第二章、金属学基础知识.

第二章金属学基础知识

第一节金属晶体结构

一、晶体与非晶体

1. 固态物质的分类

一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。

2. 晶体的特征

①晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图2-1

②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。

3. 非晶体的特征

非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。

二、晶体结构的基本知识

(一)晶格

把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。

(二)晶胞

组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。

(三)常见的金属晶格类型

1．体心立方晶格，如图2-2。

体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃ

r)、钒(Ｖ)、α铁(α－Fe)等。

2．面心立方晶格，如图2-3。

面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。具有这种晶格的金属有金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、γ铁(γ－Ｆe)等。

3．密排六方晶格，如图2-4。

密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子

数是6个。具有此种晶格的金属有镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。

三、金属的实际晶体结构

1.单晶体

如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。

2.多晶体

①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。

②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。

③将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的内界面称为晶界。

④在晶界上原子的排列不象晶粒内部那样有规则性，这种原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。

3.晶体缺陷分为以下三种：

(一)点缺陷，如图2-6

♦点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。

♦原子空缺的位置称为空位。

♦存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。

(二)线缺陷，如图2-7

♦线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷，主要是指各种类型的位错。

♦位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

由于位错存在，造成金属晶格畸变，并对金属的性能，如强度、塑性、

疲劳及原子扩散、相变过程等产生重要影响。

(三)面缺陷，如图2-8

♦面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，通常是指晶界。

在晶界处由于原子呈不规则排列，使晶格处于畸变状态，它在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的强度和硬度有所提高。

第二节 纯金属的结晶

一、冷却曲线与过冷度

1．纯金属冷却曲线。

将纯金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，最后将测量结果绘制在温度──时间坐标上，即可得到纯金属冷却曲线，如图2-9（a ）。 2. 理论结晶温度

纯金属的冷却曲线上出现水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属的理论结晶温度(T 0)。 3. 实际结晶温度

非纯金属在结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度 (T 0)以下才开始结晶，这种现象称为过冷，如图2-9（b ）。

③理论结晶温度T 0和实际结晶温度T 1之差△T ，称为过冷度。

④过冷度并不是恒定值

试验指出：金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有

关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。

金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和

扩散等。

二、金属的结晶过程

实验证明：液态金属在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体，称为晶核。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大。与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至液态金属全部凝固，如图2-10。

三、金属结晶后的晶粒大小

1．晶粒大小对金属力学性能的影响

一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好，如

表2-1。

2．细化晶粒的方法

(1)加快液态金属的冷却速度，如降低浇注温度。

(2)变质处理。在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。加入的少量固体材料可起晶核的作用，从

而达到细化晶粒的效果。

(3)采用机械振动、超声波振动和电磁振动等，可使生长中的枝晶破碎，使

晶核数增多，从而细化晶粒。

第三节金属的同素异构转变

第三节金属的同素异构转变

金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转变或称同素异晶转变，如铁、锰、钛等，在结晶成固态后继续冷却时晶格类型还会发生变化，如图2-11。

同素异构转变是钢铁的一个重要特性，它是钢铁能够进行热处理的理论依据，同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的（犹如队列变换队形一样)，

这一过程有如下特点：

(1)同素异构转变是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程来完成，新

晶核优先在原晶界处生成；

(2)同素异构转变时有过冷(或过热)现象，并且转变时具有较大的过冷度；

(3)同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段，

但这种转变是在固态下进行的，它与液体结晶相比具有不同之处；

(4)同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。

小结与作业