第二章 金属的晶体结构与结晶

习题讲解,1、,3、,2、,s 偏低,因为22HRC相当于234HBS， 所以符合要求。,调质钢：,HRC、HBS,手工锯条：,HRC、HV,硬质合金刀片：,HRA、HV,非铁金属：,HRB、HBS,灰铸铁件：,HBS,4、,（1）HBS210240：,错，布氏硬度数值应在前。,（2）450480HBS：,错，HBS测量范围小于450HBS,更正：210240HBS,（3）180210HRC：,错，HRC测量范围在2067之间。,（4）HRC2025：,错，洛氏硬度数值应在前。,更正：2025HRC,（5）HBW150200：,错，HBW测量范围450。,第二章 金属的晶体结构与结晶,讨论1：为什么不同的金属材料具有不同的力学性能？,化学成分不同，组织结构不同。,讨论2：即使同种金属材料，在不同的条件下也具有不同的力学性能，为什么？,因为组织结构不同。,理论和实践都表明：金属力学性能的差异是由其化学成分和组织结构（内部原子排列情况）决定的。,因此：为正确使用金属材料，我们有必要了解金属的晶体结构及其结晶规律。,第一节 金属的晶体结构,一、晶体结构的基本知识,1、晶体与非晶体,晶 体：内部原子呈规律性排列 的物质，如固态金属。,非晶体：内部原子排列没有规律 性的物质，如松香等。,晶体一般具有规则的外形，而非晶体一般没有；,晶体与非晶体在性能上有很大的区别：,晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点；,晶体呈现各向异性，而非晶体各向同性。,注意：现代科技在一定条件下，晶体与非晶体可以相互转化。,例如：晶态玻璃、 非晶态金属,2、晶格与晶胞,晶 格：用来描述原子在晶体中排列方式的几何格架。,晶胞： 因晶格中原子的排列是周期性的，为简便起见，从晶格中取出一个能反映晶格特征的最小几何单元来研究晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元就称为晶胞。,于是，晶格就可看成是由无数晶胞重复堆积而成的。,二、常见金属的晶体结构,不同金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。晶格形式很多，但大多数金属具有下列三种简单的晶体结构：,1、体心立方晶格,几何特征：,8个顶角各1，体心1,原子分布：,晶胞为立方体,1/88+1=2,晶胞原子数：,-Fe、Cr、Mo、W、V等,具有体心立方晶格的常见金属：,性能特点：,较高的强度和塑性,2、面心立方晶格,几何特征：,8个顶角各1,6个面心各1,原子分布：,晶胞为立方体,1/88+1/2 6=4,晶胞原子数：,Al、Cu、Au、Ni、-Fe等,具有面心立方晶格的常见金属：,性能特点：,很好的塑性,3、密排六方晶格,几何特征:,12个顶角各1，2个底面心各1，柱体中部3个,原子分布：,晶胞为六棱柱体,1/612+1/2 2+3=6,晶胞原子数：,Mg、Zn、Be等,具有密排六方晶格的常见金属：,性能特点：,塑性差，较脆,三、金属的实际晶体结构,1、多晶体结构,单晶体：,内部原子排列方向完全一致的晶体，即仅一个晶粒的晶体。,多晶体：,由许多晶粒（内部原子排列方向完全一致）构成的晶体。,单晶体,多晶体,2、晶体缺陷,空位和间隙原子,什么是晶体缺陷？,晶体内部原子排列不规则的区域。,1、点缺陷：,2、线缺陷：,位错,刃型位错示意图,3、面缺陷：,晶界和亚晶界,晶界：晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒间结晶位向一般相差300400。,亚晶界：实际金属的晶粒是由许多亚晶粒相互镶嵌而成的。小晶块位向差只有1020，这些亚晶粒之间的界面称为亚晶界。如图2-7（P24）。,讨论1：为什么实际金属的性能与理想金属相差甚远？,因为实际金属都是多晶体，晶界上原子排列不规则，且存在晶体缺陷。,讨论2：晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？,因晶体缺陷的存在引起晶格畸变，使塑性变形不容易进行，因而使金属常温下的强度和硬度提高。,晶体缺陷将因温度和加工过程的不同而产生、发展、运动，也可以合并或消失。,第二节 金属的结晶,什么叫金属的结晶？,金属由液态转变为固态的过程。即原子由不规则排列到规则排列的过程。,一、冷却曲线与过冷现象,过冷是结晶的必要条件。冷却速度越快，过冷度越大。,二、金属结晶过程,金属的结晶是一个不断形核和晶核不断长大的过程。 如图2-9（P25）。,三、金属结晶后的晶粒大小,1、晶粒大小对性能的影响,一般情况（常温）下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。,因此，生产中总是希望获得细小均匀的晶粒组织。,2、生产中怎样获得细小晶粒组织？,A、增大过冷度,B、进行变质处理,C、结晶过程中附加振动：机械 振动、超声波振动、电磁振动等。,讨论：我们现在已经了解到有哪几种强化金属的途径？,A、加工硬化,B、细晶强化,通过塑性变形提高强度和硬度。,通过细化晶粒提高强度和硬度。,第三节 合金的晶体结构与结晶,讨论：实际生产中大量使用的是合金而非纯金属，为什么？,纯金属的性能特点：良好的导电导热性、塑性和金属光泽。但一般强度、硬度较低。,纯金属的资源特点：冶炼较困难，价格成本较高。,因此，纯金属的使用受到限制。,一、基本概念,1、基本概念,A、合金：,由两种或更多种化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的、具有金属特性的物质。,B、组元：,组成合金最基本的独立物质。,钢：Fe-C 黄铜：Cu-Zn,C、合金系：,由给定组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,B、组元：,组成合金最基本的独立物质。,第三节 合金的晶体结构与结晶,讨论：实际生产中大量使用的是合金而非纯金属，为什么？,纯金属的性能特点：良好的导电导热性、塑性和金属光泽。但一般强度、硬度较低。,纯金属的资源特点：冶炼较困难，价格成本较高。,因此，纯金属的使用受到限制。,一、基本概念,1、合金：,由两种或更多种化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的、具有金属特性的物质。,2、组元：,组成合金最基本的独立物质。,钢：Fe-C 黄铜：Cu-Zn,钢铁：Fe-C合金,3、合金系：,由给定组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,4、二元、三元、多元合金：,由两种、三种、三种以上组元组成的合金分别称为合金； 二元、三元、多元合金。,钢铁：Fe-C合金系,5、合金的相：,合金系统中具有相同成分、相同结构、相同物理化学性能，并与该系统中其它部分以明显界面分开的组成部分。,例：高温时液相；碳钢室温时铁素体、渗碳体。,6、合金的组织：,金相分析的方法，观察到的金属及合金内部组成相的数量、大小、方向、形态及相互间结合状态等，称为合金的组织。,用肉眼或放大镜观察到的组织称为宏观组织；,在显微镜下观察到的组织称为显微组织。,7、单相组织、多相组织：,若合金是由成分、结构相同的同一种晶粒组成，则该合金中只有一个相，称为单相组织。,若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒组成，则该合金中有几个相同时存在，称为多相组织。,二、合金的相,1、固溶体：,合金在固态下，组元间相互溶解而形成的相。,例如：铁素体,定义：,根据合金各组元间相互作用的不同，合金在固态下的相有固溶体和金属化合物两类。,根据溶质原子所处位置：,根据溶解度：,类型：,间隙固溶体、置换固溶体,有限固溶体、无限固溶体,良好的塑性，较高的强度,性能：,作用：,基体相,2、金属化合物：,合金组元中金属与金属、或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物相。,定义：,例如：渗碳体Fe3C,硬度高、熔点高，脆性大,性能：,作用：,强化相提高强度、硬度,综述：,纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相。,绝大多数合金的组织都是由金属化合物分布在固溶体基体上形成的混合物。,混合物的性能介于各组成相之间，与组成相的性能、数量、形状、大小及分布有关。,