铝合金基础课件

EngineeringMaterials铝及其合金简介铝及其合金简介 孙维连教授 河北农业大学1铝及其合金简介 EngineeringMaterials自我介绍自我介绍孙维连博士孙维连博士 河北农业大学教授博士生导师河北农业大学教授博士生导师美国加州大学伯克利分校高级访问学者美国加州大学伯克利分校高级访问学者兼职兼职河北省热处理专业委员会副主任河北省热处理专业委员会副主任保定市热处理专业委员会主任保定市热处理专业委员会主任河北省高校金工学会副理事长河北省高校金工学会副理事长全国失效分析委员会副主任，失效分析专家全国失效分析委员会副主任，失效分析专家中国农业工程学会电子专业委员会委员中国农业工程学会电子专业委员会委员全国金相与显微分析学会常务理事全国金相与显微分析学会常务理事中国体视学会理事中国体视学会理事河北农业大学学报编委河北农业大学学报编委2自我介绍2EngineeringMaterials主要科研成就主要科研成就一一.专利专利1.金相抛光机获国家发明专利金相抛光机获国家发明专利1项，发明专利号项，发明专利号87102710.02.磁性铝合金磨盘获实用新型专利磁性铝合金磨盘获实用新型专利1项项,专利号专利号 ZL200320129254.0二二.科研成果科研成果1.主持研究项目主持研究项目“DMP-4A型金相研磨抛光机型金相研磨抛光机”获河北省科技进步三等奖。获河北省科技进步三等奖。2.主持项目主持项目“自动金相试样切割机自动金相试样切割机”获河北省科技进步二等奖。获河北省科技进步二等奖。3.主持项目主持项目“轴类零件变形电脑在线测量系统轴类零件变形电脑在线测量系统”获河北教育厅科技进步三等奖。获河北教育厅科技进步三等奖。4.机械式自动金相研磨抛光机获机械式自动金相研磨抛光机获1997年度国家级重点新产品年度国家级重点新产品5.自动金相试样切割机获自动金相试样切割机获2003年度国家级重点新产品年度国家级重点新产品6.自动金相制样设备列入国家级火炬计划自动金相制样设备列入国家级火炬计划三三.标志性物化成果标志性物化成果1.自动金相研磨抛光机自动金相研磨抛光机(DMP-1,DMP-2,DMP-3,DMP-4,DMP-3A,DMP-4A2.DMP-3B,DMP-1000,DMP-2000,)9个系列个系列2.自动金相试样切割机自动金相试样切割机(Q-100.Q-200,Q-300,Q-600)4个系列个系列3主要科研成就一.专利3EngineeringMaterials教学成果教学成果1.教学成果教学成果2.机械工程材料机械工程材料2003年度评为河北省省级精品课年度评为河北省省级精品课3.2000评为河北农业大学重点课程评为河北农业大学重点课程4.2.主编教材主编教材5.工程材料中国农业大学出版社工程材料中国农业大学出版社2006年出版，评为国家年出版，评为国家“十一五十一五”规划教规划教材。材。机械工程技术实践机械工程技术实践2006年年12月中国农业大学出版社出版。月中国农业大学出版社出版。工程材料及机械制造基础（工程材料），工程材料及机械制造基础（工程材料），1997年由机械工业出版社出版。年由机械工业出版社出版。提高模具寿命应用技术实例提高模具寿命应用技术实例 2004年年9月机械工业出版社出版。月机械工业出版社出版。3.学生培养学生培养(1)硕士研究生毕业硕士研究生毕业21名名,在读在读7名名.(2)博士研究生毕业博士研究生毕业1名名,在读在读2名名4教学成果4EngineeringMaterials发表论文发表论文国际三大索引7篇(EI 6篇,ISTP1篇)采用中频反应磁控溅射技术沉积氮化锆薄膜 材料热处理学报2007.4 EI收录一级学报氮分压对氮化锆薄膜颜色影响规律研究 光学学报 2007.1 一级学报 EI收录OMRON CPM2A PLC 与AT89C52 单片机的串行通讯及应用 微计算机信息 2006.10 中文核心期刊氮化锆薄膜色度特性与工艺参数研究 真空 2006.1 中文核心期刊Zr-N薄膜颜色的变化规律的研究 材料热处理学报2005.10 2005年EI收录35CrMo钢拉杆显微组织与性能 金属热处理2005.11 2005年EI收录金相试样抛光机的机械设计与研究 机械与电子 2005.11Study of Diagnosis Expert System of Electronic Control Engine Base on Waveform Analysis and Diagnosis Tree ICEMI2005 ISTP 收录氮分压对氮化锆薄膜颜色影响规律的研究 真空与低温 2004.4 中文核心期刊氮化锆装饰薄膜的中频反应磁控溅射沉积工艺的研究 国际材料科学与工程年会论文（太原）2005.7机械产品失效分析思路及失效案例分析 材料热处理学报 2004.1 2004年EI收录3Cr2W8V热锻模淬火开裂失效分析 金属热处理2003.6 2003年EI收录氮化锆装饰薄膜的中频反应磁控溅射沉积工艺的研究 国际材料科学与工程年会论文 2005.720CrMo钢薄板渗碳冷压淬火变形校正方法 金属热处理2003.6 氮分压对氮化锆薄膜颜色影响规律的研究 真空与低温 2004.4自动金相制样设备研究 中国热处理年鉴2003.8钕铁硼材料在磨抛光盘中的应用 现代制造工程2003.11金相研磨抛光机自动控制系统的研究 现代机械 2003.6螺纹加工裂纹产生的原因及解决办法 现代制造工程2003.10金相切割机的国内外研究概况 理化检验 2003.7轴类零件在线电脑测量及矫直系统 控制工程2002.3一种基于PC机的轴类零件矫直机的自动控制系统 农业机械学报 2001.6Study of the Electrical Measuring Way of the Deformed Amount of the Shaft in Manufacture Line，Third International Conference on Electronic Measurement&Instruments Conference Proceedings P321-324 Beijing,1997.10 第一作者,该文被国际三大索引 ISTP收录，Study of Pressure Detecting and Controlling System in the Metalographic Polisher International Conference on Electronic Measurement&Instruments Conference Proceedings P69-72 Shanghai 1995.10 第一作者 The Method of Non-contact Measurement Temperature in the Process of High Frequency Induction Heating,Fourth international conference on electronic measurement&Instruments conference proceedings P119-122 Harbin,China 1999.8 第一作者 工程材料及机械制造基础课程教学改革模式的研究 第四次全国高等院校农业工程类学科专业教学改革学术研讨会论文集P247-252 2000年5月 合肥 第一作者多功能金相试样抛光机的设计 东北大学学报 第21卷S2 P66-90 2000年9月 第一作者 评为第八届全国高校金相学术会议优秀论文5发表论文国际三大索引7篇(EI 6篇,ISTP1篇)采用中频EngineeringMaterials要点：要点：把金属的原子作为研究金属组织的最小单把金属的原子作为研究金属组织的最小单位，主要位，主要了解了解纯金属的晶体结构、结晶过程纯金属的晶体结构、结晶过程.第一讲第一讲 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 6要点：第一讲 金属的晶体结构与结晶 6EngineeringMaterials77EngineeringMaterials铝及其合金的特点1.纯铝物理化学性质 具有银白色金属光泽，熔点具有银白色金属光泽，熔点660.4。密度小密度小2.72g/cm3，可作为轻质材料的基本组，可作为轻质材料的基本组元元 具有具有良好的导电和导热性良好的导电和导热性，其导电性仅次，其导电性仅次于银、金和铜。于银、金和铜。具有良好的具有良好的抗大气腐蚀抗大气腐蚀性能。和氧形成氧性能。和氧形成氧化膜化膜8铝及其合金的特点1.纯铝物理化学性质8EngineeringMaterials2.工艺性能工艺性能纯铝具有纯铝具有面心立方面心立方结构结构 强度低强度低sb=80MPa100MPa 塑性高塑性高 d50 y80 硬度低硬度低20HBS良好的低温性能良好的低温性能(-235塑性和冲击韧度也不降低塑性和冲击韧度也不降低)，纯铝不能热处理强化，冷变形加工可提高其强度，纯铝不能热处理强化，冷变形加工可提高其强度，但塑性降低。但塑性降低。铸造、压力加工、焊接和切削加工性能较好铸造、压力加工、焊接和切削加工性能较好。92.工艺性能纯铝具有面心立方结构9EngineeringMaterials纯铝牌号纯铝中通常含有铁、硅、铜、锌等杂质元素，按其纯度分为三类高纯铝：99.9399.99 L01,L02,L03,L04,数字越大,纯度越高主要用于科学研究和电容器工业高纯铝:98.85-99.9%LG1（1A85）-LG5 数字越大,纯度越高主要用于铝箔，包铝及冶炼铝合金原料工业纯铝:98.0-99%L1（1070）L2（1060）-L6(8A06)数字越大,纯度越低主要用于制作电线、电缆、器皿及制作合金。10纯铝牌号纯铝中通常含有铁、硅、铜、锌等杂质元素，按其纯度分为EngineeringMaterials铝合金铝中加入适量铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素等主加元素和和Cr、Ti、Zr、B、Ni等辅加元素，组成铝合金，等辅加元素，组成铝合金，可提高可提高强度强度并保持良好的加工特性。许多铝合金并保持良好的加工特性。许多铝合金可以通过冷变形提高强度，也可以通过热处理提可以通过冷变形提高强度，也可以通过热处理提高强度。高强度。根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类：根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类：1)变形铝合金变形铝合金 2)铸造铝合金铸造铝合金11铝合金铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和CEngineeringMaterials变变形形铝铝合合金金:成成分分在在D D点点以以左左的的合合金金，加加热热至至固固溶溶线线DF以以上上温温度度得得到到均均匀匀的的单单相相固固溶溶体体，塑塑性性好好，适适于于进进行行锻锻造造、轧制等。轧制等。铸铸造造铝铝合合金金:成成分分在在D点点以以右右的的合合金金，存存在在共共晶晶组组织织，塑塑性性较较差差，不不宜宜压压力力加加工工，但但流流动动性性好好，适宜铸造。适宜铸造。不能不能热处热处理强理强化的化的铝合铝合金金12变形铝合金:成分在D点以左的合金，加热至固溶线DF以上温度得EngineeringMaterials变形形铝合合金金中中，小小于于F F点点的的合合金金，固固溶溶体体成成分分不不随随温温度度而而变化化，不不能能通通过热处理理方方法法强强化化，称称为不不可可热处理理强强化化的的铝合金合金；成成分分在在F-DF-D之之间的的合合金金，固固溶溶体体成成分分随随温温度度变化化，可可通通过热处理理方方法法强强化化，称称为可可热处理理强强化化的的铝合金合金。不能不能热处热处理强理强化的化的铝合铝合金金13变形铝合金中，小于F点的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能EngineeringMaterials铝合金牌号变形铝合金防锈铝合金LF LF5（5A05）LF11（5A05）LF21（3A21）Al-Mn和AlMg系硬铝合金LY 1,LF11,（2A01，2A11，2A12）Al-Cu-Mg系超硬铝合金LC（7A04，7A06）Al-Zn-Mg-Cu系锻铝合金 LD5(2A50)，LD7(2A70),LD10(2A14)Al-Cu-Mg-Si系和AlCu-Mg-Ni-Fe系14铝合金牌号变形铝合金14EngineeringMaterials铝合金牌号铸造铝合金 Al-Si系、系、Al-Cu系、系、Al-Mg系、系、Al-Zn系系代代 号：号：ZL1、ZL2、ZL3、ZL4加两位数加两位数字的顺序号表示字的顺序号表示例如：ZL101 ZL108 ZL201 ZL301 ZL40115铝合金牌号铸造铝合金15EngineeringMaterials现象现象：纯铜、纯铝较软，而钢却很硬。不同的金属与：纯铜、纯铝较软，而钢却很硬。不同的金属与合金具有不同的力学性能。合金具有不同的力学性能。性能差别的原因性能差别的原因：材料内部具有不同的组织和结构。：材料内部具有不同的组织和结构。采用金相显微镜就可以看到它们的形貌。采用金相显微镜就可以看到它们的形貌。在在金金相相显显微微镜镜下下看看到到的的金金属属中中各各种种晶晶粒粒的的大大小小、形形状状和和分分布布称称为为显显微微组组织织，它它是是决决定定金金属属材材料料力力学学性性能能的的重重要要内内在在因因素素。有有色色金金属属晶晶粒粒比比较较大大，肉肉眼眼能能观观察察到。如镀锌层。到。如镀锌层。金金属属的的显显微微组组织织是是由由金金属属原原子子通通过过结结晶晶排排列列而而成成的的，在在显显微微镜镜下下所所看看到到的的一一个个个个金金属属晶晶粒粒是是由由千千千千万万万万个个金金属属原原子子排排列列而而成成的的，这这些些原原子子的的性性质质及及其其排排列列规律，是决定晶粒性质的规律，是决定晶粒性质的内在原因内在原因。16现象：纯铜、纯铝较软，而钢却很硬。不同的金属与合金具有不同的EngineeringMaterials1.1.1 纯纯金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属在固态下通常都是晶体。了解了解金属的性能，首金属的性能，首先必须了解金属的晶体结构。先必须了解金属的晶体结构。1.1.11.1.1晶体的基本知识晶体的基本知识(1)(1)晶体与非晶体晶体与非晶体一切物质都是由原子组成的。一切物质都是由原子组成的。固态的物质固态的物质按其原子的聚集状态按其原子的聚集状态分分为：为：晶体晶体(crystal)和和非晶体非晶体(non-crystal)两大类。两大类。晶体晶体是指是指原子原子按一定几何形状作有规律重复排列按一定几何形状作有规律重复排列的物体。的物体。在晶体中，原子按一定的几何规律作在晶体中，原子按一定的几何规律作周期性周期性地排地排列，称为列，称为有序排列有序排列。在非晶体中，原子无规则地堆集在一起，称为在非晶体中，原子无规则地堆集在一起，称为无无序排列序排列。171.1 纯金属的典型晶体结构 金属在固态下通EngineeringMaterials 在自然界中，绝大多数固体都是晶体。晶体之所以在自然界中，绝大多数固体都是晶体。晶体之所以具有这种规则的原子排列，主要是由于各原子之间相互具有这种规则的原子排列，主要是由于各原子之间相互吸吸引力引力和和排斥力排斥力相相平衡平衡的结果。的结果。由于晶体内部原子排列的规律性，有时可以见到某些由于晶体内部原子排列的规律性，有时可以见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐、黄铁矿等，物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐、黄铁矿等，但金属晶体一般看不到这种规则的外形。但金属晶体一般看不到这种规则的外形。晶体与非晶体之间在性能上存在着晶体与非晶体之间在性能上存在着明显的差异明显的差异。晶体晶体有固定的熔点（如铁为有固定的熔点（如铁为1538、铜为、铜为1083、铝为铝为660），且在不同方向上具有不同的性能，单晶体），且在不同方向上具有不同的性能，单晶体表现的表现的各向异性各向异性。非晶体非晶体没有固定的熔点，随温度升高，固态非晶体将没有固定的熔点，随温度升高，固态非晶体将逐渐变软，最终成为有显著流动性的液体。液体冷却时将逐渐变软，最终成为有显著流动性的液体。液体冷却时将逐渐稠化，最终变为固体逐渐稠化，最终变为固体(沥青、玻璃沥青、玻璃)。非晶体物质在各。非晶体物质在各个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现出个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现出各向同性。各向同性。晶体与非晶体之间的差异晶体与非晶体之间的差异!18 在自然界中，绝大多数固体都是晶体。晶体之所以EngineeringMaterials应当指出应当指出：晶体和非晶体在一定条件下可以：晶体和非晶体在一定条件下可以相互相互转化转化。例如玻璃经高温长时间加热能变为晶态玻璃；例如玻璃经高温长时间加热能变为晶态玻璃；通常是晶态的金属，如从液态急冷通常是晶态的金属，如从液态急冷(冷却速度冷却速度107/s)，也可获得非晶态金属。，也可获得非晶态金属。非晶态金属与晶态金属相比，具有高的强度非晶态金属与晶态金属相比，具有高的强度与韧性等一系列突出性能，故近年来已为人们所与韧性等一系列突出性能，故近年来已为人们所重视。重视。19应当指出：晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。19EngineeringMaterials 实际晶体中的各类质点实际晶体中的各类质点(包括离子、电子等包括离子、电子等)虽然都是虽然都是在不停地运动着，但通常在讨论晶体的一般结构时，为了在不停地运动着，但通常在讨论晶体的一般结构时，为了便于对问题的分析便于对问题的分析，仍然都是从，仍然都是从“静态静态”出发，并且通出发，并且通常把构成晶体的原子都看成是一个个常把构成晶体的原子都看成是一个个固定固定的小球，而不的小球，而不再去把它们细分为离子与电子。再去把它们细分为离子与电子。就是说，晶体是由一个就是说，晶体是由一个个原子的小球按一定的几何个原子的小球按一定的几何形状排列起来的。右图所示形状排列起来的。右图所示为一最简单的晶体结构模型。为一最简单的晶体结构模型。(2)(2)晶格、晶胞和晶格常数晶格、晶胞和晶格常数20 就是说，晶体是由一个个原子的小球按一定的几何EngineeringMaterials晶格晶格 在研究晶体结构时为了便于在研究晶体结构时为了便于分析各种晶体中原子排列规律和几分析各种晶体中原子排列规律和几何形状，通常把组成晶体中的每一何形状，通常把组成晶体中的每一个原子视为一个几何结点，并用假个原子视为一个几何结点，并用假想的几何直线把各结点中心连接起想的几何直线把各结点中心连接起来，便形成一个三维空间格架。这来，便形成一个三维空间格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的三维空间格架，称为结晶列方式的三维空间格架，称为结晶格子，简称格子，简称晶格晶格。还可以用另一种方法进行抽象，即把晶体中的原还可以用另一种方法进行抽象，即把晶体中的原子、离子或分子视为质点，不用线条将质点连接，这子、离子或分子视为质点，不用线条将质点连接，这种用于描述各种晶体结构的空间几何点的阵列，通常种用于描述各种晶体结构的空间几何点的阵列，通常称之为称之为空间点阵空间点阵，简称，简称点阵点阵。晶格或点阵都是用于研。晶格或点阵都是用于研究晶体结构的空间几何模型，但在金属学中通究晶体结构的空间几何模型，但在金属学中通常用常用晶晶格的概念。格的概念。21晶格 在研究晶体结构时为了便于分析各种晶体中原子排列规律和EngineeringMaterials晶胞晶胞 由于晶体中原子由于晶体中原子作周期性重复规则排作周期性重复规则排列，因此可以列，因此可以在晶格在晶格中选取一个能够完全中选取一个能够完全反映晶格特征的、最反映晶格特征的、最小的几何单元小的几何单元来表示来表示原子排列规律，这个原子排列规律，这个最小的几何单元称为最小的几何单元称为晶胞晶胞(crystal cell)。22晶胞 由于晶体中原子作周期性重复规则排列，因此可以在晶格中EngineeringMaterials晶格常数晶格常数 在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的长度参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的长度a，b，c和三个棱边夹角和三个棱边夹角、共六个参数。其中决定晶胞大共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。小的三个棱长又称为晶格常数。计量单位计量单位(埃埃)(1=110-8cm)。右图晶胞其晶格常数右图晶胞其晶格常数a=b=c，而，而=90，这，这种晶胞叫做种晶胞叫做简单立方晶胞简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。简单立方做简单立方晶格。简单立方晶格晶格只只见于见于非金属晶体非金属晶体中，中，在金属中则看不到。在金属中则看不到。23晶格常数 在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何参数称为EngineeringMaterials 各种晶体物质，或其晶格形式不同，或其晶格常数不各种晶体物质，或其晶格形式不同，或其晶格常数不同，主要与其同，主要与其原子构造、原子间的结合力原子构造、原子间的结合力(或称结合键或称结合键)的性质有关；的性质有关；晶格形式及晶格常数不同，不同晶体便表现出不同的晶格形式及晶格常数不同，不同晶体便表现出不同的物理、化学和机械性能。物理、化学和机械性能。晶系晶系 在自然界中，以晶体形式存在的物质极其繁多，晶在自然界中，以晶体形式存在的物质极其繁多，晶体类型也各式各样，结构很复杂。按照它们各自主要结构体类型也各式各样，结构很复杂。按照它们各自主要结构特点予以归纳分类。基本类型共有特点予以归纳分类。基本类型共有十四十四种，通常称为布拉种，通常称为布拉菲点阵。在晶体学中对这十四种点阵又可按其晶胞的棱边菲点阵。在晶体学中对这十四种点阵又可按其晶胞的棱边长度和夹角的不同而将它们归纳成长度和夹角的不同而将它们归纳成七大晶系七大晶系(即立方、菱方、即立方、菱方、正方、斜方、六方、单斜、三斜系正方、斜方、六方、单斜、三斜系)虽然，金属材料种类繁多，但我们常用的金属材料中，虽然，金属材料种类繁多，但我们常用的金属材料中，能遇到的晶体结构形式最多只有能遇到的晶体结构形式最多只有立方、正方、斜方及六方立方、正方、斜方及六方四种。四种。24 各种晶体物质，或其晶格形式不同，或其晶格常数不同EngineeringMaterials(1)(1)金属的特性和金属键金属的特性和金属键 晶体分为金属晶体与非金属晶体。晶体分为金属晶体与非金属晶体。金属晶体有它独特的性能，如具有金属光泽以及金属晶体有它独特的性能，如具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。良好的导电性、导热性和塑性。金属与非金属的金属与非金属的根本区别根本区别是金属的电阻随温度的是金属的电阻随温度的升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金属的电阻却随温度的升高而降低，即具有负的温度系属的电阻却随温度的升高而降低，即具有负的温度系数。数。金属之所以具有上述特性，是金属之所以具有上述特性，是由于金属原子内部由于金属原子内部的结构及原子间的结合方式决定的的结构及原子间的结合方式决定的。1.1.21.1.2金属的晶体结构金属的晶体结构25(1)金属的特性和金属键1.1.2金属的晶体结构25EngineeringMaterials 金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间及电子与的相互引力而结合起来的，而离子与离子间及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。的晶体状态。金属原子的这种金属原子的这种结合方式称为结合方式称为“金金属键属键”。右图为金。右图为金属键的示意图。除属键的示意图。除铋、锑、锗、镓铋、锑、锗、镓等等类金属为共价键结类金属为共价键结合外，其余的金属合外，其余的金属主要是金属键结合。主要是金属键结合。由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有一由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有一系列的金属特性，如：电流、电阻等。系列的金属特性，如：电流、电阻等。26 金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相EngineeringMaterials(2)(2)常见常见金属晶体的结构金属晶体的结构 由于晶胞可以描述晶格和晶体结构，因此研究晶体由于晶胞可以描述晶格和晶体结构，因此研究晶体结构就在于考查结构就在于考查晶胞晶胞的基本特性。的基本特性。根据根据原子排列原子排列规律律不同，可以将晶格的基本不同，可以将晶格的基本类型划型划分分为1414种，但种，但大多数金属晶格大多数金属晶格都属于都属于体心体心立方、立方、面心面心立立方及方及密排密排六方三种六方三种晶格晶格类型型(见下下图)。27(2)常见金属晶体的结构 根据原子排列规律不同，可以将EngineeringMaterials1.1.体心立方体晶格体心立方体晶格：体心立方体晶格属于体心立方体晶格属于立方立方晶系。示意图见下图。晶系。示意图见下图。晶格参数晶格参数为为a=b=ca=b=c；=90=90 立方体八角上个有一立方体八角上个有一个原子，体心处有一个原子。个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体每个体心立方体晶胞中的原子个数晶胞中的原子个数为为1/88+1=21/88+1=2个。个。属此晶格的金属有属此晶格的金属有：铬、钨、钼、钒、铬、钨、钼、钒、铁、铁、钛、铌等。钛、铌等。281.体心立方体晶格：属此晶格的金属有：铬、钨、钼、钒EngineeringMaterials2 2.面心立方体晶格面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于面心立方体晶格也属于立方立方晶系。示意见晶系。示意见下图下图。晶格参数晶格参数为为a=b=c；=90。在晶胞的八个角上共在晶胞的八个角上共有一个原子，六个面上共有一个原子，六个面上共3 3个原子，所以，每个面心立方体个原子，所以，每个面心立方体晶胞个有四个原子，即晶胞个有四个原子，即1/88+1/26=41/88+1/26=4个。个。属此晶格的金属有属此晶格的金属有：铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、铅等铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、铅等292.面心立方体晶格：属此晶格的金属有：铁、铝、铜、EngineeringMaterials3 3 密排六方晶格密排六方晶格：密排六方晶格属于六方晶系。示意见下图。密排六方晶格属于六方晶系。示意见下图。晶格参数晶格参数a=ba=b c c；=；=120=120。每个六方晶胞中有。每个六方晶胞中有六个原子，即六个原子，即1/612+1/22+3=61/612+1/22+3=6个。个。属此晶格的金属有属此晶格的金属有：镁、锌、铍、：镁、锌、铍、钛、镉等。钛、镉等。303 密排六方晶格：属此晶格的金属有：镁、锌、铍、钛、镉等。EngineeringMaterials(三三)晶格的致密度晶格的致密度晶格的致密度晶格的致密度：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。是每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。是用来表示晶体中原子排列的紧密程度用来表示晶体中原子排列的紧密程度经过计算可知：经过计算可知：体心立方体的致密度为体心立方体的致密度为0.68；面心立方体和密排六方晶格的致密度都是面心立方体和密排六方晶格的致密度都是0.74。31(三)晶格的致密度晶格的致密度：经过计算可知：31EngineeringMaterials1.2 1.2 实际金属的结构实际金属的结构1.2.11.2.1多晶体多晶体 内部晶格位向完全一致的晶体称内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶晶体体。理想的几何。理想的几何单晶体，在自然界中几乎是晶体，在自然界中几乎是不存在的。不存在的。我我们所所应用的金属由于它用的金属由于它们受受结晶条件晶条件和和许多其他因素的限制，其多其他因素的限制，其结构都是由构都是由许多多尺寸很小的，各自尺寸很小的，各自结晶方位都不同的小晶方位都不同的小单晶晶体体组合在一起的多晶体构成。合在一起的多晶体构成。由于其中每个小晶体的外形多由于其中每个小晶体的外形多为不不规则的的颗粒状，故通常称粒状，故通常称为晶粒晶粒(grain)(grain)。晶粒。晶粒与晶粒之与晶粒之间的交界称的交界称为晶粒晶粒间界界，简称晶界称晶界(grain boundary)(grain boundary)。由多晶粒组成的晶体结由多晶粒组成的晶体结构称为构称为多晶体多晶体(poly crystal)(poly crystal)。321.2 实际金属的结构1.2.1多晶体32EngineeringMaterials晶粒观察到的多边形颗粒晶粒观察到的多边形颗粒晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在般在101103mm左右，必须左右，必须在显微镜下才能看见，有色金属在显微镜下才能看见，有色金属用肉眼也能看到。用肉眼也能看到。实际上每个晶粒内部的晶格位向实际上每个晶粒内部的晶格位向在不同区域上还有微小的差别，在不同区域上还有微小的差别，一般仅一般仅1020左右，最多达左右，最多达12。这些在晶格位向上彼此有微小差这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为别的晶内小区域称为亚晶亚晶或嵌镶或嵌镶块，如图所示。因其尺寸较小，块，如图所示。因其尺寸较小，故常须在高倍显微镜或电子显微故常须在高倍显微镜或电子显微镜下才能观察得到。镜下才能观察得到。33晶粒观察到的多边形颗粒实际上每个晶粒内部的晶格位向在不同区EngineeringMaterials 这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局部原子排列不规则的区域。实际上，金属由于体中局部原子排列不规则的区域。实际上，金属由于结晶及其它加工等条件的影响，而使得晶粒内部也存结晶及其它加工等条件的影响，而使得晶粒内部也存在着大量的缺陷，更不要说晶界了。这些缺陷的存在，在着大量的缺陷，更不要说晶界了。这些缺陷的存在，对对金属的性能金属的性能(物理性能、化学性能、特别是机械性物理性能、化学性能、特别是机械性能能)都将发生显著的影响。都将发生显著的影响。根据晶体缺陷根据晶体缺陷(crystal defects)(crystal defects)存在形式的几何存在形式的几何特点，通常将它特点，通常将它们分分为：点缺陷点缺陷、线缺陷缺陷以及以及面缺陷面缺陷三大三大类。2.2.22.2.2晶格缺陷晶格缺陷34 这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局部原子EngineeringMaterials 是指晶体空间中，在是指晶体空间中，在长、宽、高三维尺度上长、宽、高三维尺度上都很小的，不超过几个都很小的，不超过几个原子直径的缺陷原子直径的缺陷 是指以一个点为中心。是指以一个点为中心。在它的周围造成原子排在它的周围造成原子排列的不规则，产生晶格列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体的畸变和内应力的晶体缺陷。缺陷。主要有主要有间隙原子间隙原子，置置换原子换原子，晶格空位晶格空位三种。三种。1.点点缺陷：缺陷：35 是指晶体空间中，在长、宽、高三维尺度上都很小的EngineeringMaterials 线缺陷线缺陷(line defect)是在晶体的某一平面上，沿着某是在晶体的某一平面上，沿着某一方向，伸展开来呈线状分布的一种缺陷。这种缺陷的一方向，伸展开来呈线状分布的一种缺陷。这种缺陷的特征是，在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺特征是，在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸则很短。这种缺陷的主要形式就是各种类型的位错寸则很短。这种缺陷的主要形式就是各种类型的位错(dislocation)。简单说就是指简单说就是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个管状区的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个管状区域。域。(2)线线缺陷缺陷 36 线缺陷(line defect)是在晶体的某一平面EngineeringMaterials 主要是指主要是指晶界和亚晶界晶界和亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原子的位置处于亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原子的位置处于两晶格的取向所能适应的两晶格的取向所能适应的折衷位置折衷位置上。上。面缺陷是有一定厚度的原子排列面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带不规则的过渡带。其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差的大小及晶格变化的纯度。的大小及晶格变化的纯度。通过上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近，均有明通过上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化。物理、化学和机械性能发生显著的变化。那么，金属中的那么，金属中的多晶结构和晶格缺陷是怎样形成的呢多晶结构和晶格缺陷是怎样形成的呢？为此就必须从金属凝固时的结晶过程谈起。为此就必须从金属凝固时的结晶过程谈起。3.面面缺陷：缺陷：37 主要是指晶界和亚晶界。通过上述讨论可见，凡EngineeringMaterials为什么要了解金属的结晶规律呢？为什么要了解金属的结晶规律呢？1.31.3金属的结晶金属的结晶 因为金属的因为金属的组织组织与与结晶过程结晶过程有密切关有密切关系，金属一般都要经过熔炼、浇注成形、系，金属一般都要经过熔炼、浇注成形、或浇注成铸锭再经冷热加工成形。这样结或浇注成铸锭再经冷热加工成形。这样结晶形成的组织，直接影响金属内部的组织晶形成的组织，直接影响金属内部的组织与性能。与性能。38为什么要了解金属的结晶规律呢？1.3金属的结晶EngineeringMaterials 物物质质从从液液体体状状态态转转变变为为固固态态晶晶体体的的过过程程称称为为结结晶晶(crystallize)。从从物物质质的的内内部部结结构构(指指内内部部原原子子排排列列情情况况)来来看看，结结晶晶就就是是从从原原子子不不规规则则排排列列状状态态(液液态态)过过渡渡到到规规则则排排列列状状态态(晶晶体体状状态态)的的过过程程。实实际际上上，液液体体状状态态下下原原子子的的排排列列并并非非完完全全没没有有规规则则，而而是是存存在在着着所所谓谓近近程程有有序序，但但这这些些排排列列是是不不稳稳定定的的，每每一一个个规规则则排排列列的的原原子子集集团团只只在在一一瞬瞬间间产产生生，接接着着就就消消失失。但但对对整整个个宏宏观观体体积积的的液液体体金金属属来来说说，在在每每一一瞬瞬间间都都存存在在着着许多近程有序的原子集团。许多近程有序的原子集团。1.3.11.3.1纯金属的结晶纯金属的结晶39 物质从液体状态转变为固态晶体的过程称为结晶(EngineeringMaterials(1)冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度 对于每种金属，存在着一定的平衡结晶温度对于每种金属，存在着一定的平衡结晶温度(用用T0或或Tm表示表示)，当液态金属冷却到低于这一温度时即开，当液态金属冷却到低于这一温度时即开始结晶。如水冷却到始结晶。如水冷却到0以下就要结冰一样。以下就要结冰一样。在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态。状态。为什么呢？为什么呢？因为这时液体中的原子结晶到晶体上的速度与晶因为这时液体中的原子结晶到晶体上的速度与晶体上的原子熔入液体中的体上的原子熔入液体中的速度相等速度相等。从宏观的范围看，这时既不结晶也不熔化，晶体从宏观的范围看，这时既不结晶也不熔化，晶体与液体处于平衡状态。与液体处于平衡状态。只有只有冷却到低于平衡结晶温度冷却到低于平衡结晶温度才能有效地进行结晶。才能有效地进行结晶。纯金属的结晶是在恒温下进行的，结晶过程可用纯金属的结晶是在恒温下进行的，结晶过程可用冷却冷却曲线曲线来描述。来描述。40(1)冷却曲线与过冷度纯金属的结晶是在恒温下进行的，结晶过程EngineeringMaterials金属的结晶温度可以用金属的结晶温度可以用热热分析法分析法测定。测定。热分析的大概的过程如热分析的大概的过程如下：先将金属加热到熔点下：先将金属加热到熔点温度以上熔化呈液态，然温度以上熔化呈液态，然后以非常缓慢的冷却速度后以非常缓慢的冷却速度冷却到室温，每隔一定的冷却到室温，每隔一定的时间记录一次温度值直到时间记录一次温度值直到室温。于是就建立起温度室温。于是就建立起温度时间的关系曲线，即时间的关系曲线，即冷冷却曲线却曲线，如图所示。，如图所示。当金属开始结晶时，由于放出结晶潜热，在冷却曲线上就出现一段水平线当金属开始结晶时，由于放出结晶潜热，在冷却曲线上就出现一段水平线(温度不变温度不变)，这段水平线所对应的温度就是实际结晶温度，这段水平线所对应的温度就是实际结晶温度(用用Tn表示表示)。实际结晶温度总是低于平衡结。实际结晶温度总是低于平衡结晶温度，两者之差称为晶温度，两者之差称为过冷度，过冷度，用用T表示。表示。T与冷却速度、金属纯度等因素有关。冷却速度愈快，过冷度愈大。实际金属的结晶总是在过冷的与冷却速度、金属纯度等因素有关。冷却速度愈快，过冷度愈大。实际金属的结晶总是在过冷的条件下才能进行。条件下才能进行。41金属的结晶温度可以用热分析法测定。当金属开始结EngineeringMaterials 纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小的纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小的小晶体，称为小晶体，称为晶核晶核(crystal nucleus)。它不断吸附。它不断吸附周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许多多不规则、尺寸大小不等的小晶体。因此，液态多多不规则、尺寸大小不等的小晶体。因此，液态金属的结晶过程包括晶核的形成与长大这相互联系、金属的结晶过程包括晶核的形成与长大这相互联系、相互重叠的两个过程，如图所示。相互重叠的两个过程，如图所示。成核分为成核分为自发自发成核和成核和非自发非自发成核成核。2.结晶过程结晶过程42 纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小的小晶体，EngineeringMaterials2.4.1晶粒度的概念晶粒度的概念 实实际际金金属属结结晶晶之之后后，得得到到由由大大量量晶晶粒粒组组成成的的多多晶晶体体。对对于于纯纯金金属属，决决定定其其性性能能的的主主要要结结构构因因素素是是晶晶粒粒的的大大小小。在在一一般般情情况况下下，晶晶粒粒愈愈细细，则则金金属属的的强强度度、硬硬度度、塑塑性性、韧韧性性愈愈好好。所所以以晶晶粒粒细细化化是是提提高高金金属属材材料料机机械械性性能能的的最最重要的途径之一。重要的途径之一。1.41.4晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制 晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。显微镜下呈颗粒状。晶粒大小即晶粒大小即晶粒度晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。粒的平均线长度（或直径）表示。晶晶粒粒度度与与生生核核速速率率N(晶晶核核形形成成数数目目/smm3)和和长长大大速速度度G(mm/s)有有关关。生生核核速速率率愈愈大大，则则结结晶晶后后晶晶粒粒愈愈多多，晶晶粒粒愈愈细细小小；相相反反，若若生生核核速速率率不不变变，晶晶核核的的长长大大速速度度愈愈小小，则则结结晶晶的的时时间间愈愈长长，生生核核的的晶晶核核愈愈多多，因因而而单单位位体积中的晶粒数愈多。体积中的晶粒数愈多。432.4.1晶粒度的概念1.4晶粒大小及其控制 EngineeringMaterials1.4.2晶粒度的控制晶粒度的控制(1)提高金属的过冷度提高金属的过冷度图图223是实际测得的金属是实际测得的金属结晶时的过冷度与形核率结晶时的过冷度与形核率与长大速度之间的关系。与长大速度之间的关系。增大过冷度的主要增大过冷度的主要办法办法是是提高液体金属的提高液体金属的冷却速度冷却速度。根据结晶过程的基本概念，为了获得细晶粒的结根据结晶过程的基本概念，为了获得细晶粒的结构，原则上可以采用以下几种措施。构，原则上可以采用以下几种措施。441.4.2晶粒度的控制(1)提高金属的过冷度增大过冷度的主要EngineeringMaterials(2)进行变质处理进行变质处理 金属的体积较大或形状复杂的铸件，生产上为金属的体积较大或形状复杂的铸件，生产上为了得到细晶粒铸件，多采用所谓变质处理。了得到细晶粒铸件，多采用所谓变质处理。变质处理变质处理就是在液体金属中加入就是在液体金属中加入孕育剂孕育剂或或变质变质剂剂，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等，都可使钢水中加入钛、钒、铝等，都可使晶粒细化晶粒细化；在铁水中加入硅铁、硅钙合金时，能使在铁水中加入硅铁、硅钙合金时，能使组织中的石墨变细组织中的石墨变细；在铝硅合金中加入钠盐，钠能在铝硅合金中加入钠盐，钠能富集在硅的表面，降低硅的长大速度，阻碍粗大的富集在硅的表面，降低硅的长大速度，阻碍粗大的硅晶粒的形成，使合金的组织细化。硅晶粒的形成，使合金的组织细化。(3)结晶时采用振动方法结晶时采用振动方法，使枝晶破碎，增加晶核，使枝晶破碎，增加晶核的数量，从而细化晶粒。的数量，从而细化晶粒。nf06030845(2)进行变质处理nf06030845EngineeringMaterials 在实际生产中，液体金属是在铸锭模或铸型中在实际生产中，液体金属是在铸锭模或铸型中结晶的，由于铸造工艺条件不同，如浇注温度、浇注结晶的，由于铸造工艺条件不同，如浇注温度、浇注方法、浇注尺寸及模型种类等等，都会对结晶过程产方法、浇注尺寸及模型种类等等，都会对结晶过程产生影响。生影响。1.5.11.5.1铸锭结构的形成铸锭结构的形成1.5 1.5 铸锭的结构铸锭的结构(1)表面细晶粒层表面细晶粒层(2)柱状晶粒层柱状晶粒层(3)中心粗大等轴晶粒区中心粗大等轴晶粒区金属铸件凝固时，由于金属铸件凝固时，由于表面和中心的结晶条件表面和中心的结晶条件不同，铸件的结构是不不同，铸件的结构是不均匀的。其组织是由如均匀的。其组织是由如下三层不同外形的晶粒下三层不同外形的晶粒组成：组成：46 在实际生产中，液体金属是在铸锭模或铸型中结晶EngineeringMaterials1.5.2 1.5.2 铸锭结构的特性铸锭结构的特性 钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因为钢的塑性较差，而且柱状晶平行排列呈为钢的塑性较差，而且柱状晶平行排列呈现各向异性，在锻造或轧制时容现各向异性，在锻造或轧制时容易发生开易发生开裂裂，尤其在柱状晶层的前沿及柱状晶彼此，尤其在柱状晶层的前沿及柱状晶彼此相遇处，当存在低熔点杂质而形成一个明相遇处，当存在低熔点杂质而形成一个明显的脆弱界面时，更容易发生开裂。显的脆弱界面时，更容易发生开裂。所以生产上经常采用所以生产上经常采用振动浇注或变质振动浇注或变质处理处理等方法来抑制结晶时柱状晶粒层的扩等方法来抑制结晶时柱状晶粒层的扩展。展。471.5.2 铸锭结构的特性47EngineeringMaterials主要的缺陷如下：主要的缺陷如下：1）缩孔和疏松）缩孔和疏松 除了除了Sb和和Bi外，所有的金属凝固时都发外，所有的金属凝固时都发生体积收缩。一般在铸锭顶部加一个保温冒口，冒口部分散生体积收缩。一般在铸锭顶部加一个保温冒口，冒口部分散热慢最后凝固而把缩孔集中在冒口中，在压力加工时将其切热慢最后凝固而把缩孔集中在冒口中，在压力加工时将其切除。在压力加工时，疏松一般可以焊合。除。在压力加工时，疏松一般可以焊合。2）气泡）气泡 溶解于液体金属中的气体，在金属凝固时，因溶解于液体金属中的气体，在金属凝固时，因气体在固态金属中溶解度较低而部分地析出，形成气泡。来气体在固态金属中溶解度较低而部分地析出，形成气泡。来不及上浮至液面就遗留在铸锭中。铸锭内部的气泡在压力加不及上浮至液面就遗留在铸锭中。铸锭内部的气泡在压力加工时一般可以焊合。但是，对于那些靠近铸锭表面的皮下气工时一般可以焊合。但是，对于那些靠近铸锭表面的皮下气泡，在轧制时往往造成起皮和裂纹等缺陷。泡，在轧制时往往造成起皮和裂纹等缺陷。除此以外，铸锭和铸件中往往还存在着各种类型的除此以外，铸锭和铸件中往往还存在着各种类型的偏析偏析(化学成分不均匀化学成分不均匀)，关于偏析的问题将在二元合金状态图中，关于偏析的问题将在二元合金状态图中进行讨论。进行讨论。1.5.31.5.3铸锭结构的缺陷铸锭结构的缺陷48主要的缺陷如下：1.5.3铸锭结构的缺陷48EngineeringMaterialsEND49END49