机械工程材料与热加工工艺1第二章

工业用金属一般是多晶体---- 多个单晶体（晶粒） 组成 呈现出各向同性
几个名词：晶界

亚晶粒:晶粒内部不同晶格位向的区域.

亚晶界
2、实际金属的晶体缺陷
金属中原子排列的不完整性 (1)点缺陷—空位,间隙原子（离位原子）.
置换 原子 特点：三维尺寸都很小 (2)线缺陷—位错（位错线） 特点：二维尺寸都很小，另一维尺寸相对较长 以位错密度表示 “ρ” 单位 cm/cm3或cm2 (3)面缺陷—晶界,亚晶界 “亚晶”（界） 特点：一维尺寸很小，另二维尺寸相对较大 晶体缺陷并非一成不变
弱、负电性相差小）
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b.原子半径相差不大（较小）； c. 晶格类型相同；（晶体结构） ★注意：三个条件必要但不充分！
例 Fe与Au…
（2）间隙固溶体
d质/d剂 ＜ 0.59 奥氏体 铁素体
溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。
取决于原子半径差和溶剂晶格中间隙半径
3）. 固溶强化 （性能）
四、金属的结晶
1. 金属结晶的概念
温度—时间坐标
过冷—实际结晶温度(Tn)

总是低于熔点(T0)
过冷度 △T=T0-Tn
“过冷” 是金属结晶的必要条件
△T与V冷金属种类、结构、纯度有关 同一金属 V冷↑ △T↑ 结晶平台：结晶潜热补偿外逸热量，Tn不变，液固共存。
四、金属的结晶

┗溶质原子溶入溶剂中形成的固溶体,使金
属的强度.硬度升高的现象称为固溶强化。
一种强化方式，提高材料机性的主要途径 之一
固溶体σb↑. HB↑,但仍不高,仍保持相当δ.ak,工 业常用作基本相,还需强化相---金属化合物。
2.金属化合物
合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它 的晶体结构.性能.熔点与两组元都不同，并具有金 属特征，这种相称为金属化合物 。
2. 金属结晶的能量条件
高能→低能
温度 T >T0 F固>F液 液体较稳 T <T0 F 固<F液 结晶自发进行 To 理论结晶温度
Tn↓ △T↑ 两相F差大，结晶加速 3. 金属结晶的基本过程
（1） 形成晶核：自发形核 难

非自发形核 多
（2） 晶粒长大 树枝状方式长大
（2）变质处理（增加形核率或减小长大率） （3）振动、搅拌 5. 金属的铸锭组织（宏观 ） （1）表层细等轴晶区 细.薄 （2）柱状晶区 ⊥模壁，厚
穿晶（横晶） 各向异性 （3）中心粗等轴晶区 △T小 晶粒粗大疏松
§2 合金的结构与二元合金相图
一.合金——由2或2种以上元素组成的具有金属 特性 的物质。 如：钢铁(Fe-C)、黄铜(Cu-Zn) 青铜(Cu-Sn.Cu-AI…)、硬铝(AI-Cu-Mg)
4、晶粒大小及其控制
晶粒
晶界 不规则 畸变 不稳定… 塑
变抗力↑.强度↑.硬度↑
晶粒小，晶界多，塑韧性好，抗力小
∴控制晶粒要小 ，要细化
形核率（形核速度）N
长大率（长大速度）G
要细化 总的要 ↑N ↓G 比值N/G↑
★细化晶粒的措施
（1）提高金属在结晶时的冷却速度 （提高过冷度）；
Fe + C → Fe3C Bcc.Fcc +六方→复杂晶格 硬 脆 δ↓

（1）正常价化合物
以形成分（2）电子化合物 电子浓度

（3）间隙化合物（间隙相、具有复杂
结构的间隙化合物） 碳化物 氮化物 …
3、机械混合物
单一固溶体强度不够高，应用受限；金属化合物 都是硬而脆，无法用；一般固溶体为基本相 + 分 布少量金属化合物强化相（第二相.中间相），具 有足够的强度，良好的塑性，即机械混合物。常 见钢、铜. 黄铜. 铝合金…
结论
fcc 4 12 74% 0.41r γ-Fe.AI.Cu. 最紧排列
bcc 2 8 68% 0.29r α-Fe.Cr.W. 次紧排列
hcp 6 12
74% 0.41r Mg.Zn.Be 最紧排列
三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷
1. 单晶体 多晶体
单晶体具有各向异性
晶体的各向异性： 晶体不同方向上的性能差异
系——所研究合金的系统 组元—— 组成合金最基本，能独立存在的物质
相——具有同一化学成分、同一晶体结构，并 以界面相互分开的各个均匀组成部分。
例如： Fe在912℃ α―Fe→γ―Fe Bcc→Fcc, 液→固, 固→另一固…
二.固态合金中的相结构
两类相结构： 固溶体 金属化合物
1.固溶体 组成合金的元素在固态下能够溶解某些元素（互相
溶解），从而形成一种成分和性能均匀的新相， 称为固溶体。
☆特征：溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍然保持溶
剂的晶格。
无限固溶体 Cu-Ni…
置换固溶体 有限固溶体
固溶体
间隙固溶体 溶解度总是有限的。
（1）置换固溶体
d质/d剂 >0.59 置换固溶体—— 溶解方式叫做置换溶解。 ☆无限固溶满足三个条件： a.原子外层电子结构相近（电化学亲和力
二元合金相图的基本类型
2、常见的三种金属晶格
两个参数：
（1） 配位数： 愈大 愈紧密
（2） 致密度： 致密度 ↑ 紧密程度↑

面心立方晶格fcc(Cu,Al,Y-Fe)
晶格类型 体心立方晶格bcc (a-Fe,δ-Fe)

密排六方晶格hcp (Mg,Zn,Ti)
常见的三种金属晶格比较
晶格 原子数n 配位数 致密度 间隙半径 代表金属
各组元仍保持原来的晶格类型；强度.硬度高于单 一固溶体，但塑性、可锻性不如单一固溶体。 ∴ 锻钢先加热→单一固溶体（A），再锻打。
组织----显微镜下看到的具有一定形貌或形态的部 分称为组织。有单相.多相
三.二元合金相图
相图—就是表示不同浓度合金结晶过程的简明图 解。或叫状态图. 平衡图.
第二章 金属及合金的结构与结晶
§1. 金属的结构与结晶 一、金属键与金属的特性（导电性，导热性，塑性）
正离子和自由电子的相互吸引 使金属原子相互 结合的方式形成金属健。 二、金属的晶体结构 1、晶体的概念 晶体 有规则 非晶体 无规则 几个名词：晶格、晶胞、结点、晶格常数 Å为单位（1Å=10-10m）、晶面、晶向