材料成型工艺基础(第三版) 第1章

晶格的最小几何单元称为晶胞，如图1-1(c)所示。晶胞中各棱 边尺寸a、b、c称为晶格常数，单位为 (埃，1 ＝10－8cm)。 晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。当晶格常数a＝b ＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°时，这种晶胞称为简单立方。
图1-1 晶格结构示意图 (a)晶体模型；(b)晶格；(c)晶胞
图1-5 单晶体和多晶体示意图 (a)单晶体；(b)多晶体
实验证明，在每个晶粒内，其晶格位向并不像理想晶体 那样完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小(一 般小于2°)的小晶块。这些小晶块称为亚晶粒，两个相邻亚 晶粒的交界处称为亚晶界，其原子排列不规则，也产生晶格 畸变。因此，晶界和亚晶界的存在会使金属的强度提高，同 时还使塑性、韧性改善，这称为细晶强化。
致密度是指晶胞中原子所占的体积与该晶胞体积之比。体心 立方晶格中的晶胞的致密度为0.68，表明体心立方晶格中有 68%的体积被原子占据，其余32%的体积为空隙。
源自文库 图1-2 体心立方晶格示意图
2)面心立方晶格 如图1-3所示，面心立方晶格也是一个正立方体，原子 位于立方体六个面的中心和八个顶点，顶点上的每个原子为 相邻八个晶胞所共有，面心的每个原子与其相邻晶胞所共有。 其晶格常数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。属于这种晶格类型的 金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、银(Ag)、γ-铁(Fe)等。其致 密度为0.74。
1.1 金属的晶体结构与结晶
金属材料的化学成分不同，其性能也不同。但化学成分 相同的金属材料，通过不同的方法改变材料内部的组织结构， 可使其性能发生很大的变化。这种变化，从本质上来说，除 化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料 机械性能的重要因素。因此，了解金属的内部微观结构及其 对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要 的意义。
晶界是两个相邻晶粒不同晶格位向的过渡区，其上的原子总 是不规则排列的。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，金属 材料一般都是多晶体，虽然每个晶粒具有各向异性，但从不 同方向测试出金属的性能，是很多位向不同晶粒的平均性能， 故可以认为金属(多晶体)是各向同性的。
钢铁材料的晶粒尺寸一般在0.001～0.1 mm范围内。只 有在显微镜下才能观察到晶粒的形态、大小和分布等情况。 这种在金相显微镜下观察到的情况，称为显微组织或金相组 织。有色金属的晶粒尺寸一般都比钢铁的晶粒大，有时用肉 眼可以看到。
第1章 金属材料与热处理
➢ 1.1 金属的晶体结构与结晶 ➢ 1.2 合金与铁碳合金 ➢ 1.3 金属材料热处理 ➢ 1.4 常用的金属材料
工业生产中所用的纯金属和合金材料统称为金属材料。 通常我们把金属材料分为黑色金属和有色金属两大类：铁、 锰、铬或以它们为主形成的合金称为黑色金属，如合金钢、 铸铁和碳素钢等；除黑色金属以外的金属和合金称为有色金 属，如铜、锡以及黄铜、铝合金和轴承合金等。
图1-4 密排六方晶格示意图
4.实际金属的晶体结构 上述讨论的晶体中，原子排列规律相同，晶格位向完全 一致，这种晶体称为单晶体，见图1-5(a)。生产中只有采用 特殊的方法才能制成单晶体。单晶体材料只在特定情况下使 用，如制造半导体硅元件所用的材料就是单晶硅。实际使用 的金属材料都是由许多小晶体组成的。由于每个小晶体外形 不规则，且呈颗粒状，因而称为“晶粒”。每个晶粒内的晶 格位向是一致的，但各个晶粒之间彼此位向都不同(相差 30°～40°)，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”，如图 1-5(b)所示。
晶胞可以描述晶格的排列规律，组成晶胞的结构就是该 金属的晶格结构，不同的晶格结构具有不同的性能，而相同 的晶胞类型若有不同的晶格常数，也会使金属具有不同的性 能。
3.常见金属的晶体结构 在金属原子中，约有90%以上的金属晶体都属于以下三 种密排的晶格结构。 1)体心立方晶格 如图1-2所示，体心立方晶格是一个正立方体。原子位 于立方体的中心和八个顶点上，顶点上的每个原子为相邻的 八个晶胞所共有。其晶格常数a＝b＝c，晶胞棱边夹角α＝β ＝γ＝90°。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼 (Mo)、钒(V)及α-铁(Fe)等。晶胞中原子排列的紧密程度可用 致密度来表示。
1.1.1 金属的晶体结构 1.晶体和非晶体 自然界中一切物质都是由原子组成的，根据固态物质内
部原子的聚集状态，固体分为晶体和非晶体两大类。 原子无规律地堆积在一起的物质称为非晶体，如沥青、
玻璃、松香等。原子按一定几何形状作有规律地重复排列的 物质称为晶体，如冰、结晶盐、金刚石、石墨及固态金属与 合金。晶体和非晶体的原子排列不同，进而显示出不同的特 性。晶体具有固定的熔点，性能具有各向异性；而非晶体没 有固定的熔点，性能具有各向同性。
图1-3 面心立方晶格示意图
3)密排六方晶格 如图1-4所示，密排六方晶格是一个正六方柱体，原子 位于2个底面的中心处和12个顶点上，柱体内部还包含着3个 原子。其a＝b≠c，α＝β＝90°，γ＝120°。顶点的每个原子 同时为相邻的6个晶胞所共有，上下底面中心的原子同时属 于相邻的2个晶胞，而体中心的3个原子为该晶胞所独有。其 致密度为0.74。属于这类晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍 (Be)、镉(Cd)等。
2.金属的晶体结构 金属晶体是由许多金属原子(或离子)在空间按一定的几 何形式规则紧密排列而成的，如图1-1(a)所示。为了便于研 究各种晶体内部原子排列的规律及几何形状，把每一个原子 假想为一个几何结点，并用直线从其中心连接起来形成空间 的格子，称为结晶格子，简称晶格，如图1-1(b)所示。晶格 的结点为原子震动的平衡中心位置。晶格中各种方位的原子 面称为晶面。晶体是由层层的晶面堆砌而成的，晶格中由原 子组成的任一直线，都能代表晶体空间的一个方向，称为晶 向。
金属材料是现代机械制造工业中应用最广泛的材料之一。 它不仅资源丰富，具有优良的物理、化学和力学性能，而且 还具有较简单的成型方法和良好的成型工艺性能。因此，金 属材料在各种机械设备中所占的比例达90%以上。
金属材料的性能主要与其成分、组织和表面结构特性有 关。热处理就是通过改变金属材料的组织以及改变表面成分 和组织来改变其性能的一种热加工工艺。