机械制造基础第二章2

位错对材料性能的影响比点缺陷更大， 位错对材料性能的影响比点缺陷更大 ， 对金属材料的影 响尤甚。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度， 响尤甚 。 理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度 ， 但 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 生产中一般都是增加位错密度来提高强度， 生产中一般都是增加位错密度来提高强度 ， 但是塑性 随之降低，可以说， 随之降低 ， 可以说 ， 金属材料中的各种强化机制几乎都是 以位错为基础的。 以位错为基础的。 3. 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大， 尺寸很小而呈面状的缺陷。 尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型 的晶界。 的晶界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。
图1-6 冷却曲线
3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液 3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1 所示， 结晶过程 体金属开始结晶时， 体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排 列的原子团，成为结晶的核心， 形核过程）。 列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大， 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时， ）。在晶体长大的同时 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 晶界。 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
晶界对材料性能的影响 面缺陷是晶体中最不稳定的区域， 面缺陷是晶体中最不稳定的区域，原子处于较高的能量状 它能提高材料的强度和塑性，细化晶粒， 态。它能提高材料的强度和塑性，细化晶粒，增大晶界总 面积是强化晶体材料力学性能的有效手段。 面积是强化晶体材料力学性能的有效手段。
2.2.4 金属的结晶
液态金属的凝固过程称为结晶。 液态金属的凝固过程称为结晶。 1.过冷现象： 金属在极其缓慢的冷却条件下 即平衡条件下 过冷现象：金属在极其缓慢的冷却条件下(即平衡条件下 即平衡条件下) 过冷现象 所测得的结晶温度称为理论结晶温度(To)。在实际生产中， 所测得的结晶温度称为理论结晶温度 。在实际生产中， 液态金属的结晶温度称为实际结晶温度(Tn)。金属实际结晶 液态金属的结晶温度称为实际结晶温度 。 温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。 温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。
细化晶粒的方法： 细化晶粒的方法： ☆增大过冷度：增加自发形核数目。 增大过冷度：增加自发形核数目。 ☆变质处理：增加非自发形核数目。 变质处理：增加非自发形核数目。 ☆振动处理：使已结晶的金属晶体碎化。 振动处理：使已结晶的金属晶体碎化。 ☆金属的同素异构转变 纯铁的同素异构（晶）转变 纯铁的同素异构（ （ 1）概念 ：金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶 ）概念： 格的现象称为同素异晶转变，其产物称为同素异晶体。 格的现象称为同素异晶转变，其产物称为同素异晶体。
0 晶格常数。 晶胞中各棱边的长度， 6）晶格常数。 晶胞中各棱边的长度，单位为A1 A = 10 −10 m
0
2.2.2常见金属的晶体结构 常见金属的晶体结构
体心立方晶格： 晶胞是一个正六方体， 体心立方晶格 ： 晶胞是一个正六方体 ， 立方体的八 个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1 个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a。其原 子个数为： 如铬、钠等。 子个数为：1 / 8 × 8 + 1 = 2 ，如铬、钠等。
（2）结晶过程：同素异晶转变也是一种结晶过程，也需要 ）结晶过程：同素异晶转变也是一种结晶过程， 过冷。 为了和液态金属结晶过程相区别， 一般称为重结晶 。 过冷 。 为了和液态金属结晶过程相区别 ， 一般称为 重结晶。 重结晶 同素异晶转变同样遵循晶核形成与晶核长大的结晶基本规 律。 （3）纯铁的同素异晶转变： ）纯铁的同素异晶转变： α-Fe ==γ-Fe ==δ-Fe， ， 纯铁的同素异晶体有α-Fe 、 γ-Fe 、δ-Fe三种。 三种。 纯铁的同素异晶体有 三种
2.2 金属及合金的结构与结晶
2.2.1 金属的晶体结构
晶体。 其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、 1）晶体。 其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、 金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。 金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。 2）非晶体。 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻 非晶体。 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积， 沥青等。 璃、沥青等。 所示。 3）晶体结构。 指晶体中原子排列的方式，如图1-1a所示。 晶体结构。 指晶体中原子排列的方式，如图1 4）晶格。 把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些 晶格。 把晶体内的每一个原子看成一个小球， 小球用线条连接起来，形成一个空间格架， 小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架 所示。 叫晶格，如图1 叫晶格，如图1-1b 所示。 5）晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图1-1c所示。 晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图1 所示。
2.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度， 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度， 过冷度 表示， 用△T表示，即△T=To-Tn。 表示 。 过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈大， 过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度就 愈大，金属的实际结晶温度就愈低。 愈大，金属的实际结晶温度就愈低。
指合金中具有相同的成分与结构， 相：指合金中具有相同的成分与结构，并与该系统的其 它部分有界面分开的组成部分。如液相、 固相、 液相+固相 它部分有界面分开的组成部分 。 如液相 、 固相 、 液相 固相 等。 合金系： 合金系：由相同的组元按不同比例配置而成的一系列合 金。 组织：指金属材料的内部形貌。 组织：指金属材料的内部形貌。借助显微镜所观察到的 组织称为显微组织。组织是由相按一定方式构造而成。 组织称为显微组织。组织是由相按一定方式构造而成。 2.合金的相结构 合金的相结构 1）固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同， 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同， 可 分为置换固溶体 如黄铜） 间隙固溶体( 置换固溶体（ 分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏 如图1 所示。 体)，如图1-3和图1-4所示。
2.3 合金相图2.3来自1相结构 相结构1.基本概念 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和 非金属元素， 非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特 性的物质。 性的物质。 组元是组成合金的最基本的、独立的单元。 组元是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以 是组成合金的最基本的 是金属、非金属或化合物（如渗碳体） 是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。 合金的晶体结构大致可归纳为3 即固溶体、 合金的晶体结构大致可归纳为 3 类 ， 即固溶体 、 金属 化合物和机械混合物。 化合物和机械混合物。
点缺陷对性能的影响： 点缺陷对性能的影响：
2. 线缺陷：指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺 线缺陷：指在一个方向上的尺寸很大， 寸很小的一种缺陷。 寸很小的一种缺陷。主要是各种类型的位错 。 位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局 部滑移造成的结果。 部滑移造成的结果。 晶体滑移部分与未滑移部分的交界线即为错位线。 晶体滑移部分与未滑移部分的交界线即为错位线。 刃型位错： 刃型位错： 正刃型位错 负刃型位错 螺旋位错： 螺旋位错： 右手法则---右螺旋型位错 右手法则 右螺旋型位错 左手法则---左螺旋型位错 左手法则 左螺旋型位错
图1-2b 面心立方晶格
密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体， 密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体 的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、 的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、 下底面之间还均匀分布着三个原子如图1 下底面之间还均匀分布着三个原子如图1-2c。其原子个数 1 如镁、锌等。 为： / 6 ×12 + 1 / 2 × 2 + 3 = 6 ，如镁、锌等。
图1-2c 密排六方晶格
2.2.3实际金属的晶体结构 实际金属的晶体结构
实际金属晶体中，由于结晶和其它种种原因， 实际金属晶体中 ， 由于结晶和其它种种原因 ， 使晶体内部 出现了某些原子排列不规则的区域， 出现了某些原子排列不规则的区域 ， 这种区域称为晶体缺 根据晶体缺陷的几何特点，可将其分为点缺陷、 陷 。 根据晶体缺陷的几何特点 ， 可将其分为点缺陷 、 线缺 面缺陷三种类型。 陷、面缺陷三种类型。 1. 点缺陷：指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。最常见的点 点缺陷：指长、 高尺寸都很小的缺陷。 缺陷是空位、间隙原子和置换原子。 缺陷是空位、间隙原子和置换原子。
实际应用的固体材料
多晶体
大量外形不规则的小晶体（晶粒） 大量外形不规则的小晶体 （ 晶粒） 每个晶粒基本上视为单晶体 晶粒晶格位向差小于10-15度的晶界称为小角度晶界 度的晶界称为小角度晶界 晶粒晶格位向差小于 位向差大于10-15度的晶界称为大角度晶界 度的晶界称为大角度晶界 位向差大于 晶粒也并非严格意义上的单晶， 晶粒也并非严格意义上的单晶，通常晶粒是由许多位 向差很小的称为嵌镶块的小晶块组成，成为亚晶粒， 向差很小的称为嵌镶块的小晶块组成，成为亚晶粒， 尺寸为10 尺寸为 -4-10-6cm 亚晶粒之间的交界称为亚晶界， 其位向差不超过1-2度 亚晶粒之间的交界称为亚晶界 ， 其位向差不超过 度 ， 是小角度晶界。 是小角度晶界。
图1-2a 体心立方晶格
面心立方晶格：晶胞是一个正六方体， 面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个 角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1 2b。 角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-2b。 其原子个数为： 如铝，铜等。 其原子个数为： / 8 × 8 + 1 / 2 × 6 = 4，如铝，铜等。 1
图1-7 结晶过程示意图
单晶体。若一个晶体由一个晶核长成，只有一个晶粒， 5.单晶体。若一个晶体由一个晶核长成，只有一个晶粒， 称为单晶体。 称为单晶体。 单晶体一般只做功能材料， 单晶体一般只做功能材料，如作半导体用的单晶硅 6.多晶体。 由许多外形不规则、大小不等、排列位向不 多晶体。 由许多外形不规则、大小不等、 同的小颗粒（晶粒）晶体组成。 同的小颗粒 （晶粒） 晶体组成。晶粒的大小影响材料的 力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细， 力学 、物理 、 化学性能，一般情况下，晶粒越细， 强度 和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小， 和硬度越高 ，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小， 晶界 就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错， 就多 ，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互 相咬合，因而加强了金属之间的结合力。 相咬合，因而加强了金属之间的结合力。 7.细晶强化。 用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学 细晶强化。 性能。 性能 。 金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少 和晶核长大速度有关， 晶核越多， 长大速度越慢， 和晶核长大速度有关 ， 晶核越多 ， 长大速度越慢 ， 晶粒 越细。 而过冷度越大， 产生的晶核越多， 晶核多， 越细 。 而过冷度越大 ， 产生的晶核越多 ， 晶核多 ， 每个 晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。 晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。