金属材料与热处理第二章

第二章 金属晶体与结晶

a)天然水晶 天然水晶和普通玻璃

b)普通玻璃

自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态和固态。 固态物质根据其结构的不同可分为晶体和非晶体。 一、晶体与非晶体 在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体 ，例如普通玻璃、松香、石蜡等均属于非晶体；相反，凡 原子呈有序、有规则排列的，称为晶体，例如石英、食盐 等，金属在固态下一般均属于晶体

二、金属的晶体结构

1. 晶体结构的概念晶体内部原子是按一定几何

规律排列的，为了便于理解，可以把原子看成一个小球，则金属 晶体就是由这些小球按一定规律

堆积而成的

晶体内部原子排列模型

为了更加直观地表示晶体中原子的排列规律， 再将原子简化成一个质点

,用假想的线将这些质点连接起来，就形成了具有 一定规律性的空间架格，

这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，称为 晶格，如图所示

a) 晶格

b) 晶胞

晶格和晶胞示意图

晶格类型

晶胞结构示意图

常见金属

2. 金 属 常 见 的 晶 格 类 型

体心立方晶格

铬(Cr)、钒(V)、钨( W)、钼(Mo)及α -铁( α -Fe)等

立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子

面心立方晶格

铝(Al)、铜(Cu)、镍( Ni)、铅(Pb)、金(Au) 及γ-铁(γ-Fe)等 立方体八个顶角和六个面的中心各有一个原子

密排六方晶格

镁(Mg)、锌(Zn)、镉 (Cd)、铍(Be)等 正六棱柱体的十二个顶角和上下两底面中心各有 一个原子，柱体中间还有三个原子

三、单晶体与多晶体 如果晶体内部原子的排列 位向是完整一致的，这样的的

晶体称为单晶体，如图所示。

单晶体示意图

绝大多数情况下，金属晶体 内部的原子排列并不是完整一致 的，而是由很多大小、外形和晶

格排列方向均不相同的小晶体组成的，这样的小晶体称为晶粒， 如图所示。每个晶粒的方位各不 相同，它们之间的交界面称为晶 界。象这样由许多晶粒组成的晶多晶体示意图

体称为多晶体。

四、金属的晶体缺陷 实际晶体中出现的各种不规则原子排列现象统称为晶 体缺陷，常见的晶体缺陷有以下几种： 1. 点缺陷——空位、间隙原子和置代原子

空位、间隙原子和置代原子示意图

2. 线缺陷——位错 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排的现 象叫作位错。在晶体中，位错的晶格畸变发生在沿“半原 子面”端面的狭长区域，故称为线缺陷。形式比较简单的 一种叫作“刃型位错”,如图所示。

a)立体图 刃型位错示意图

b)平面图

3. 面缺陷——晶界和亚晶界 实际生产中所使用的金

属材 料几乎都是多晶体，它们是由大 量外形不规则的晶粒相互衔接组 成的，晶粒与晶粒之间的分界面 就称为晶界。由于各晶粒彼此之 间的位向不同，所以，晶界处的 原子排列是不规则的，如图所示。晶界过渡结构示意图

试验证明，即使在一颗晶粒 内部，其晶格位向也并不象理想 晶体那样完全一致，而是分隔成 许多尺寸更小、位向差别不大的 小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶 粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚

晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错 所形成的小晶界，如图所示。亚晶界结构示意图

金属的晶体特性在实际生产中的应用1.金属的晶格类型在生产中的应用 金属的晶格类型与其力学性能和生产应用具有直接关 系。在金属常见的三种晶格类型中，面心立方晶格金属的 塑性最好，体心立方晶格金属次之，密排六方晶格金属最 差。塑性好的金属能够承受比较大的塑性变形，可以通过 轧制、挤压、冷拔、锻造、冲压等压力加工方法获得形状 相对复杂的产品。 部分金属的晶格类型随温度变化是可以改变的，可以 利用这一现象合理安排压力加工的工艺。

2.金属的晶体缺陷在生产中的应用金属实际晶体中存在的所有结构缺陷，都会造成 晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的

强度提高。在实际生产中，可以利用这一规律寻找强化金属的手段。

纯金属的结晶金属材料在生产和加工中通常要经过液态和固态的过 程。如在生产过程中首先通过冶炼得到液态金属，再转变 成固体状态。钢就是将从铁矿石中提炼出的液态生铁，放 到炼钢炉内熔炼，再浇铸成钢锭或者钢坯。金属材料在加 工过程中，也会遇到由液态转变为固态的情况，如铸造加 工就是将金属加热成液态后，再浇铸成一定形状的工件。 金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的 固体的过程称为结晶。

转炉炼钢

a) 浇铸示意图 钢锭浇铸示意图

b) 钢锭

一、纯金属的结晶过程 1.纯金属的冷却曲线及过冷度 纯金属的结晶过程可以 通过热分析法进行研究，右 图为热分析装置示意图。

热分析法装置示意图

1-电炉 2-坩埚 3-金属液 4-热电偶

将纯金属加热熔化成液 体，然后缓慢地冷却下来， 在冷却过程中，每隔一定时

间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度-时间 坐标图中，便获得了纯金属 的冷却曲线，如右图所示纯金属的冷却曲线