第2章 金属材料的组织结构
机械制造基础课程—课题二金属的组织结构
面缺陷
13
小颗粒为晶粒，晶粒之间的交界面称为晶界。
14
二、金属的结晶
•
结晶概念: 物质由液态转变为具有晶体 结构的固相的过程。
或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程。 或者描述为：晶体结构形成的过程。如水——冰
• （一）、金属结晶的基本规律：
• 1、 基本概念
• （1）过冷现象 ：金属在低于熔点的温度结晶的现象
5
凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体，如所有固
态金属都是晶体；凡内部原子无规则排列的物质称为
非晶体，如松香、玻璃等都是非晶体。
6
晶格 晶体结构的基本概念 晶胞
晶格常 数
7
金属的晶格
晶胞
•晶格:把原子看成一个个处于静止状态的刚性小球，然后用假想 的线条把各原子的中心连接起来，构成如图2.1所示的空间格架， 称为结晶格子，简称晶格。 •晶胞:晶格中取出一个能代表晶格特征的最基本的单元，称为晶 胞，如图2.2所示。 •晶格常数:晶格的特征可以用晶格常数来描述，晶格常数包括晶 胞的各边尺寸a，b，c，及三个邻边的夹角α，β，γ。
3
•
（3）了解铁碳合金相图的建立方法，理解 合金、相、组织、固熔强化的概念。 • （4）熟练掌握铁碳合金相图及其应用。 • （5）掌握平衡状态下铁碳合金的成分、组 织、性能之间的关系。
4
学习情境1 熟悉金属的晶体结构与结晶
一、金属的晶体结构 （一）纯金属晶体结构的基本类型 • 固态物质可分为晶体和非晶体两大类，晶体 是指其原子（离子或分子）具有规则排列的 物质。通常，固态金属都是晶体。
大鸡蛋容易碎
24
四、细化晶粒的途径
1）提高冷却速度
V冷
△T
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。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构晶体结构是金属材料中最基本的组织结构。
金属材料的晶体结构是由原子通过化学键的方式排列而成的。
金属晶体结构通常为紧密堆积或者是面心立方结构。
紧密堆积的晶体结构中，原子分布紧密，没有空隙，金属的密度较高。
而面心立方结构中，每个原子周围都有最靠近的三个原子，因此，金属的面心立方结构也是最密堆积的结构之一、晶体结构的不同将导致金属的性能也有所不同。
晶粒结构是金属材料中相当重要的组织结构。
晶粒是由具有相同晶体结构的晶体单元构成的。
在金属材料加工过程中，晶粒会逐渐生长，最终形成多个晶粒相邻而不连续的结构。
晶粒的大小和形状对金属的性能非常重要。
晶粒尺寸越大，金属的强度就越低，但是其塑性和韧性会增加；而当晶粒尺寸较小时，金属的强度会提高，但是韧性和塑性会降低。
晶粒形状的不均衡也会对金属的性能产生重要影响。
晶粒中的缺陷（如晶界、孪晶等）也会影响金属的强度和韧性。
相结构是金属材料中不同组分的混合结构。
金属材料可以由一个或者多个相组成。
相是指具有相同化学成分和结构的区域。
在金属材料中，不同相之间的晶粒大小和分布状态也会影响材料的性能。
例如，在金属合金中，可以通过控制相的种类和分布来调节材料的硬度、强度、抗腐蚀性等性能。
除了上述的基本组织结构外，金属材料中还存在一些其他的组织结构，如晶体缺陷、析出物和纹理等。
晶体缺陷是指晶体中的缺陷或者杂质。
晶体缺陷的种类包括点缺陷（如空位、间隙原子等）、线缺陷（如晶界、位错等）和面缺陷（如孪晶界等）。
晶体缺陷会影响金属的力学性能和电学性能。
析出物是金属中的第二相，它们通过固溶度和固相反应形成。
析出物的尺寸和形状也会影响材料的性能。
纹理是指金属材料中晶粒的方向分布，它会对材料的机械性能、磁性能等产生影响。
综上所述，金属材料的组织结构对其性能和用途有着重要影响。
晶体结构、晶粒结构和相结构是金属材料的基本组织结构。
晶体结构决定了金属的原子排列方式，晶粒结构影响金属的强度和韧性，相结构调节金属的性能调节。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
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：
第2章_材料的组织结构
（体心体方晶格）
1394℃
（面心立方晶格）
912℃
（体心体方晶格）
纯铁的同素异构转变
2.4
材料的同素异构现象
2.4
材料的同素异构现象
金属的同素异构 转变与液态金属的结 晶过程相似，遵循液 体结晶的一般规律： 1、恒温转变； 2、转变时有过冷 现象； 3、转变过程由生 核和长大两个基本过 程组成。
（3）密排六方晶格 晶格属于六方棱柱体，在六棱柱 晶胞的12个项角上各有一个原子，两 个端面的中心各有一个原子，晶胞内 部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为: （1/6）×12+（1/2）×2+3＝6个 较脆
2.1.1 金属的理想晶体结构
（三）金属晶格的常见类型
金属的晶格类型不同，性能必 然存在差异。即使晶格类型相同， 由于各元素的原子大小和原子间距 的不同；金属的晶格类型和晶格常 数发生改变时，金属的性能也会发 生相应的变化。
形成无限固溶体的 条件：两组元具有相同 的晶格，原子直径相差 很小。
2.1.3 金属材料的结构特点
（2）间隙固溶体 溶质原子分布在溶剂晶格 间隙处而形成的晶体相。
形成条件：两组元直径相 差较大。 由于两组元原子大小和性 能上的差别，导致晶格发生畸 变、歪扭，使晶体的位错运动 阻力增大，合金塑性变形抗力 增大，由此强化了合金。 固溶强化：因形成固溶体 而引起合金强度、硬度升高， 但塑性和韧4.2
同分异构
化学成分相同而分子结构中原子 排列不同的现象。 同分异构对高分子材料的性能影 响很大。
2.3 金属的结晶与细晶强化
2.3 金属的结晶与细晶强化
2.结晶温度 纯金属由液态转变为固态的温度。
机械工程材料：第二章 金属的晶体结构与结晶
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。
金属材料的结构与组织
金属材料的结构与组织金属材料是指由金属元素组成的材料，具有优良的电导和热传导性能，因此广泛应用于工业制造和建筑领域。
金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响，以下将从晶体结构、晶粒大小、晶界和位错等方面介绍金属材料的结构与组织。
首先是金属材料的晶体结构。
金属是由多个金属原子组成的晶格结构，具有高度的有序性。
常见的金属结构包括面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。
FCC结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，原子间的距离相等，如铝和铜。
BCC结构中，每个原子周围有8个最近邻原子，原子间的距离比FCC结构略大，如铁和钒。
HCP结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，但原子间的距离比其他两种结构大，如钛和锆。
金属的晶体结构对材料的硬度、延展性和导电性能等有着重要影响。
其次是金属材料的晶粒大小。
晶粒是金属中具有相同晶体结构的晶胞的集合体。
金属材料的晶粒大小对其性能有着重要影响。
晶粒越小，材料的强度和硬度越高，延展性和塑性则较差；晶粒越大，材料的延展性和塑性越好，但强度和硬度相对较低。
晶粒大小的控制通常通过热处理、变形加工和再结晶等方法实现。
金属材料的结构还与晶界有关。
晶界是相邻两个晶粒之间的界面。
晶界具有比晶粒内部更高的活动性，容易成为材料中的非晶区域、孔隙和裂纹的起点。
晶粒内部原子排列有序，而晶界则是原子排列的不规则区域，原子间的距离不够紧密，因此晶界对材料的力学性能和耐腐蚀性能等有着重要影响。
晶界的稳定性和结构特点常通过电子显微镜和X射线衍射等技术进行研究。
最后是金属材料中的位错。
位错是指晶体中原子排列的缺陷或错位。
位错可以增加金属材料的塑性和韧性，使其具有较好的变形能力。
在金属中，位错的形成和移动是塑性变形的主要机制。
位错的种类包括直线位错、螺旋位错和平面位错等，其特点和形成机制各不相同。
位错的存在对金属材料的断裂和疲劳性能有重要影响。
综上所述，金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响。
工程材料与机械制造基础习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
金属化合物提高合金的强度和硬度。
4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。
３、金属结晶的基本规律是什么？金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。
４、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。
（1）金属型浇注与砂型浇注。
金属型浇注晶粒小。
（2）铸成薄件与铸成厚件。
铸成薄件晶粒小。
（3）浇注时采用振动与不采用振动。
采用振动晶粒小。
10、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。
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SiO2的结构
晶格：用假想的直线将原子
中心连接起来所形成的三维 空间格架。 直线的交点（原子中心） 称结点。
由结点形成的空间点的
阵列称空间点阵。 。 晶胞： 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 晶格常数：
各棱边的尺寸 a、b、c；夹角、、。
晶系：
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
它们的具体组合状态称为结构。
金 属 键
C60
2.1 金属材料的晶体结构与结晶
2.1.1 金属的晶体结构
一、基本概念 晶体：原子呈规则排列的固体。 常态下金属主要以晶体形式 存在。 晶体具有各向异性。
金属的结构
非晶体：原子呈无序排列的固 体。
在一定条件下晶体和非晶体
晶态 非晶态
可互相转化。
原子半径： r 原子个数：4
配位数： 12 致密度：0.74
2a
4
常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
⑶ 密排六方晶格
密排六方晶格
密排六方晶格的参数
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2
原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
⑵ 晶体缺陷
晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,
即点、线、面缺陷。
① 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
空位：晶格中某些缺排原子的空结点。
间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，
2.1.2 纯金属的结晶
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变，结晶过程是相 变过程。
③ 面缺陷：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小，另两个方向 上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。
晶界是不同位向晶粒间的过度部位，宽度为5~10个原子
间距，位向差一般为20~40°。
亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’ ~2 ) 的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。
① 原子排列不规则. ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际 使用的金属力求获得细晶粒。 ⑥ 是相变的优先形核部位。
正交
单斜
三斜
二、金属的晶体结构
1、纯金属的晶体结构
金属原子是通过正离子与自 由电子的相互作用而结合的，称 为金属键。
正离子
金属原子趋向于紧密排列。
电子云
金属键示意图
具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc) 和密排六方(hcp)晶格。
晶体缺陷对金属材料带来的性能影响：
缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的 影响，利用缺陷强化金属。
点缺陷：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影 响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到固溶 强化（强度、硬度提高，塑性、韧性降低）； 线缺陷：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性变 形，造成金属强化称加工硬化（强度、硬度提高，塑性、 韧性降低）； 面缺陷：细晶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性改 善） 。
金属的位错密度为104~1012/cm2； 位错对性能的影响： 金属的塑性变形主要由位错 运动引起，因此阻碍位错运动是
金属晶须
强化金属的主要途径。
退火态 加工硬化态
(105-108/cm2) (1011-1012/cm2)
减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
电子显微镜下的位错观察
2、实际金属的晶体结构
⑴ 单晶体与多晶体
单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。 特征：同一位向 如金刚石、水晶单晶硅等。
多晶体： 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规 则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。 晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，===90 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
立方
六方
四方 菱方
原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距
的一半。
晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 配位数: 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目. 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。
也可以是外来原子。
置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶 格畸变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原 子
小置换原 子
大置换原 子
② 线缺陷：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个
方向上尺寸较大的缺陷； 晶体中的位错是典型的线位错。 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移， 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错； 分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子
面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就 是刃型位错。
半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。
半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
位错密度：
单位体积内所包含的位错线 总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
第2章 金属材料的组织结构
2.1 金属材料的晶体结构与结晶
2.1.1 金属的晶体结构
Байду номын сангаас
2.1.2 纯金属的结晶
2.1.3 金属的同素异构转变
2.1.4 合金的晶体结构
2.2 铁碳合金相图 2.2.1 二元合金相图种类 2.2.2 铁碳合金相图
物质由原子、分子或离子组成。 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。
⑴ 体心立方晶格
体心立方晶格
体心立方晶格的参数
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径：
3 r a 4
原子个数：2
配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
⑵ 面 心 立 方 晶 格
面心立方晶格
面心立方晶格的参数
面心立方晶格
晶格常数：a