1、第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學1第二章第二章 金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學2第二章第二章 金屬的晶體結構金屬的晶體結構本章重點：本章重點： 純金屬的晶格類型及晶體缺陷；純金屬的晶格類型及晶體缺陷； 細化晶粒的措施；細化晶粒的措施； 合金的晶體結構；合金的晶體結構； 二元勻晶相圖分析二元勻晶相圖分析本章難點：本章難點： 鑄錠組織；鑄錠組織； 二元勻晶相圖分析二元勻晶相圖分析第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學3本節重點本節重點晶格類型晶格類型晶體缺陷晶體缺陷 第一節第一節 純金屬的晶體結構純金屬的晶體結構 細化晶

2、粒的措施細化晶粒的措施本節難點本節難點鑄錠組織鑄錠組織第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學4晶體與晶格晶體與晶格 晶體結構、金相組織與晶體缺陷晶體結構、金相組織與晶體缺陷金屬的結晶與鑄錠組織金屬的結晶與鑄錠組織 第一節第一節 純金屬的晶體結構純金屬的晶體結構 主要內容主要內容第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學5晶格：晶格：原子看作點，用直線連接成的空間格子原子看作點，用直線連接成的空間格子 。晶胞：晶胞：代表晶格的原子排列規律的最小幾何單位代表晶格的原子排列規律的最小幾何單位 。一、晶體與晶格一、晶體與晶格1 1、晶體與晶格、晶體與晶格第二章 金屬的晶體結構金金

3、屬屬 工工 藝藝 學學61 1）體心立方晶格）體心立方晶格 2 2、典型的晶格類型：、典型的晶格類型：重點內容重點內容動畫演示動畫演示第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學7體心立方晶格體心立方晶格 a a）晶胞形狀立方體。）晶胞形狀立方體。 b b）原子分布結點、中心。）原子分布結點、中心。 c c）晶胞）晶胞 包含包含2 2個原子。個原子。 d d）致密度）致密度0.680.68 屬于這類金屬晶格的有：屬于這類金屬晶格的有： -Fe -Fe、CrCr、V V、WW、MoMo等。等。 第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學82 2）面心立方晶格）面心立方晶格 動畫演示

4、動畫演示第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學9面心立方晶格面心立方晶格 a a）晶胞形狀立方體。）晶胞形狀立方體。 b b）原子分布結點、各面中心。）原子分布結點、各面中心。 c c）晶胞包含）晶胞包含4 4個原子。個原子。 d d）致密度）致密度0.740.74 屬于這類金屬的有：屬于這類金屬的有：r -Fer -Fe、AlAl、CuCu、NiNi等。等。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學103 3）密排六方晶格）密排六方晶格 動畫演示動畫演示第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學11密排六方晶格密排六方晶格 a a）晶胞形狀六棱柱體。）晶胞形狀六棱

5、柱體。b b）原子分布結點、上下面中心，體中心有三個。）原子分布結點、上下面中心，體中心有三個。c c）晶胞包含）晶胞包含6 6個原子。個原子。d d）致密度）致密度0.740.74。屬于這類金屬的有：屬于這類金屬的有：MgMg、ZnZn、 TiTi等。等。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學121 1、多晶體結構：、多晶體結構： 二、晶體結構、金相組織與晶體缺陷二、晶體結構、金相組織與晶體缺陷工業上使用的金屬屬于工業上使用的金屬屬于多晶體多晶體。2 2、金相組織：、金相組織： 組織是指用組織是指用肉眼肉眼或在或在顯微鏡顯微鏡下所觀察到的下所觀察到的圖象。包括圖象。包括晶粒或組成

6、相的形狀、尺寸、分晶粒或組成相的形狀、尺寸、分布及相互之間的組合狀態布及相互之間的組合狀態。 金相組織金相組織是在是在顯微鏡顯微鏡下所觀察到的下所觀察到的圖象。圖象。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學133 3、晶體缺陷：、晶體缺陷：重點內容重點內容 局部原子排列的不完整區域。局部原子排列的不完整區域。 二、晶體結構、金相組織與晶體缺陷二、晶體結構、金相組織與晶體缺陷 根據缺陷的根據缺陷的幾何形狀幾何形狀，分為，分為: : 點缺陷點缺陷 線缺陷線缺陷 面缺陷面缺陷第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學141 1）點缺陷：）點缺陷：晶格扭曲晶格扭曲點缺陷點缺陷帶來性能

7、的變化，帶來性能的變化，如強度的提高等。如強度的提高等。晶格空位、間隙原子和置換原子。晶格空位、間隙原子和置換原子。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學152 2）線缺陷：）線缺陷：刃型位錯是刃型位錯是最簡單的最簡單的位錯。位錯。即位錯：即位錯：是晶格中是晶格中一部分晶體一部分晶體相對于相對于另一部分晶體另一部分晶體的的局部滑移局部滑移 而造成。而造成。理想晶體理想晶體刃型位錯刃型位錯第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學16位錯與力學性能位錯與力學性能第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學173 3）面缺陷：）面缺陷： 晶界及亞晶界愈多，晶格畸變越大，晶

8、體的強晶界及亞晶界愈多，晶格畸變越大，晶體的強度愈高。度愈高。主要指主要指晶界和亞晶界晶界和亞晶界晶界晶界 亞晶界亞晶界第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學18缺陷特征對比缺陷特征對比缺陷類別缺陷類別分類分類對材料性能的影響對材料性能的影響點缺陷點缺陷空位、空位、間隙原子、間隙原子、置換原子置換原子強度、硬度提高，強度、硬度提高，固溶強化等固溶強化等線缺陷線缺陷位錯位錯加工硬化等加工硬化等面缺陷面缺陷晶界、亞晶界晶界、亞晶界易腐蝕，易腐蝕，細晶強化細晶強化第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學19三、金屬的結晶與鑄錠組織三、金屬的結晶與鑄錠組織 鑄錠組織鑄錠組織冷卻曲

9、線與過冷度冷卻曲線與過冷度細化晶粒的措施細化晶粒的措施純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程金屬的同素異構轉變金屬的同素異構轉變單晶體與非晶態合金的制取單晶體與非晶態合金的制取第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學201 1、純金屬的結晶過程、純金屬的結晶過程不斷形核晶核不斷長大同時進行的基本過程。不斷形核晶核不斷長大同時進行的基本過程。液態金屬液態金屬形核形核晶核長大晶核長大完全結晶完全結晶第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學21金屬的結晶金屬的結晶第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學22 2 2、冷卻曲線與過冷度冷卻曲線與過冷度C LT0TnS0T0T0：

10、理論結晶溫度：理論結晶溫度TnTn：實際結晶溫度：實際結晶溫度 T=T0TnT=T0Tn（過冷度）（過冷度）實際上實際上CT0 L ab S0a：結晶開始點結晶開始點 b：結晶終了點：結晶終了點理論上理論上 T為什么會出現為什么會出現水平臺階？水平臺階？第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學23金屬冷卻曲線的解釋：金屬冷卻曲線的解釋： Tn TnT T0 0，液、固態平衡，自由能變化液、固態平衡，自由能變化為零，不能自發結晶。為零，不能自發結晶。T T 時，時，液態與固態的自由能之差液態與固態的自由能之差大于零，結晶進行。大于零，結晶進行。T T 越大，越大，自由能差越大，結晶推動

11、力越大，自由能差越大，結晶推動力越大，晶體生長速晶體生長速 度越大。度越大。 原因：原因： 自發轉變（等溫等壓下）的方向，自發轉變（等溫等壓下）的方向，能量減少能量減少。過冷是金屬結晶的必要條件。過冷是金屬結晶的必要條件。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學243 3、影響晶核尺寸的因素、影響晶核尺寸的因素 重點內容重點內容1）晶粒粗細對材料力學性能的影響）晶粒粗細對材料力學性能的影響一般來說，晶粒愈細力學性能越好，一般來說，晶粒愈細力學性能越好，即強度和硬度愈高，即強度和硬度愈高， 同時塑性和韌性愈好。同時塑性和韌性愈好。 （細晶強化）（細晶強化）晶粒平均直徑晶粒平均直徑mm抗

12、拉強度抗拉強度/Pa屈服點屈服點/Pa伸長率伸長率/%9.7016.5x1074.0 x10728.87.0018.0 x1073.8x10730.62.5021.1x1074.4x10739.50.2026.3x1075.7x10748.80.1626.4x1076.5x10750.7晶粒大小對純鐵力學性能的影響晶粒大小對純鐵力學性能的影響第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學25增大過冷度：增加冷卻速度；增大過冷度：增加冷卻速度； 2 2）細化晶粒的方法：）細化晶粒的方法：變質處理：變質處理：振動：振動：攪拌攪拌在液體金屬中加入變質劑在液體金屬中加入變質劑( (孕育劑孕育劑)

13、)，以細化，以細化粒和改善組織的工藝措施。粒和改善組織的工藝措施。形核率和長大率都增大，但形核率增大較快。形核率和長大率都增大，但形核率增大較快。如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶粒是粗還是細？粒是粗還是細？第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學265 5、鑄錠組織、鑄錠組織中心等軸晶粒區中心等軸晶粒區 表層細晶粒區表層細晶粒區 過冷度大過冷度大 模壁的人工晶核作用模壁的人工晶核作用柱狀晶粒層柱狀晶粒層 模壁溫升，形核率降低，長大率提高，形成柱狀晶。模壁溫升，形核率降低，長大率提高，形成柱狀晶。中心區溫差減小，形成粗大等軸晶粒區

14、。中心區溫差減小，形成粗大等軸晶粒區。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學276 6、金屬的同素異構轉變、金屬的同素異構轉變概念：概念： 溫度變化晶格類型變化。溫度變化晶格類型變化。意義：意義： 利用熱處理，改善材料性能。利用熱處理，改善材料性能。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學281538c1394c912c室溫室溫-Fe -Fe- Fe體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學29第二節第二節 合金的晶體結構合金的晶體結構 重點：重點： 合金的晶體結構合金的晶體結構 難點：難點： 相的概念相的概念第二章

15、 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學30主要內容主要內容合金中的相合金中的相固溶體固溶體 金屬化合物金屬化合物 第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學31一、合金中的相一、合金中的相合金：合金：由由兩種或兩種以上兩種或兩種以上的金屬與金屬元素或金屬與非金屬的金屬與金屬元素或金屬與非金屬 元素組成的具有元素組成的具有金屬性質金屬性質的物質。的物質。組元：組元：組成合金的基本元素。組成合金的基本元素。相：相： 金屬或合金中，金屬或合金中，凡是凡是成分相同成分相同、結構相同結構相同并與其他并與其他 部分部分有界面分開有界面分開的均勻組成部分。的均勻組成部分。 例如：單一的液相；例

16、如：單一的液相； 單一的固相；單一的固相； 液相、固相兩相共存；液相、固相兩相共存；相相 組織組織 性能性能構成決定第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學32二、固溶體二、固溶體 組成合金的組元，在固態時相互溶解，所形成的組成合金的組元，在固態時相互溶解，所形成的單一均勻單一均勻的物質的物質，是是“固態溶液固態溶液”。 按溶質原子所處的位置分為：按溶質原子所處的位置分為： 置換固溶體：置換固溶體： 間隙固溶體：間隙固溶體： 例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成所形成的鐵素體、奧氏體。的鐵素體、奧氏體。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學33固溶體：保持溶劑的

17、晶體結構。固溶體：保持溶劑的晶體結構。固溶強化：固溶強化：隨著溶質原子的增加，溶劑晶隨著溶質原子的增加，溶劑晶 格產生畸變，使金屬強度、硬度格產生畸變，使金屬強度、硬度 升高的現象。升高的現象。 例如：純鐵與鋼例如：純鐵與鋼第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學34 指合金組元間指合金組元間發生相互作用發生相互作用而生成的晶而生成的晶格類型和性能格類型和性能不同于不同于任一組元的物質。任一組元的物質。 例如：例如： Fe和和C所形成的化合物所形成的化合物Fe3C，就是一種典，就是一種典 型的金屬化合物。型的金屬化合物。三、金屬化合物三、金屬化合物第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工

18、工 藝藝 學學35第三節第三節 二元合金的相圖二元合金的相圖 重點：重點： 二元勻晶相圖分析二元勻晶相圖分析 枝晶偏析枝晶偏析 難點：難點： 二元勻晶、共晶相圖分析二元勻晶、共晶相圖分析第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學36二元合金相圖二元合金相圖 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 二元共晶相圖二元共晶相圖第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學37 凡是在凡是在液態和固態液態和固態都能都能無限互溶無限互溶的二元合的二元合金的相圖，金的相圖，是學習二元合金相圖的基礎。是學習二元合金相圖的基礎。 二元勻晶相圖的建立二元勻晶相圖的建立 二元勻晶相圖分析二元勻晶相圖分析一、二元勻晶

19、相圖：一、二元勻晶相圖：第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學38 配置各種成分的合金；1. 相圖的建立（相圖的建立（Cu-Ni合金為例合金為例 ）第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學39n 測定緩冷條件下的冷卻曲線，得到臨界點； n 建立坐標系，把臨界點分別標注在成分垂線上； n 光滑曲線連接，填寫數字、字母和相或組織名稱。相圖建立的演示相圖建立的演示第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學402.2.二元勻晶相圖分析二元勻晶相圖分析 二點：二點：純銅、鎳的熔點純銅、鎳的熔點 二線：二線：液相線、固相線液相線、固相線 三區：三區：單相的液相區（單相的液相區

20、（L L）；）； 單相的固溶體區（單相的固溶體區（）；）； 液相和固相共存的兩相區（液相和固相共存的兩相區（L L）第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學41第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學42合金的結晶過程合金的結晶過程( (以以wNi= =40的合金為例的合金為例) )高溫液態單相固溶體液相線開始結晶出組織，液相的成分沿液相線變化， 的成分沿固相線變化。緩慢冷卻液相減少組織增多固相線全部結晶出組織，液相消失第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學43 危害：危害：晶粒性能不一致，影響合金的晶粒性能不一致，影響合金的力學力學 性能、耐蝕性、加工工藝性。

21、性能、耐蝕性、加工工藝性。 措施措施：即即擴散退火擴散退火的方法來消除或改善。的方法來消除或改善。3.3.枝晶偏析枝晶偏析( (晶內偏析晶內偏析): ):指晶體內部化學成分不均勻的現象。指晶體內部化學成分不均勻的現象。原因原因：在實際生產中，一般冷卻速度較快，在實際生產中，一般冷卻速度較快， 晶粒中心部與表層的成分不均勻。晶粒中心部與表層的成分不均勻。第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學444.杠桿定律：只適用于兩相區 用來確定某合金在某溫度下液、固兩相的百分含量。用來確定某合金在某溫度下液、固兩相的百分含量。 Q QL Lac=Qac=Qcbcb第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬

22、 工工 藝藝 學學45二、二元共晶相圖（二、二元共晶相圖（p28) 共晶反應：共晶反應：在在恒溫恒溫下，下，一定成分一定成分的的液相液相同時結晶同時結晶出出 兩個新固相兩個新固相( (成分一定成分一定) )的轉變過程。的轉變過程。 二元共晶相圖：凡是二元共晶相圖：凡是在液態下在液態下能能無限互溶無限互溶，在，在固態固態 下有限互溶，下有限互溶，發生發生共晶反應共晶反應的二元合金的二元合金 相圖。相圖。 二元共晶相圖形成二元共晶相圖形成 二元共晶相圖分析二元共晶相圖分析 第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學學46以以A A組元組元為溶劑的固溶體；為溶劑的固溶體；共晶相圖兩個勻晶相圖重疊抽象抽象1. 1. 二元共晶相圖的形成二元共晶相圖的形成以以B B組元為溶劑的固溶體；組元為溶劑的固溶體； 第二章 金屬的晶體結構金金 屬屬 工工 藝藝 學