第三章金属材料的结构

1）金属结晶时的过冷现象

图中的T0为理论结晶温度，它是液态金属在 无限缓慢冷却条件下的结晶温度。而实际生 产中，液态金属都是以较快的速度冷却的， 液态金属只能在理论结晶温度以下才开始结 晶，这种实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象称为过冷，与T0之差为过冷度△T，即 △T＝T0－T1。冷却速度越快，△T越大。特 定金属的过冷度不是一个定值，它随冷却速 度的变化而变化，冷却速度越大，过冷度越 大，金属的实际结晶温度也就越低。

金属晶体中的位错很多，相互连结成网状 分布。位错线的密度可用单位体积内位错 线的总长度表示，位错密度愈大，塑性变 形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形， 提高位错密度，是强化金属的有效途径之 一 考虑一下，上节课我们介绍的拉伸特性曲 线中，哪个现象与线缺陷有关？

（3）面缺陷

面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述，晶界是晶 粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适 应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向 逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间 的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态 或两种晶粒位向的折衷位置上。另外，晶粒内部 也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶 块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10-4~106cm。亚晶粒的交界称为亚晶界。
晶界ห้องสมุดไป่ตู้作用


晶界处原子排列杂乱，处于高能量状态， 划移变形和位错运动受阻。所以，晶粒越 细，晶界越多，对变形的抗力越大，屈服 强度越高。 随着外力的持续作用，有利于划移和能参 加划移的晶粒增多，塑性变形由更多的晶 粒承担，同时也不会造成不均匀变形而引 起的应力集中，因此，不会开裂。所以， 晶粒越细，塑性变形能力越好。
结合键
分子键（范德华键） 水、陶瓷、塑料，它们的分子或原 子团，自身具有极性，即分子的一部分带 正电，另一部分带负电，这就存在分子相 互吸引的作用力，称为分子键（范德华 键）。结合力很弱，容易被破坏，容易变 形，所以材料具有很好的塑性。
2） 晶体的基本概念


晶体是指基原子具有规则排列的物体 晶体结构是指晶体内部原子规则排列的 方式 晶体结构不同，其性能往往相差很大
过冷度的影响

金属结晶时的冷却速 度愈大，其过冷度便 愈大，不同过冷度 ⊿T对晶核的形成率 N（晶核形成数目 /s•mm3）和成长率 G（mm/s）的影响 如图所示


在图中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的 相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得 到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要 的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部 实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈 大时，金属的晶粒度便愈细 图中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的 结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示， 但近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速 冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成 率和成长率确能再度减小为零，此时金属将不再 通过结晶的方式发生凝固，而是形成非晶质的固 态金属
其它结合键
离子键
部分陶瓷材料和矿物，依赖离子键 结合在一起。即：两种原子通过得失电子， 而通过库仑力的作用相互吸引。如各种盐、 碱、金属化合物等。结合力很强，因此物 质的熔点、沸点、硬度很高，膨胀系数小， 脆性大。
结合键
共价键
一些陶瓷如金刚石、氧化硅等，依 赖共价键结合在一起。即：两种原子依赖 共用电子对产生的结合力而结合在一起。 属于强键，所以材料硬度很高，脆性大。


由每个晶核长成的晶体称为晶粒，晶粒之 间的接触面称为晶界。晶粒的外形是不规 则的。因此，金属实际上是由很多大小、 外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组 成的多晶体。 晶粒的大小对金属的性能影响很大。因为 晶粒小则晶界就多，而晶界增强了金属的 结合力。因此，一般金属的晶粒越小，强 度、塑性和韧性就越好。生产上常用增加 冷却速度或向液态金属加入某些难熔质点， 以增加晶核数目，而细化晶粒。
（1）点缺陷





点缺陷的具体形式有如下三种。 (1) 空位 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点， 称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动 等）脱离其晶格节点将产生此类点缺陷。这些点缺陷的存 在会使其周围的晶格产生畸变。 (2) 间隙原子 在晶格节点以外存在的原子，称为间隙 原子。在金属的晶体结构中都存在者间隙，一些尺寸较少 的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。 (3) 置换原子 杂质元素占据金属晶格的结点位置称为 置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较 大时，容易形成置换原子。 三种点缺陷的形态如图所示。
2） 结晶的过程


液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核 的成长两个阶段。 晶核的形成，一是由液态金属中一些原子 自发地聚集在一起，按金属晶体的固有规 律排列起来称为自发晶核。二是由液态金 属中一些外来的微细固态质点而形成的， 称为外来晶核。


图为金属结晶过程示意图 当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子 团开始变得稳定，成为极细小的晶体，称之为晶 核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一 定的几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体 在各个方向生长的速度是不一致的，在长大初期， 小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大， 晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它 部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴， 称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶 轴，二次晶轴、三次晶轴、…，成树枝状，当金 属液体消耗完时，就形成晶粒。

实际的金属都是由很多小晶体组成的，这 些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。 晶粒内部的晶格位向是均匀一致的，晶粒 与晶粒之间，晶格位向却却彼此不同。每 一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒 之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组 成的晶体称为多晶体，如图所示。

多晶体的性能在各个方向基本是一致的， 这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各 向异性的，但它们的晶格位向彼此不同， 晶体的性能在各个方向相互补充和抵消， 再加上晶界的作用，因而表现出各向同性。 这种各向同性被称伪各向同性。

晶粒的尺寸很小，如钢铁材料的晶粒尺寸 一般为10-1~10-3mm左右，必须在显微镜 下才能观察到。在显微镜下才能观察到的 金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称 显微组织，简称组织。金属的组织对金属 的力学性能有很大的影响
2） 晶体缺陷

实际上每个晶粒内部，其结构也不是那么 理想，存在着一些原子偏离规则排列的不 完整性区域，这就是晶体缺陷。
未熔杂质的影响

任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可 与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固 体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当 其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显 著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为 当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着 这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露 于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至 会远大于加速冷却增大过冷度的影响
1 、金属的晶体结构
1）金属键 2）晶体的基本概念 3）常见纯金属的晶格类型
1） 金属键
金属元素往往失去最原子外 层的价电子，而变成正离子，失 去的电子形成围绕这些离子的电 子云。电子在电子云中游走，不 与任何离子结合，成为与若干离 子相互吸引的电子。这种结合力 就是金属键。金属弯曲时，原子 只改变位置关系，键不被破坏， 因此，金属的塑性好，电子云的 存在使金属具有良好的导电性和 导热性。
为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的 排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许 多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间 几何格架，称为晶格，如图所示； 晶格中各边线的交点称为结点； 晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。 组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。晶格 可以看成由晶胞堆积而成。



机械制造基础
第三章 金属材料的结构
主讲：仝勖峰 西安电子科技大学
本章内容



金属晶体的基础知识； 金属晶体的实际结构； 金属材料的结晶过程； 合金的相结构； 合金相图的基本概念。
金属材料的化学成分不同，表现出来 的性能是不一致的。即使同一种成分的材 料，经过不同的处理工艺，改变其内部组 织结构，也会导致其性能发生变化。本章 主要介绍金属材料内部组织及其与力学性 能的关系。
（2）线缺陷

如图所示为常见的一种刃型位错。由于该晶体的 右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格 的上半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好 象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余 半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围， 晶格发生了畸变。
位错的移动
刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力， 当应力足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假 如晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整 个晶体移动要容易。这种移动的宏观效应就是塑性变形。

体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子 分布在立方体的各结点和中心处。因其晶 格常数a=b=c，故只用一个常数a表示即 可。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、V、 W、Mo（钼）、Nb（铌）等。
（2）面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，简称f.c.c）

面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原 子分布在立方体的各结点和各面的中心处。 这种晶胞中，每个面的对角线上原子紧密 排列。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Al、 Cu、Ni、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅） 等。
（3）密排六方晶格(Close-packed hexagonal lattice，简称c.p.h)

密排六方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同， 在由12个原子所构成的正六面体的上下两 个六边形的中心各有一个原子，在上下底 中间有三个原子。属于这类晶格的金属有 Mg、Zn、Be、Cd（镉）等。