型相同，而间隙相的晶体结构与溶剂组元晶体结构不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式E C D βαγ+?；有限固溶体βα、、无限固溶体γ。 液相线，固相线，固溶线CF 、EG
16．接近共晶成分的合金，其铸造性能较好；但要进行压力加工的合金常选用匀晶成分的合金。 17．共晶组织的一般形态是片状。 (二)判断题 1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。( N) 2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。( Y) 3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关系。( Y) 4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。( Y) 5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。( Y ) 6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。( Y) 7．共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。( N) 8．初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。( Y ) 9．根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。( Y ) 10．亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。( Y ) 11．过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。( Y) (三)选择题 1．固溶体的晶体结构是A A．溶剂的晶型B．溶质的晶型 C 复杂晶型D．其他晶型 2 金属化合物的特点是C A．高塑性B．高韧性 C 高硬度D．高强度 3．当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生D A．匀晶偏析 B 比重偏析C．枝晶偏析D．区域偏析 4．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是C A．由单相组成 B 两相共存 C 三相共存D．四相组成 5．当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为C A. α+βB．(α＋L) C．(α+β) D．L＋α+β 6．具有匀晶型相图的单相固溶体合金B A．铸造性能好B．锻压性能好 C 热处理性能好D．切削性能好 7．二元合金中，共晶成分的合金A A．铸造性能好 B 锻造性能好 C 焊接性能好D．热处理性能好 8．共析反应是指B A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ B 固相→固相Ⅰ+固相Ⅱ C．从一个固相内析出另一个固相 D 从一个液相中析出另一个固相 9．共晶反应是指A
金属与合金的结晶及组织
金属与合金地结晶及组织 绝大多数地固态金属及其合金是山液态金属得到地,金属和合金由液态转变为固态地过程称为凝固.凝固过程主要是晶体或晶粒地生成和长大过程,所以也称结晶.结晶以后地组织对固态金属组织及合金地力学.物理和化学性能有决定性地影响.因此,掌握结晶过程地规律,特别是组织地形成和变化规律以及和性能之间地联系,将有助于我们利用这些规律,去改进金属地组织,从而得到所要求地性能. 3．1 液态金属地结构 金属,特别是合金,类型很多,加之实际生产中所采用地铸造工艺类型又是多种多样地,所以结晶过程可说是变化多端地.但只要进行分类归纳抓住主要典型,并从中概括出根本性地带有规律性地东西,就可起到举一反三,由此及彼地效果. 3．1．1 结晶地基本类型 结晶是物质状态地转化,当然也属于相变地范围.不言而喻,在结晶过程中,必然要发生结构地变化,但对合金来说,同时还可能发生化学成分地变化.根据这个特点,理论上可将结晶分为两大类. 3．1．1．1 同分结晶 其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分完全一样,或者说,在结晶地过程中只发生结构地改组而无化学成分地变化.纯金属以及成分恰处同一相图中地最高点或最低点地那些合金(包括固溶体和化合物),即重合为一点地合金其结晶都属于这一类,也可以把它看作是纯聚集状态地转变. 3．1．1．2 异分结晶 其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分不—…样,或者说,在结晶过程中,成分和结构同时都发生变化,也称为选分结晶.绝大部分合金,特别是实际应用地合金地结晶,大多可归于这一类.显然,这——类结晶过程较复杂,但它与实际生产关系甚大. 此外,也可以根据结晶后地组织特点,而将结晶分为以下两类： A 均晶结晶其特点是结晶过程中只产生一种晶粒,结晶后地组织应由单一地均匀晶粒组成,即得到单相组织.同分结晶地金属和合金当然屑于这一类,但不少异分结晶地合金,例如固溶体合金系或边际固溶体地合金其结晶也属此类. B 非均晶结晶其特点是结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上地成分和结构都不相同地晶粒.各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分合金地结晶属于此类.铸态合金地复相组织大多由此而形成. 3．1．2 液态金属地结构 结晶是在液态金属中发生地,液态金属地结构对金属地结晶必然有密切地关系.19世纪末期,人们常常把液态和固态金属对立起来,而把液态看成和气态相似,即认为液态中原子间(金属是离子)地作用力很弱,各个原子(离子),都在无规律地运动着.到20世纪初,在对金属地固态.液态和气态性质研究后,特别是x射线分析方法对液态金属地结构进行地研究,证明了上述关于液态金属结构地概念是不正确地.根据新地概念,人们认为液态金属地结构和固态金属地结构是近似地.这是因为：金属由固态转变为液态时,其比容改变不大.这说明熔化引起地原子间地距离改变不大. 液态金属具有电子式地导电性,同时温度越高,导电性越低,这说明液态金属仍然保持着固态金属所固有地金属性.或者说液态金属中公有化电子和离子间地金属结合仍然存在,并且相互作用力与固态金属相似. 金属地熔化潜热和蒸发潜热相差很多.前者仅为后者地5％+10％.这说明当金属由固态变为液态时,与液态变为气态时相比较,原子结合力变化是很小地. 液态金屑与固态金属地摩尔热容量相差不多.例如,铁在固态时地摩尔热容量cp＝
金属和合金凝固简明教程
第三章 金属和合金的结晶 通常我们把液态金属转变为固态金属的相变过程称为结晶。为了更好地研 究结晶的规律，我们首先研究纯金属的结晶。 第一节 纯金属的结晶过程 一、金属结晶的现象 如果我们把熔融的金属液体 防入一个散热缓慢的容器中，让 金属液体以极其缓慢的速度进行 冷却，同时记录其温度—时间变 化曲线即冷却曲线。通过对冷却 曲线的分析，我们可以了解以下 一些现象。 1、结晶过程伴随着潜热的释放 从冷却曲线上可以见到一个结晶温度平台，这说明在该时间段内，金属内部有热量释放弥补了热量的散失，我们把这个热量称为结晶潜热。冷却曲线上结晶平台的温度称为实际结晶温度T 0。 2、结晶时液体必须具有一定的过冷度 在结晶发生时，实际结晶温度并不是金属的熔点。如果我们把金属的熔点称为理论结晶温度的话，那么实际结晶温度要低于理论结晶温度。这两者之差称之为过冷度?T，?T 随着冷却条件和液体杂质的含量不同，可以在很大的范围内变化。但是对于一定的金属液体来说，?T 存在着一个最小值称为 亚稳极限?T *。如果过冷度小于 这个值，结晶几乎不能进行或以 难于察觉的速度进行，液体可以 长期保持在亚稳状态；大于这个 值，液体才能以可观的速度进行 着结晶。这个极限值与液体的纯 洁程度有着很大的关系，最高可 达熔点的0.2左右，即?T *=0.2T m 。 金属结晶时，是一个系统能
量降低的过程。在理论结晶温度时，液态金属的自由能与固态金属的自由能相等，所以结晶不能进行。只有当温度低于熔点时，固态自由能低于液态的自由能，结晶才能进行。液态金属与固态金属的自由能之差，就是促使这个转变进行的驱动力。 ????G G G G H TS H TS H H T S S L S L L S S L S L S =?=???=???（）（） 当结晶温度T=T m 时，?G S V =0 ??H T S S T m m L S =?=() 当T 第三讲纯金属的晶体结构 1.典型金属的晶体结构 考点再现：这一部分08年09年10年都有所涉及，10年考了晶胞致密度的概念，这部分以名词解释，填空为主，需要在理解的基础上记忆，但是总体上说难度不大，但是却很重点。考试要求：记忆，特别是理解基础上的记忆，对于一些内容需要会一定的推导。 知识点： 晶胞中的原子数：完全属于该晶胞的原子数。★★★ 配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数（CN）。★★★★ 致密度：晶体结构中的原子体积占总体积的百分比（k）。★★★★ 八面体间隙：位于6个原子所组成的8面体中间的间隙。★★★ 四面体间隙：位于4个原子所组成的4面体中间的间隙。★★★ 典型金属晶体结构有（面心立方fcc），（体心立方bcc），（密排六方hcp）★★★★★ fcc bcc hcp 面心立方结构n = 8×1/8 + 6×1/2 = 4 体心立方结构n = 8×1/8 + 1 =2 密排六方结构n = 12×1/6 +2×1/2 +3 = 6 三种典型金属晶体结构特征 晶体类型原子密排面原子密排方 向晶胞中的原 子数 配位数CN 致密度K A1（fcc）{111} <110> 4 12 0.74 A2（bcc）{110} <111> 2 8，（8+6）0.68 A3（hcp）{0001} <11-20> 6 12 0.74 对于金属晶体结构的这一部分的主要内容都集中在这个表上，在这些方面里，我们更加侧重密排面和密排方向以及致密度的掌握，这是本讲内容的一个重点。 而对于本讲的另一个重点就是关于间隙问题的讨论。 我们知道位于6个原子所组成的8面体中间的间隙。位于4个原子所组成的4面体中间的间隙。单8面体间隙和四面体间隙时如何排布的呢，我们由图可以清楚的了解。 纯金属的晶体结构 1．三种常见的金属晶体结构 固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。 晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。 常见的金属晶体结构有 ⑴体心立方晶格（BCC—Body-Centered Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、α-Fe等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。 ⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。 ⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal Close-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，如图3所示。 图1面心立方晶格图2体心立方晶格图3密排六方晶格 原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4： 图 4 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90° 晶胞原子数：2 原子半径： 致密度：0.68 面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5： 图 5 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90° 晶胞原子数：4 原子半径： 第二章 金属与合金的晶体结构与结晶 第一节 金属的晶体结构 自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。晶体与非晶体的区别表现在许多方面。晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。在一般情况下的固态金属就是晶体。 一、晶体结构的基础知识 （1）晶格与晶胞 为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1） 晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。 （2）晶胞表示方法 不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示， 称为晶格常数。晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===?时，这种晶胞称为简单立方晶胞。 （3）致密度 金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。 二、三种典型的金属晶格 1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。 2、面心立方晶格晶胞示 意图见图2-2b。它的晶胞也是 一个立方体，立方体的8个顶 角和立方体的6个面中心各有 一个原子，其单位晶胞原子数 为4个，其致密度为0.74（原 子排列较紧密）。属于该晶格类 型的常见金属有Al、Cu、Pb、 Au、γ-Fe等。 3、密排六方晶格它的晶 胞是一个正六方柱体，原子排 列在柱体的每个顶角和上、下 底面的中心，另外三个原子排 列在柱体内，晶胞示意图见图 2-2c。其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。 三、金属实际的晶体结构 前面讨论的金属结构是理想的结构，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。 1、金属的多晶体结构实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体 第二章作业2－1 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？V、Mg、Zn 各属何种结构？答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法1、2 都可以，用方法3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因？答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因？答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同？答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共 第一章金属的晶体结构与结晶 第一节金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念 1、晶体 组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等 2、非晶体 组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。 晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。 图1-1 晶体、晶格与晶胞示意图 按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为几何（球体）模型、晶格模型和晶胞模型。 3、晶体的球体模型 就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而成。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。 4、晶格 为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象 的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。晶体中的每个点叫做结点。 5、晶胞 晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。 6、晶格常数 晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2.1（c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(?)为单位来表示(1?=10-8cm)。 当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。 二、金属材料的特性 1、金属材料 金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。 金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。 2、金属键 金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仑引力），这种结合方式称为金属键。 3、金属特征 金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征： ①良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。 ②正的电阻温度系数： 金属及合金的回复与 再结晶 金属及合金的回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷塑性变形以前的过程。晶粒仍保持伸长的纤维状． 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。 回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低 储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10％）变形功．形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。 储存能存在形式：弹性应变能（３％～１２％）＋点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的８０～90％。 力学性能的变化 在回复阶段：强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高．在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降，塑性大大提高．在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降 另外，金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。 回复过程及其动力学特征 回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程．回复的程度是温度和时间的函数．温度越高，回复的程度越大．温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加．但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。 回复机制 低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。 中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。 高温回复时，主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移，发生多边化，使错密度有所降低，降低系统部分内应力，从而使硬度、强度略有下降，塑性、韧性得到改善。 回复过程中亚结构（胞状亚结构）的变化 金属材料经塑性变形后形成胞状亚结构，胞内位错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。经短暂回复退火后，空位浓度大大下降，胞内的位错向胞壁滑移，与胞壁的异号位错相抵消，位错密度有所下降．随着回复的进一步进行，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网络，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶界通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降．回复温度越低，变形量越大，则回复后的亚晶粒越细小． 再结晶形核机制 亚晶长大形核机制（适用于大变形度）因在回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒就会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核，这种亚晶成为再结晶晶核的方式有两种： １）亚晶界移动形核它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。 ２）亚晶合并形核相邻亚晶界上的位错，通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，终于使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。晶界凸出形核机制（变形度约小于４０％）又称为晶界弓出形核。由于变形度小，所以金属的变形不均匀，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒第3讲纯金属的晶体结构
纯金属的晶体结构
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
常见的金属晶体结构
第一章金属的晶体结构与结晶 教案
金属及合金的回复与再结晶教学文稿