《机械制造基础》纯金属晶体结构
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机械工程材料-第二章-金属的晶体结构与结晶
2-2
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。
2-2
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
2-1
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。
2-1
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
2-1
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）。
2-1
（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。
《机械制造基础》电子课件_Part9
§2-1 金属的晶体结构
三、金属的实际晶体结构
① 单晶体与多晶体 单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任 何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多 种晶体缺陷。
② 金属的晶体缺陷
Ⅰ、点缺陷 Ⅱ、线缺陷 Ⅲ、面缺陷
§2-2 金属的结晶
第二节 金属的结晶
物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种 凝固又称为结晶。 1、冷却曲线与过冷现象 2、金属的结晶过程
3、晶粒大小对金属力学性能的影响
4、细化晶粒的法
① 增加过冷度 ② 进行变质处理 ③ 附加振动
三、金属的实际晶体结构
① 单晶体与多晶体 单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任 何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多 种晶体缺陷。
② 金属的晶体缺陷
Ⅰ、点缺陷 Ⅱ、线缺陷 Ⅲ、面缺陷
§2-2 金属的结晶
第二节 金属的结晶
物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种 凝固又称为结晶。 1、冷却曲线与过冷现象 2、金属的结晶过程
3、晶粒大小对金属力学性能的影响
4、细化晶粒的法
① 增加过冷度 ② 进行变质处理 ③ 附加振动
机械制造基础第二章2
位错对材料性能的影响比点缺陷更大， 位错对材料性能的影响比点缺陷更大 ， 对金属材料的影 响尤甚。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度， 响尤甚 。 理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度 ， 但 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 生产中一般都是增加位错密度来提高强度， 生产中一般都是增加位错密度来提高强度 ， 但是塑性 随之降低，可以说， 随之降低 ， 可以说 ， 金属材料中的各种强化机制几乎都是 以位错为基础的。 以位错为基础的。 3. 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大， 尺寸很小而呈面状的缺陷。 尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型 的晶界。 的晶界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。
图1-6 冷却曲线
3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液 3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1 所示， 结晶过程 体金属开始结晶时， 体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排 列的原子团，成为结晶的核心， 形核过程）。 列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大， 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时， ）。在晶体长大的同时 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 晶界。 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
机械制造基础-晶体结构
结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。
2.金属结晶的微观过程:
（1）形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核) 的过程 （2）长大 晶核由小变大长成晶粒的过程
——实际金属最终形成多晶体
注： 单个晶粒由形核→长大
多个晶粒形核与长大交错重叠
当只有一个晶核时 → 单晶体 晶核越多，最终晶粒越细。
——两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列。
—— 一维缺陷
刃型位错： (1)有一额外半原子面； (2)位错线是一个具有一定宽度的细长晶格 畸变管道。
金属中各种形态位错
3. 面缺陷
两维尺寸很大,第三向尺寸很小 （1）晶界：
晶界类型及模型：
小角度晶界─相邻晶 粒的位向差小于10° 的晶界。基本上由 位错构成。
晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六 面体，是能代表原子排列形式特征的最小几何 单元。 晶胞在三维空间的重复构成点阵
常见 金属的晶体结构
体心立方点阵
面心立方点阵
密排六方点阵
(一)体心立方结构
α －Fe、Cr、V、Mo、W等。
(二)面心立方结构
有铝、铜、铅、金、银、镍、r－Fe（912°－1394°C）等。
合金的平衡凝固和组织 I.合金 组织 β+α II
2． II合金
组织：β+α II
3．III合金
组织：α +β+α II+βII
实际应用举例
铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组织
1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
3.中心等轴晶区
2.柱状晶区 弱面
1.激冷层（表面细晶区）
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况下可得到全部 为柱状晶和等轴晶
机械制造基础-第2章-晶体结构与结晶
2
3
2.1.1 纯金属的结构
体心立方晶格： 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心 各有一个原子。
4
2.1.1 纯金属的结构
面心立方晶格 ： 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心 各有一个原子。
5
2.1.1 纯金属的结构
密排六方晶格： 晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面 中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。
根据合 金中各 组元之 间的相 互作用 不同， 可分为 (2)间隙固溶体 2）金属化合物 (1)置换固溶体
3）机械混合物
3、合金的结晶 合金的结晶与纯金属相似，都遵循形核与核长大的规律。
17
图1—11 铁碳合金固溶体示意图 图1—12 间隙固溶体的晶格畸变
返回 18
7
2.1.1 纯金属的结构
2）晶体缺陷
晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶 体缺陷。 点缺陷 晶体缺陷按其几何特征分为 线缺陷 面缺陷
晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度和硬度 有所提高。
8
单晶体晶格位
多晶体晶格位向示意图
点缺陷-空位示意图
面缺陷-晶界示意图
线缺陷-刃型位错
9
2.1.2 纯金属的结晶
13
14
2.1.3 合金的结构与结晶
1、合金的基本概念 1）合金 合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属 元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 2）组元 组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元。 合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。 3）合金系
由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系 列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。
1）增加过冷度
3
2.1.1 纯金属的结构
体心立方晶格： 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心 各有一个原子。
4
2.1.1 纯金属的结构
面心立方晶格 ： 晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心 各有一个原子。
5
2.1.1 纯金属的结构
密排六方晶格： 晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面 中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。
根据合 金中各 组元之 间的相 互作用 不同， 可分为 (2)间隙固溶体 2）金属化合物 (1)置换固溶体
3）机械混合物
3、合金的结晶 合金的结晶与纯金属相似，都遵循形核与核长大的规律。
17
图1—11 铁碳合金固溶体示意图 图1—12 间隙固溶体的晶格畸变
返回 18
7
2.1.1 纯金属的结构
2）晶体缺陷
晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶 体缺陷。 点缺陷 晶体缺陷按其几何特征分为 线缺陷 面缺陷
晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度和硬度 有所提高。
8
单晶体晶格位
多晶体晶格位向示意图
点缺陷-空位示意图
面缺陷-晶界示意图
线缺陷-刃型位错
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2.1.2 纯金属的结晶
13
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2.1.3 合金的结构与结晶
1、合金的基本概念 1）合金 合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属 元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 2）组元 组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元。 合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。 3）合金系
由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系 列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。
1）增加过冷度
机械工程材料 第3讲 纯金属的结构与结晶
机械工程材料
图 晶界和亚晶
机械工程材料
图 位错的运动示意图
第四节 金属的结晶
物质从液态到固态的转变称为凝固（Solidification）。 若凝固后的物质为晶体，则称为结晶（Crystallization）。
液体
晶体
杂乱无章的原子 结晶 有规律的周期性排列 图 结晶示意图
机械工程材料
图 过冷度对晶粒大小的影响
机械工程材料
面缺陷
晶界 亚晶界
机械工程材料
一、点缺陷 在长、宽、高三个方向上尺寸都很小，即相当于原子尺寸
的晶格缺陷，称为点缺陷。 点缺陷包括空位、间隙原子和溶质原子等。 点缺陷使周围晶格发生畸变，引起电阻增加，密度减小，
屈服强度提高。
机械工程材料
图 点缺陷示意图
二、线缺陷 在两个方向上尺寸很小，在另一个方向上的尺寸相对很长
或晶核（从无到有）；然后这些晶核长大直到结晶完毕 （从小到大）。
液态金属→形核→晶核长大→完全结晶 图 结晶过程
机械工程材料
图 自发形核（均质形核）和非自发形核（非均质形核）
图 平面长大（小体积液体） 和枝晶长大（实际金属） 机械工程材料
三、晶粒大小
机械工程材料
图 钢中晶粒度标准级别图
细化晶粒的措施： （1）提高过冷度 （2）进行变质处理 （3）附加振动
的晶格缺陷，称为线缺陷。 线缺陷包括各种类型的位错。
机械工程材料
图 刃型位错和螺型位错
三、面缺陷 在两个方向上尺寸很长，在第三个方向上的尺寸很短的晶
格缺陷，称为面缺陷。 晶界和亚晶界是主要的面缺陷。 晶界和亚晶界处晶格畸变大，位错密度高，原子能量高，
与晶内相比较，熔点较低，容易腐蚀，原子扩散速度快。
机械工程材料第一章金属的结构与结晶
如（100）、（010）及 （001）等，这时
若不必要予以区别时，可把这些晶面统
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1-11 晶面指数的确定
列相同的晶面指数。
三、晶面及晶向指数
（二） 晶向指数的确定
⑴ 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
实验和理论研究表明:晶体的强度和位错 密度有如图1-16的对应关系,
当晶体中位错密度很低时,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。
图1-19 液体和固体的 自由能随温度的变化
2.实际结晶温度的测定（冷却曲线）
金属的实际结晶温度用热分析方法测定，具
体做法：
先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却
下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录
的数据绘在温度－时间坐标中，得到温度与时间
的曲线，即：冷却曲线（图1-20），
可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到
图1-16 金属强度与 位错密度的关系
（二）晶体缺陷
3.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，
但也成的位错墙。
T0温度时出现一个平台，
说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度并
没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶向外
机械制造基础 (3)
机械制造基础
第三章 金属的结晶
【学习目标】
知识点 1．了解纯金属结晶的宏观现象与微观过程，掌握晶核形成的条件、 细晶 强化的方法及其作用机理； 2．了解合金状态图的概念及其建立方法，熟悉二元合金状态图的基本类型、 分析方法、典型合金的平衡结晶过程及其组织； 3．理解合金性能与相图的关系。 技能点 1．通过学习二元合金相图及典型合金的结晶过程，会初步分析一般的二 元合金相图，初步判断合金的相或组织组成物； 2．通过杠杆定律的学习，能够初步定量分析合金的相组成和组织组成。
三 同素异晶转变
问题落实
金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般情况下，晶粒越细，金属的强 度、塑性、韧性越好。
在生产中，尤其是在制造力学性能要求高、截面尺寸变化较大的大型铸件时，力学性 能的提高收到冷却速度的限制，在浇铸前向液态金属中加入一定的孕育剂，使其分散 在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，起到细化晶粒的作用，从而提高力学 性能。
1.1 纯金属的结晶
问题提出
一般情况下，液态金属凝固形成晶体时，冷却速度越快，其力学性能越好， 因此可通过加快冷却速度来提高力学性能。但对于截面尺寸变化越大的大型 铸件，由于散热较慢，而且过分大的冷却速度往往导致铸件开裂而造成废品， 因此，其力学性能的提高受到冷却速度的限制，在生产中，又是如何提高其 力学性能的呢？
在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度就越高， 塑性、韧性也越好。
2 影响晶粒大小的因素
控制晶粒的大小最重要的 是控制晶核的形核率和长大 速率。
3 晶粒大小的控制 ①提高过冷度 在液态金属中加入孕育剂或变质 剂作为非自发晶核的核心，以细 化晶粒和改善组织。
②变质处理
③振动、搅拌
第三章 金属的结晶
【学习目标】
知识点 1．了解纯金属结晶的宏观现象与微观过程，掌握晶核形成的条件、 细晶 强化的方法及其作用机理； 2．了解合金状态图的概念及其建立方法，熟悉二元合金状态图的基本类型、 分析方法、典型合金的平衡结晶过程及其组织； 3．理解合金性能与相图的关系。 技能点 1．通过学习二元合金相图及典型合金的结晶过程，会初步分析一般的二 元合金相图，初步判断合金的相或组织组成物； 2．通过杠杆定律的学习，能够初步定量分析合金的相组成和组织组成。
三 同素异晶转变
问题落实
金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般情况下，晶粒越细，金属的强 度、塑性、韧性越好。
在生产中，尤其是在制造力学性能要求高、截面尺寸变化较大的大型铸件时，力学性 能的提高收到冷却速度的限制，在浇铸前向液态金属中加入一定的孕育剂，使其分散 在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，起到细化晶粒的作用，从而提高力学 性能。
1.1 纯金属的结晶
问题提出
一般情况下，液态金属凝固形成晶体时，冷却速度越快，其力学性能越好， 因此可通过加快冷却速度来提高力学性能。但对于截面尺寸变化越大的大型 铸件，由于散热较慢，而且过分大的冷却速度往往导致铸件开裂而造成废品， 因此，其力学性能的提高受到冷却速度的限制，在生产中，又是如何提高其 力学性能的呢？
在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度就越高， 塑性、韧性也越好。
2 影响晶粒大小的因素
控制晶粒的大小最重要的 是控制晶核的形核率和长大 速率。
3 晶粒大小的控制 ①提高过冷度 在液态金属中加入孕育剂或变质 剂作为非自发晶核的核心，以细 化晶粒和改善组织。
②变质处理
③振动、搅拌
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9
二、金属中常见的晶格类型
01
体心立方 晶格
如图2.10所示 具有体心立方晶格的金属有铬、
钨、钼、钒及α铁等。
图2.10 体心立方晶胞
纯金属晶体结构
10
二、金属中常见的晶格类型
Байду номын сангаас02
面心立方 晶格
如图2.11所示 具有这种晶格的金属有铜、铝、
银、金、镍、γ铁等。
图2.11 面心立方晶胞
纯金属晶体结构
制造基础
Foundation of mechanical manufacturing
纯金属晶体结构
纯金属晶体结构
3
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
晶体
晶体是指原子具有规则 排列的物质
非晶体
非晶体其内部原子不具 有规则排列
纯金属晶体结构
4
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
晶体的 三大特征
11
二、金属中常见的晶格类型
03
密排六方 晶格
如图2.12所示 具有这种晶格的金属有铍、镁、
锌、钛等。
图2.11 面心立方晶胞
THANK YOU !
3
a、b、c和α、β、γ称为晶格常数，如图2.9所示。
纯金属晶体结构
6
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
图2.8 金属的晶格
纯金属晶体结构
7
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
图2.9 晶胞及晶格常数
纯金属晶体结构
8
二、金属中常见的晶格类型
01
体心立方
02
面心立方
03
密排立方
纯金属晶体结构
具有规则的外形 具有固定的熔点 具有各向异性
纯金属晶体结构
5
一、晶体结构的基本知识
2、晶格和晶胞
0
晶格：
1
抽象地用于描述原子在晶体中排列规律的空间几何格架，如图2.8所示。
0
晶胞：
2
能代表晶格特征的最小的几何单元。
0
晶格常数： 晶胞中各棱边的长度分别用a、b、c表示，各棱边之间的夹角用α、β、γ表示。