金属的性能、结构与结晶
金属的结构与结晶教案
金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。
通过图示展示金属原子的电子排布。
1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。
使用模型或图示来解释金属键的概念。
1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。
利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。
第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。
讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。
2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。
解释晶粒生长和晶界迁移的概念。
2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。
探讨晶界对金属性能的影响。
第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。
使用图示和模型展示位错滑移的过程。
3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。
分析不同晶体结构对塑性变形的影响。
3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。
解释织构对金属性能的影响。
第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。
讨论退火处理对金属性能的影响。
4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。
使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。
4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。
分析时效处理对金属性能的影响。
第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。
使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。
5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。
分析腐蚀过程的基本原理。
5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。
解释各种防护方法的原理和应用。
第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。
金属的结构与结晶
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之 差：ΔT=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。 晶核：形成规则排列的原子集团而成 为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外 来晶核两种。
2、结晶过程 液态金属中原子结晶的过程，即晶核 不断地形成及长大的过程，直到液态金 属已全部耗尽，结晶过程也就完成了， 如图所示。
金属的结构 与结晶
一 金属的结晶结构
一、晶体与非晶体 1.非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况 的，称为非晶体。 如：普通玻璃、松香、树脂等。
2.晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金 属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非 晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
(2)变质处理 在浇注时向液态金属中加入一定的变 质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸 件的整个体积内都能得到均匀细化的晶 粒。 (3)振动 机械振动、超声波振动、电磁振动等， 造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到 细化目的。 此外，还可以采用热处理和压力加工的 方法，使固态金属的粗晶粒细化。
二、同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是一成不变 的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶 格类型都会随温度的升高或降低而发生 改变。一种固态金属，在不同的温度区 间具有不同的晶格类型的性质称为同素 异构性。
单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列 方位完全一致)，如图所示。单晶体必须 专门人工制作，如生产半导体元件的单 晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现 象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金 属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于 各个晶粒位向不同，加上晶界的作用， 这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因 而整个多晶体呈现出无向性，即各向同 性。
3、晶粒大小与机械性能的关系 金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、 硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生 产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以 下几种方法： (1)加快冷却速度 金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动 力增加，生核速率增长要快一些，故过 冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒 较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外 层的晶粒较细，心部则是粗晶。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的不同因此原子结合力也就不同从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具有各向异性的原因
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
金属材料的微观结构与性能
金属材料的微观结构与性能金属材料是一类常见的构件材料，其具有硬度高、强度大、延展性好等特性，因此得到了广泛应用。
然而，这些特性并非凭空而来，而是由金属材料的微观结构和性能相互关联而成。
本文将探讨金属材料的微观结构与性能之间的关系。
一、金属的结晶结构金属材料是由某些金属元素按照一定比例混合而成的，其晶体结构是由多个原子按照特定规律有序排列而成的。
一般情况下，金属的晶体结构可以分为面心立方体结构、体心立方体结构、六方最密堆积结构等多种类型。
在这些结构中，原子之间的键强度以及原子排列的方式决定了金属材料的硬度、强度等性能特征。
二、晶体缺陷对金属性能的影响微观结构中存在着多种晶体缺陷，如位错、晶界、空洞等，这些缺陷不仅在生产过程中产生，也会在使用过程中逐渐形成。
晶体缺陷的存在常常会影响金属材料的性能。
以位错为例，它是由于晶体中形成了一条断裂层，破坏了晶体原本的完整性，使得位于位错周围的晶体处于应变状态。
当外力作用时，在位错处就容易产生塑性变形。
因此，在晶体缺陷的存在下，金属材料的塑性和韧性能得到了提高。
三、相变与金属材料性能的变化金属材料的微观结构是可以随着温度的变化而发生相应的变化，此时金属材料也会表现出不同的性能特征。
例如在加热过程中，当温度达到一定值，原本的晶体结构会产生相变，晶体结构变得更加有序，同时也伴随着性能的改变。
举个例子，铝被加热到一定温度后，会从面心立方晶体结构相变成为体心立方晶体结构，此时铝材料的硬度和强度会有所提高。
四、微观结构的控制正如上述所示，金属材料的微观结构直接影响着其性能特征。
因此，金属材料的性能控制通常也是对其微观结构的控制。
其中最重要的手段是热处理工艺，通过热加工来改变材料的组织结构和化学成分，以期达到理想的性能目标。
在热处理过程中，对于金属材料中的晶界、位错等缺陷也可通过特定手段进行控制和改善。
总之，金属材料的微观结构与性能的关联是密不可分的。
在日常应用中，我们需注意微观结构的变化，以期最大程度地发挥金属材料的性能。
金属晶体结构及结晶
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物 质的性能。 原子、离子、分子之间的结 合力称为结合键。它们的具 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
第三章金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
绪论,第一章金属的结构与结晶
73
1、过冷现象：金属的实际结晶温度低于 理论结晶温度（熔点）。 2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实 际结晶温度Tn之差。 △T=Tm-Tn>0 3、同一成分的金属，冷却速度愈大，则 过冷度也愈大。 4、临界过冷度（△Tk）：过冷度有一最 小值，若过冷度小于这个值，结晶过程 就不能进行。
74
(二)结晶过程的微观现象
原子密度最大的晶面是（111），
晶向是［110］。
51
52
(四)晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而晶体在不同方向上的性能 有所差异。 如冷轧硅钢片，当易于磁化的〈100〉 晶向平行于轧制方向时，得到优异的磁导 率。
53
§ 1-2金属的实际结构和缺陷
一、多晶体结构 1、单晶体：内部的晶格位向完全一致的 晶体。
九江长江大桥 : 跨度216 米,始建于 1973年12月，1992年公路桥建成通车，
3
§0-2 影响金属材料性能的因素 一、化学成分 组成金属材料的各种元素的种类及其浓 度（一般用重量百分数）。 成分 铝 抗拉强度(MPa) 20-80 延伸率 （%） 32-40
铜
纯铁
200-240
250-330
6
3、显微组织：用100-2000倍的显微镜所观 察到的组织。（反映了晶粒的种类、形状、 大小以及各种晶粒的相对数量和相对分布）
通常所说的组织就是指显微组织。
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第一章
金属的结构与结晶
16
§1-1金属的晶体结构 一、晶体的概念 1、晶体：原子(离子)呈规则排列的物质。 2、晶体结构（结构）：构成晶体的原子在 三维空间的具体的排列方式。 3、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间 格子。 建立：原子简化成点，用假想线连接点。
金属材料性能与晶体结构关系密切
金属材料性能与晶体结构关系密切引言：金属材料是一种广泛应用于工程领域的材料，具有优异的力学性能、导电性能和导热性能。
而这些性能与金属材料的晶体结构密切相关。
本文将详细介绍金属材料的晶体结构和相关性能的关系，包括力学性能、导电性能和导热性能等。
通过深入了解这种关系，可以为金属材料的设计和应用提供理论指导。
一、晶体结构对金属材料力学性能的影响晶体结构是金属材料内部原子之间的排列方式。
金属材料的力学性能，如强度、韧性和塑性等，与晶体结构有着密切的关系。
1. 晶体结构对金属的强度影响金属材料的强度取决于其晶体结构。
晶体中原子的排列方式影响了金属材料的结晶边界和晶界的数量和分布。
晶界对应力的传递和材料的变形起到重要作用。
例如，纯度高、晶粒细小且均匀分布的金属具有较大的结晶边界和晶界面积，这些结构特点使得金属材料具有高强度和良好的机械性能。
2. 晶体结构对金属的韧性影响韧性是金属材料抵抗断裂的能力。
晶体结构对金属材料的韧性有重要影响。
盐式结构和面心立方结构的金属通常具有较好的韧性。
这是因为这些结构具有较高的晶体对层间滑移的容许性，使得金属材料在受力时能够发生微观塑性变形，从而增强了其韧性。
3. 晶体结构对金属的塑性影响晶体结构对金属材料的塑性起到至关重要的作用。
例如，面心立方结构的金属通常具有良好的塑性，因其具有多个可滑移的晶面和晶向。
滑移是材料发生塑性变形的重要机制，面心立方结构的金属由于滑移位错能多，易于变形，具有较好的塑性。
二、晶体结构对金属材料导电性能的影响金属材料晶体结构的特点决定了其导电性能。
晶体结构影响了电子在金属中的移动性和导电性。
1. 金属材料的电子在特定能级上自由移动金属的导电性能基于其电子在能带中的自由移动。
晶体中的离子排布使得金属材料内部具有自由电子。
金属晶体的特殊构造使得电子在金属内部能够较容易地从一个原子跃迁到另一个原子。
这种电子的自由移动性使得金属材料具有良好的导电性能。
2. 导电性与晶体结构的关联一些晶体结构对金属材料的导电性能有着直接影响。
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
02第二章 金属的晶体结构与结晶
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
金属材料纲要第一章金属的结构与结晶 Microsoft Word 文档
金属材料绪论1、金属：由单一元素组成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。
如：金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。
2、合金：是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法合成的具有金属特性的材料。
3、金属材料是金属及其合金的总称。
4、材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能决定用途。
第一章金属的结构与结晶§1-1金属的晶体结构1、自然界中绝大多数固态物质是晶体，少数为非晶体。
所有金属都是晶体。
2、晶体：原子呈有序，有规则排列的物质。
例：所有金属，石英，云母，明矾，食盐，糖，味精，硫酸铜。
晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。
3、非晶体：原子呈无序，无规则堆积的物质。
例：玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶。
晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。
4、晶格：能反映原子排列规律的空间格架。
晶胞：能完整反映晶体晶格特征的最小几何单元。
5、晶格类型体心立方晶格α—Fe 、钨（W）、钼（Mo）晶格类型面心立方晶格γ—Fe、金（Au）、银（Ag）、铜、铝、密排六方晶格镁、锌金刚石和石墨都是由碳原子组成，但由于晶格结构不同性能差异巨大。
6、金属由许多小晶粒组成，晶粒之间的交界称为晶界。
晶界越多金属材料的力学性能越好。
7、单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。
单晶体必须人为制造。
表现为各向异性。
多晶体：普通金属材料都是多晶体。
整个多晶体表现为各向同性。
8、晶体缺陷：晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。
它在塑性变形和热处理中起重要作用。
点缺陷：空位原子、间隙原子、置代原子晶体缺陷线缺陷：刃位错面缺陷：晶界、亚晶界§1-2 纯金属的结晶1、结晶：生产中金属的凝固过程就是结晶。
结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体（晶体）状态的过程。
结晶潜热：结晶过程中放出的热量称为结晶潜热。
2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
过冷度与冷却速度有关 ，冷却速度越快过冷度越大。
金属材料的晶体结构与结晶
1.1.1 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素 组成的具有金属特性的物质。
组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合 金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组 元组成的合金称为多元合金。
合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成 部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相 组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相 的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。
非晶体
晶体
金属材料的晶体结构与结晶
1.晶体结构的基本知识
图2-1 晶体结构示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方
晶格三大类。 1）体心立方晶格 body—centered cubic lattice 特点：b 较好。如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
图2-7 刃型位错示意图
金属材料的晶体结构与结晶
（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第 三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。
晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为5～10个原子间距。晶界区域的晶 粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界 是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列 都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性 和韧性。
图2-10 液态金属的结晶过程示意图
金属材料的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
金属的晶体结构与结晶
二、晶体结构的概念
2.晶胞 由于晶体中原子的排列是有规律的，晶胞是由许多形状、大小相同的最小几何 单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。晶胞 的大小及几何形状用晶胞的三条棱边长度 a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、 γ六个参数来描述，其中晶胞的各棱边长为 a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数 a=b=c，棱边交角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
一、晶体与非晶体
2.非晶体 在物质的内部，凡原子呈无序堆积状况的称为非晶体。如:普通玻璃、石蜡、 松香、树脂、沥青等都是常见的非晶体。非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。
二、晶体结构的概念
1.晶格 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把原子看成是一个 小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体。 为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子简化成一个点，再用假想的线段 将这些代表原子的各点连接起来，就构成了有明显规律性的空间格架。这种用来描 述原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格。
三、金属晶格的类型
金属的晶格类型很多，但绝大多数（85%）金属属于以下三种晶格: 1.体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于 这种晶格类型的金属有铬、钒、钨、钼及α-Fe等。 2.面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的 中心。属于这种晶格类型的金属有铝、铜、铅及γ-Fe等。 3.密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角及上、下底面的中 心，另外三个原子排列在柱体内，如图2 15所示。属于这种晶格类型的金属有镁、 锌、铍等。
晶体的概念和特点。 金属晶格常见类型。 金属晶格的缺陷。
化学金属细节知识点总结
化学金属细节知识点总结金属元素的特性1. 金属元素的晶体结构：金属元素通常具有紧密的结晶结构，其原子之间通过金属键相互连接。
金属键是一种特殊的化学键，是由金属原子之间的电子云共享形成的。
金属键的存在使得金属元素具有良好的导电性和导热性，因为电子在金属中可以自由流动。
2. 金属元素的物理性质：金属元素通常具有良好的延展性和韧性。
这是由于金属元素的结晶结构和金属键的存在使得金属元素可以在受力作用下发生塑性变形，而不易断裂。
此外，金属元素的延展性还使得金属可以被拉成细丝或者轧制成薄片。
3. 金属元素的化学性质：金属元素通常具有较强的还原性，能够失去电子形成阳离子。
此外，金属元素在化学反应中通常是电负性较低的，因此通常表现出氧化性。
金属元素的化学反应1. 金属的氧化反应：金属在空气中与氧气发生氧化反应，产生金属氧化物。
金属氧化物通常是碱性或者弱碱性的，可以与酸发生中和反应，生成盐和水。
2. 金属的酸反应：金属与酸发生反应，生成氢气和相应的盐。
3. 金属的碱反应：金属与碱发生反应，生成氢气和相应的盐。
4. 金属的还原反应：金属在一些化学反应中可以发生还原反应，失去电子形成阳离子。
例如，金属可以与一些金属离子发生置换反应，生成新的金属和金属离子。
金属元素的应用1. 电工材料：金属元素具有良好的导电性和导热性，因此广泛应用于电线、电缆、电路板等电器材料中。
2. 结构材料：金属元素通常具有较好的机械性能，因此广泛应用于建筑结构、汽车、航空航天器等领域。
3. 金属合金：金属元素可以与其他元素合金化，形成具有特定性能的金属合金。
金属合金具有较好的性能，广泛应用于各种领域。
4. 化学催化剂：一些金属元素及其化合物具有较好的催化活性，被广泛应用于化学反应中。
总之，金属元素是化学中重要的一类元素，具有独特的物理化学性质及广泛的应用价值。
对金属元素的深入了解不仅有助于深入理解化学原理，同时也能够为金属材料的应用提供理论指导。
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第一章 金属的性能
一、填空(将正确答案填在横线上。
下同）
1、金属材料的性能一般分为两类。
一类是使用性能,它包括—————————、、————
————和—————————等。
另一类是工艺性能，它包括————————、、————————、————
————和————————等。
２、大小不变或变化很慢的载荷称为———载荷,在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷称为—————载荷，大小和方向随时间发生周期变化的载荷称为—————载荷。
３、变形一般分为—————变形和—————变形两种。
不能随载荷的去除而消失的变形称为—————变形。
４、强度是指金属材料在————载荷作用下,抵抗———————或—————的能力。
5、强度的常用衡量指标有——————和———————,分别用符号———和———表示。
6、如果零件工作时所受的应力低于材料的———————或——————————，则不会产生过量的塑性变形。
7、有一钢试样其截面积为10０mm 2，已知钢试样的 MPa S 314=σ
MPa b 530=σ 。
拉伸试验时，当受到拉力为—————— 试样出现屈服现象,当受到拉力为—————— 时，试样出现缩颈。
８、断裂前金属材料产生—————— 的能力称为塑性。
金属材料的—————— 和——————的数值越大,表示材料的塑性越好。
９、一拉伸试样的原标距长度为50mm,直径为10mm 拉断后试样的标距长度为79ｍｍ,缩颈处的最小直径为4．９ mm,此材料的伸长率为—————，断面收缩率为——————。
10．金属材料抵抗————载荷作用而—————————能力。
称为冲击韧性。
１1.填出下列力学性能指标的符号：屈服点———，抗拉强度————，洛氏硬度Ｃ标尺————,伸长率———,断面收缩率————，冲击韧度————,疲劳极限————。
二、判断（正确打√，错误打×。
下同) １、弹性变形能随载荷的去除而消失。
（ ）
2、所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。
（ )
3、材料的屈服点越低，则允许的工作应力越高。
( ）
4、洛氏硬度值无单位。
( ）
5、做布氏硬度试验时,当试验条件相同时，其压痕直径越小,材料的硬度越低。
( ）
6、材料对小能量多次冲击抗力的大小主要取决于材料的强度和塑性。
（ ) ７、布氏硬度测量法不宜于测量成品及较薄零件。
( ）
8、洛氏硬度值是根据压头压入被测定材料的压痕深度得出的。
( ) 9、铸铁的铸造性能比钢好，故常用来铸造形状复杂的工件。
三.选择(把正确答案填入括号内。
下同)
１、拉伸试验时,试样拉断前所能承受的最大应力称为材料的（)。
Ａ.屈服点B．抗拉强度弹性极限
2、做疲劳试验时，试样承受的载荷为(）
A.静载荷
B.冲击载荷．C交变载荷
3、洛氏硬度C标尺所用的压头是()
A..淬硬钢球
B.金刚石圆锥体Ｃ.硬质合金球
4.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）
A..塑性Ｂ.硬度 C.强度
5．用拉伸试验可测定材料的（)性能指标。
A.．强度Ｂ．硬度Ｃ.韧性
四．名词解释
1．弹性变形与塑性变形
2．疲劳极限与抗拉强度
五.简述
１.画出低碳钢力—伸长曲线,并简述拉伸变形的几个阶段。
2.什么是塑性？塑性对材料的使用有什么实用意义？
第二章金属的结构与结晶
一、填空
1．原子呈无序堆积状况的物体叫————————。
原子呈有序有规则排列的物体称
为
———————。
一般固态金属都属于
———————。
—
２.在晶体中由一系列原子组成的平面，称为
——————。
通过两个或两个以上原
子中心的直线,可代表晶格空间排列的
——————的直线,称为
——————。
3.常见的金属晶格类型有————————、———————和———————三种。
铬属于———————
晶格，铜属于
———————晶格，锌属于
———————
晶格。
4.金属晶体结构的缺陷主要有——————、——————、——————、——————、——————
和
——————等。
晶体缺陷的存在都会造成
——————
，使
——————
增大,从而使金属的
—
—————
提高。
7．————————与———————之差称为过冷度。
过冷度的大小与———————有关，————
———越快，金属的实际结晶温度越
———————
，过冷度也就越大。
8．金属的结晶过程是由——————和———————两个基本过程组成的。
9.金属在————态下,随温度的改变,由——————转变为———————的现象称为同素异构转变。