金属材料的晶体结构

形核
晶核长大
完全结晶
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（1）形核过程
自发形核——由液体金属内部原子聚集，超过 临界晶核尺寸后形成的结晶核心。 非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。
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（2）长大过程——平面生长与树枝状生长
平面生长示意图
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细化铸态金属晶粒的措施
晶粒度——表示晶粒大小，分8级。
晶粒度
1 2345 678
单位细面晶积晶强粒化数——1晶6 粒细32 化使64金属12机8 械25性6 能5提12高1的024现象2048
材料的主要性能
力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能
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普通弹性材料（例如低碳钢）在拉伸实验中会经历4个阶段： 弹性形变、屈服阶段、强化阶段、破坏直至断裂
弹性形变：即材料所受拉力在弹性极限之内，拉力与材料伸 长成正比（胡克定律）。当外力撤去之后，材料会恢复原来 的长度。
屈服阶段：在外部拉力超过弹性极限之后，材料失去抵抗外 力的能力而“屈服”，即在此情况下外力无显著变化材料依 然会伸长。当外力撤去后，材料无法回到原来的长度。
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三种常见的金属晶体结构
体心立方晶格 bcc 面心立方晶格 fcc 密排六方晶格 hcp
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（1）体心立方晶格 bcc
如a-Fe、W、V、Mo 等
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Z
c
a a 2r
a
bY
X .
晶格常数：a=b=c； a = = = 90
晶胞原子数： 2
原子半径：
致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
晶胞原子数：6
原子半径：a/2
致密度：0.74
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3、实际金属的晶体结构
单晶体——原子排列相同，晶格位向一致 多晶体——多晶粒和多晶界
晶粒 （单晶体）
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晶粒——晶体中包含的具有不规则颗粒外 形的小晶体
晶界——晶粒界面，不同的位向过渡区
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晶体缺陷类型
点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 线缺陷：位错 面缺陷：晶界与亚晶界
1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc a-Fe，bcc
912 C
-Fe，fcc
.
a-Fe，bcc
纯铁的冷却曲线
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
a-Fe，bcc
Cooling curve t
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四、合金的相结构
（个/mm2）
晶细粒平晶均强直径化→强2度50、硬177度、12塑5 性8、8 韧性62 ↑ 44 31 22
（μm）
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细化晶粒的措施
（1）提高过冷度
形核率N 、 长大速度G 与 过冷度 T 的关系
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（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细 化晶粒和改善组织的工艺措施。 作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大
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（1）点缺陷
空位
间隙原子
间隙原子是其它元素则称为 异类原子 （杂质原子）
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（2）线缺陷 —— 刃位错与螺位错
刃位错
刃位错
.
螺旋位错
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（3）面缺陷
晶界
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亚晶界
亚晶界 面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
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二、纯金属的结晶
结晶 结晶条件（结晶温度） 结晶过程（形核与长大） 晶粒细化
0.2%的塑性应变时的应力值 为材料的屈服强度
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第二章 金属材料的组织结构
金属的晶体结构 纯金属的结构 金属的同素异构转变 合金的相结构 合金相图
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一、金属的晶体结构
基本概念 纯金属的晶体结构 合金的晶体结构
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1、基本概念
晶体：由许多金属原子/离子在空间按一定 几何形式规则地紧密排列。（周期性）
（2）面心立方晶格 fcc
如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等
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Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； a = = = 90
晶胞原子数： 4
原子半径：
致密度：0.74
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（3）密排六方晶格 hcp
如C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的 几何单元
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Z
晶格常数
c
ab
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
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晶面: 通过原子中心的平面 晶向：通过原子中心的直线所指的方向
Z Z
c
b a
c
Y
b a
Y
X
X
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2、纯金属的晶体结构
金属键——决定特性
大量自由电子→良好导电导热性 电子云与离子间引力→高强度和良好塑性 紧密的金属键→排列紧密的高对称晶格
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结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
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冷却曲线——纯热金分属结析晶法的条件
就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
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冷却速度越大，则过冷度越大。
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结晶过程——形核和晶核长大的过程
液态金属
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化
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三、金属的同素异构转变
同素异构性——一种金属具有两种或两种 以上的晶格结构
同素异构转变——金属在固态下晶体结构 随温度的改变而发生变化的现象。
重结晶特点：晶界形核， T大，内应力大
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纯铁的同素异构转变
强化阶段：材料在内部晶体重新排列后重新获得抵抗拉伸的 能力，但此时的形变为塑性形变，外力撤去后无法回到原来 的长度。
破坏阶段：材料在过度受力后开始在薄弱部位出现颈缩现象， 抵抗拉伸能力急剧下降，直至断裂。
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s (MPa) 400
屈服阶段
低碳钢拉伸 应力应变曲线
C(sb)
颈缩阶段
A(ss上)
强化阶段
对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。
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晶体（金刚石、NaCl、
冰 ……）
非晶体（蜂蜡、玻璃 ……）
液体
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晶体特性——固定熔点；各向异性
温
Z
度 非晶体
熔点
晶体
时间
Y
X
晶体和非晶体的熔化曲线
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晶体结构
原子（离子）的刚球模型
原子中心位置
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点阵（晶格）模型
晶胞
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晶格——将原子抽象为一个几何结点，并 用直线联接中心，所构成的一个空间格架。
g
B(ss下)
200
1.弹性阶段
E
2.屈服阶段 屈服极限：
s
s
Ps A0
线弹性阶段
3.强化阶段
E=tga
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抗拉强度：
a
O
0.1
0.2
e
s
b
Pb A0
屈服点σs和抗拉强度σb是反映材料强度的两个性能指 标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。
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对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点
σ0.2——对应于试样产生