机械工程材料-第二章-金属的晶体结构与结晶

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物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
1.晶体，我们称之为结晶； 2.非晶体，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。
结晶是由一种相(液相)转变为另一种相(固相)的过程， 即是相变过程。
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一、冷却曲线和过冷度
结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度(△T)，即△T=T0—T1。
均匀长大
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二、合金的晶体结构
1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。
组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。
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1）置换固溶体
溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶体。
置换固溶体
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2）间隙固溶体
溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。 由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然造成溶剂晶格的畸变。
组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间隙。 影响因素：原子半径和溶剂结构。 溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体（间隙有限）。
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（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。 1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。 如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较 小的非金属元素形成的金属化合物。
温
冷速越大，过冷度越大
度
理论冷却曲线
To
结晶平台(是由结晶潜热导致)
T1
实际冷却曲线
孕育期
纯金属结晶时的冷却曲线 时间
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结晶过程:晶核形成和晶核长大两个基本过程。
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
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① 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。 ② 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。 ③ 每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
3a 4
原子个数：2
致密度：68%
常见金属： Fe 、铬、钨、钼、钒等
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（2）面心立方晶格
面心立方晶格的晶包也是一个立方体，立方体的八个 顶角和六个面的中心各排列着一个原子。
属于这种晶格类型的金属有Al、Cu 、Ni、Pb、Au、Ag、γ -Fe等 。
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面心立方晶格
γ -Fe
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合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
相:合金中结构相同、成分、性能均匀的组成部分（和其他部分以界面分开）。
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2.合金的基本相
合金中的相按结构可分为：固溶体、金属化合物。
（1）固溶体
• 固溶体是指合金中两组元在固态下相互溶解而形成的均匀固相。 • 溶剂是组成固溶体的两个组元中，能够保持其原有晶格类型的组元； • 溶质是失去原有晶格类型的组元。 • 特征：固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型。
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点缺陷造成晶格畸变，使金属强度、硬度、电阻率增加，塑性、韧性下降。
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（2）线缺陷
呈线状分布的缺陷，主要是各种位错。 晶面上下两部分晶体间产生原子错排现象，称为位错。 位错密度增加，能提高金属强度。
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（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
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• 晶核的形成方式
• 自发晶核:晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成。 • 非自发晶核 :晶核依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形成。 • 自发晶核和非自发晶核同时存在，但非自发晶核起优先、主导作用
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晶核的长大方式—树枝状
（1）均匀长大：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行。 （2）树枝形式长大：实际冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，由于 晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。
第二章 金属晶体机构与结晶
2.1 晶体结构 2.2结晶
2.3铁碳合金相图
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金属的性能主要是由金属内部组织结构决定的。 因此，了解金属内部结构及其对金属性能的影
响、对选用和加工金属材料有重要的意义。
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一、纯金属的晶体结构 1.晶体结构的基本知识
（1）晶体与非晶体
晶体的原子是按一定的几何形状作有规律的重复排列，如金刚石、 石墨、冰、固态金属与合金等，晶体有固定熔点。
（3）密排六方晶格
密排六方晶格的晶包是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、 下面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Mg、 Zn 、Be、α -Ti等 。
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密排六立方晶格
晶格常数：底边长a，高c 原子半径： r 1 a
2
原子个数：6 致密度：74%
常见金属： Ti 、镁、锌、铍等
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3. 多晶体结构
晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体称为单晶体。 由许多小晶体组成的晶体称为多晶体。 晶格排列方向基本相同的小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。
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4. 纯金属的实际晶体结构
晶体缺陷：晶体中原子规律排列受到破坏的区域，称为晶体缺陷。
（1）点缺陷
呈点状分布的缺陷，常见的有晶格空位、间隙原子、置换原子。
非晶体的原子是无规律杂乱地堆积在一起，如玻璃、沥青、松香等， 非晶体没有固定的熔点。
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（2）晶格与晶胞
用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶格。 晶格中直线的交点称为结点。
晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞。
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晶向
晶格中由原子所组成的任一直线，代表晶体空间的一个 方向。
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晶面
晶格中各方位上的原1）体心立方晶格
体心立方晶格的晶包为一个立方体，立方体的八个顶角各排 列着一个原子，立方体中心有一个原子。
属于这种晶格类型的金属有Cr、W、Mo、V、α -Fe等 。
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体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径：r