第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

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習(xí)題講解,1、,3、,2、,?s 偏低,因?yàn)?2HRC相當(dāng)于234HBS， 所以符合要求。,調(diào)質(zhì)鋼：,HRC、HBS,手工鋸條：,HRC、HV,硬質(zhì)合金刀片：,HRA、HV,非鐵金屬：,HRB、HBS,灰鑄鐵件：,HBS,4、,（1）HBS210~240：,錯，布氏硬度數(shù)值應(yīng)在前。,（2）450~480HBS：,錯，HBS測量范圍小于450HBS,更正：210~240HBS,（3）180~210HRC：,錯，HRC測量范圍在20~67之間。,（4）HRC20~25：,錯，洛氏硬度數(shù)值應(yīng)在前。,更正：20~25HRC,（5）HBW150~200：,錯，HBW測量范圍>450。,第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,討論1：為什么不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能？,化學(xué)成分不同，組織結(jié)構(gòu)不同。,討論2：即使同種金屬材料，在不同的條件下也具有不同的力學(xué)性能，為什么？,因?yàn)榻M織結(jié)構(gòu)不同。,理論和實(shí)踐都表明：金屬力學(xué)性能的差異是由其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)（內(nèi)部原子排列情況）決定的。,因此：為正確使用金屬材料，我們有必要了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶規(guī)律。,第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識,1、晶體與非晶體,晶 體：內(nèi)部原子呈規(guī)律性排列 的物質(zhì)，如固態(tài)金屬。,非晶體：內(nèi)部原子排列沒有規(guī)律 性的物質(zhì)，如松香等。,晶體一般具有規(guī)則的外形，而非晶體一般沒有；,晶體與非晶體在性能上有很大的區(qū)別：,晶體具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體沒有固定的熔點(diǎn)；,晶體呈現(xiàn)各向異性，而非晶體各向同性。,注意：現(xiàn)代科技在一定條件下，晶體與非晶體可以相互轉(zhuǎn)化。,例如：晶態(tài)玻璃、 非晶態(tài)金屬,2、晶格與晶胞,晶 格：用來描述原子在晶體中排列方式的幾何格架。,晶胞： 因晶格中原子的排列是周期性的，為簡便起見，從晶格中取出一個能反映晶格特征的最小幾何單元來研究晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元就稱為晶胞。,,于是，晶格就可看成是由無數(shù)晶胞重復(fù)堆積而成的。,二、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu),不同金屬晶體結(jié)構(gòu)的主要差別 就在于晶格形式及晶格常數(shù)的不 同。晶格形式很多，但大多數(shù)金 屬具有下列三種簡單的晶體結(jié)構(gòu)：,1、體心立方晶格,幾何特征：,8個頂角各1，體心1,原子分布：,晶胞為立方體,1/8?8+1=2,晶胞原子數(shù)：,?-Fe、Cr、Mo、W、V等,具有體心立方晶格的常見金屬：,性能特點(diǎn)：,較高的強(qiáng)度和塑性,2、面心立方晶格,幾何特征：,8個頂角各1,6個面心各1,原子分布：,晶胞為立方體,1/8?8+1/2 ? 6=4,晶胞原子數(shù)：,Al、Cu、Au、Ni、?-Fe等,具有面心立方晶格的常見金屬：,性能特點(diǎn)：,很好的塑性,3、密排六方晶格,幾何特征:,12個頂角各1，2個底面心各1，柱體中部3個,原子分布：,晶胞為六棱柱體,1/6?12+1/2 ?2+3=6,晶胞原子數(shù)：,Mg、Zn、Be等,具有密排六方晶格的常見金屬：,性能特點(diǎn)：,塑性差，較脆,三、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu),1、多晶體結(jié)構(gòu),單晶體：,內(nèi)部原子排列方向完全一致的晶體，即僅一個晶粒的晶體。,多晶體：,由許多晶粒（內(nèi)部原子排列方向完全一致）構(gòu)成的晶體。,,單晶體,多晶體,2、晶體缺陷,空位和間隙原子,什么是晶體缺陷？,晶體內(nèi)部原子排列不規(guī)則的區(qū)域。,1、點(diǎn)缺陷：,2、線缺陷：,位錯,刃型位錯示意圖,3、面缺陷：,晶界和亞晶界,晶界：晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒間結(jié)晶位向一般相差300~400。,亞晶界：實(shí)際金屬的晶粒是由許多亞晶粒相互鑲嵌而成的。小晶塊位向差只有10~20，這些亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。如圖2-7（P24）。,討論1：為什么實(shí)際金屬的性能與理想金屬相差甚遠(yuǎn)？,因?yàn)閷?shí)際金屬都是多晶體，晶界上原子排列不規(guī)則，且存在晶體缺陷。,討論2：晶體缺陷對金屬的力學(xué)性能有何影響？,因晶體缺陷的存在引起晶格畸變，使塑性變形不容易進(jìn)行，因而使金屬常溫下的強(qiáng)度和硬度提高。,晶體缺陷將因溫度和加工過程的不同而產(chǎn)生、發(fā)展、運(yùn)動，也可以合并或消失。,第二節(jié) 金屬的結(jié)晶,什么叫金屬的結(jié)晶？,金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。即原子由不規(guī)則排列到規(guī)則排列的過程。,一、冷卻曲線與過冷現(xiàn)象,過冷是結(jié)晶的必要條件。冷卻速度越快，過冷度越大。,二、金屬結(jié)晶過程,金屬的結(jié)晶是一個不斷形核和晶核不斷長大的過程。 如圖2-9（P25）。,三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小,1、晶粒大小對性能的影響,一般情況（常溫）下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。,因此，生產(chǎn)中總是希望獲得細(xì)小均勻的晶粒組織。,2、生產(chǎn)中怎樣獲得細(xì)小晶粒組織？,A、增大過冷度,B、進(jìn)行變質(zhì)處理,C、結(jié)晶過程中附加振動：機(jī)械 振動、超聲波振動、電磁振動等。,討論：我們現(xiàn)在已經(jīng)了解到有哪幾種強(qiáng)化金屬的途徑？,A、加工硬化,B、細(xì)晶強(qiáng)化,通過塑性變形提高強(qiáng)度和硬度。,通過細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度和硬度。,第三節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,討論：實(shí)際生產(chǎn)中大量使用的是合金而非純金屬，為什么？,純金屬的性能特點(diǎn)：良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、塑性和金屬光澤。但一般強(qiáng)度、硬度較低。,純金屬的資源特點(diǎn)：冶煉較困難，價(jià)格成本較高。,因此，純金屬的使用受到限制。,一、基本概念,1、基本概念,A、合金：,由兩種或更多種化學(xué)元素（其中至少有一種是金屬元素）所組成的、具有金屬特性的物質(zhì)。,B、組元：,組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)。,鋼：Fe-C 黃銅：Cu-Zn,C、合金系：,由給定組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,B、組元：,組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)。,第三節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,討論：實(shí)際生產(chǎn)中大量使用的是合金而非純金屬，為什么？,純金屬的性能特點(diǎn)：良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、塑性和金屬光澤。但一般強(qiáng)度、硬度較低。,純金屬的資源特點(diǎn)：冶煉較困難，價(jià)格成本較高。,因此，純金屬的使用受到限制。,一、基本概念,1、合金：,由兩種或更多種化學(xué)元素（其中至少有一種是金屬元素）所組成的、具有金屬特性的物質(zhì)。,2、組元：,組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)。,鋼：Fe-C 黃銅：Cu-Zn,鋼鐵：Fe-C合金,3、合金系：,由給定組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,4、二元、三元、多元合金：,由兩種、三種、三種以上組元組成的合金分別稱為合金； 二元、三元、多元合金。,鋼鐵：Fe-C合金系,,5、合金的相：,合金系統(tǒng)中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)、相同物理化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)中其它部分以明顯界面分開的組成部分。,例：高溫時—液相；碳鋼——室溫時鐵素體、滲碳體。,,6、合金的組織：,金相分析的方法，觀察到的金屬及合金內(nèi)部組成相的數(shù)量、大小、方向、形態(tài)及相互間結(jié)合狀態(tài)等，稱為合金的組織。,用肉眼或放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織；,在顯微鏡下觀察到的組織稱為顯微組織。,,7、單相組織、多相組織：,若合金是由成分、結(jié)構(gòu)相同的同一種晶粒組成，則該合金中只有一個相，稱為單相組織。,若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒組成，則該合金中有幾個相同時存在，稱為多相組織。,二、合金的相,1、固溶體：,合金在固態(tài)下，組元間相互溶解而形成的相。,例如：鐵素體,定義：,根據(jù)合金各組元間相互作用的不同，合金在固態(tài)下的相有固溶體和金屬化合物兩類。,根據(jù)溶質(zhì)原子所處位置：,根據(jù)溶解度：,類型：,間隙固溶體、置換固溶體,有限固溶體、無限固溶體,良好的塑性，較高的強(qiáng)度,性能：,作用：,基體相,2、金屬化合物：,合金組元中金屬與金屬、或金屬與非金屬之間形成的具有金屬特性的化合物相。,定義：,例如：滲碳體Fe3C,硬度高、熔點(diǎn)高，脆性大,性能：,作用：,強(qiáng)化相——提高強(qiáng)度、硬度,綜述：,純金屬、固溶體、金屬化合物是組成合金的基本相。,絕大多數(shù)合金的組織都是由金屬化合物分布在固溶體基體上形成的混合物。,混合物的性能介于各組成相之間，與組成相的性能、數(shù)量、形狀、大小及分布有關(guān)。,