1、 HYPERLINK 金屬材材料及熱熱處理教 案適用專業(yè)業(yè)：材料料成型與與控制工工程（本本科）授課教師師：唐明明華20099年2月緒 論論一.本課課程的性性質(zhì)金屬材材料及熱熱處理課程是是機(jī)械類(lèi)類(lèi)各專業(yè)業(yè)的一門(mén)門(mén)必修課課，是一一門(mén)重要要的技術(shù)術(shù)基礎(chǔ)課課。計(jì)劃劃講課：32學(xué)學(xué)時(shí)，實(shí)實(shí)驗(yàn)：66學(xué)時(shí)，學(xué)學(xué)分：22個(gè)。大家知道道不管是是服裝設(shè)設(shè)計(jì)師，還還是家用用電器設(shè)設(shè)計(jì)師，以以及各種種機(jī)械設(shè)設(shè)備、汽汽車(chē)、船船舶、飛飛機(jī)和軍軍用裝備備設(shè)計(jì)師師，在他他們精心心設(shè)計(jì)出出自己的的作品后后，都需需要選用用恰當(dāng)?shù)牡牟牧蟻?lái)來(lái)制造，從從而保證證制成的的產(chǎn)品具具有最佳佳形貌和和性能。如果選選材不當(dāng)當(dāng)，將會(huì)會(huì)使所設(shè)設(shè)計(jì)制

2、造造出產(chǎn)品品，不能能發(fā)揮出出最佳性性能，并并可能導(dǎo)導(dǎo)致其使使用壽命命大大降降低；或或因選材材不當(dāng)，導(dǎo)導(dǎo)致成本本太高，失失去其應(yīng)應(yīng)有的市市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)力。所所以，從從事機(jī)械械設(shè)計(jì)與與制造的的各類(lèi)工工程技術(shù)術(shù)人員，都都必須對(duì)對(duì)其經(jīng)常常使用的的各類(lèi)材材料有一一定的了了解。工程材料料：主要要是指機(jī)機(jī)械、船船舶、建建筑、化化工、交交通運(yùn)輸輸、航空空航天等等各項(xiàng)工工程中經(jīng)經(jīng)常使用用的各類(lèi)類(lèi)材料。工程材料料主要包包括金屬屬材料和和非金屬屬材料兩兩大類(lèi)，金金屬材料料又可分分為黑色色金屬材材料和有有色金屬屬材料兩兩類(lèi)，黑黑色金屬屬材料主主要指各各類(lèi)鋼和和鑄鐵，有有色金屬屬材料主主要指鋁鋁及鋁合合金、銅銅及銅合合金以

3、及及滑動(dòng)軸軸承合金金等；非非金屬材材料包括括高分子子材料、陶瓷材材料和復(fù)復(fù)合材料料等。當(dāng)今社會(huì)會(huì)科學(xué)技技術(shù)突飛飛猛進(jìn)，新新材料層層出不窮窮，而且且使用量量也不斷斷增加，但但到目前前為止，在在機(jī)械工工業(yè)中使使用最多多的材料料仍然是是金屬材材料。金金屬材料料長(zhǎng)期以以來(lái)得到到如此廣廣泛應(yīng)用用，其主主要原因因是，因因?yàn)樗呔邇?yōu)良的的使用性性能和加加工工藝藝性能。金屬材料料的使用用性能：機(jī)械性性能（如如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等等），物物理性能能（如導(dǎo)導(dǎo)電、導(dǎo)導(dǎo)熱、電電磁、膨膨脹等），化化學(xué)性能能（如抗抗氧化性性、耐腐腐蝕性等等）。金屬材料料的加工工工藝性性能：鑄鑄造性能能（如流流動(dòng)性、收縮性性等），鍛鍛

4、造性能能（如壓壓力加工工成型性性等），切切削加工工性能（如如車(chē)、銑銑、刨、磨的切切削量，光光潔度等等），焊焊接性能能（如熔熔焊性、焊縫強(qiáng)強(qiáng)度、偏偏析等），熱熱處理性性能（如如淬透性性、回火火穩(wěn)定性性等）。由于不同同的材料料具有不不同的性性能，因因此它們們的應(yīng)用用場(chǎng)合也也就不同同。如在在航天工工業(yè)中鋁鋁及鋁合合金得到到了廣泛泛應(yīng)用，是是因?yàn)殇X鋁合金具具有重量量輕強(qiáng)度度高的特特性。而而在電子子工業(yè)中中銀、銅銅、鋁得得到了廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用,是是因?yàn)樗鼈兙哂杏袃?yōu)良的的導(dǎo)電性性。在機(jī)機(jī)械工業(yè)業(yè)中，由由于機(jī)械械產(chǎn)品在在使用過(guò)過(guò)程中，主主要承受受各種力力的作用用。因此此，主要要要求所所使用的的金屬材材料具有

5、有良好的的機(jī)械性性能，而而碳鋼和和合金鋼鋼具備上上述性能能要求，所所以得到到了廣泛泛應(yīng)用。金屬材料料具有良良好的機(jī)機(jī)械性能能，是由由它的成成分和內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)與組織織所決定定的。金屬材料料的結(jié)構(gòu)構(gòu)：是其其晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱，它它指的是是構(gòu)成金金屬材料料的質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)（如分分子、原原子或離離子等）的的具體組組合狀態(tài)態(tài)、結(jié)合合方式和和排列情情況。金屬材料料的組織織：是指指用顯微微鏡所觀觀察到的的金屬材材料內(nèi)部部的組成成形貌，故故也稱為為顯微組組織。由于每一一個(gè)機(jī)械械工程技技術(shù)人員員，在設(shè)設(shè)計(jì)和制制造機(jī)械械產(chǎn)品過(guò)過(guò)程中，都都要與工工程材料料打交道道，特別別是要與與各種金金屬材料料打交道道；要想想合理的的選擇

6、和和使用金金屬材料料，就必必須搞清清楚金屬屬材料的的成分、結(jié)構(gòu)、組織與與性能之之間的關(guān)關(guān)系及其其變化規(guī)規(guī)律，也也就是應(yīng)應(yīng)該努力力學(xué)好本本課程。工程程材料課課程就是是為了使使非材料料專業(yè)工工程技術(shù)術(shù)人員，對(duì)對(duì)各類(lèi)工工程材料料有所了了解而開(kāi)開(kāi)設(shè)的，目目的就是是為了使使他們具具備一定定的正確確選擇和和合理使使用材料料的基礎(chǔ)礎(chǔ)。二. 課課程的主主要內(nèi)容容本課程共共設(shè)122章，可可分為五五個(gè)部分分：1. 金金屬學(xué)部部分：是本書(shū)的的144章為金金屬學(xué)基基礎(chǔ)知識(shí)識(shí)，主要要介紹金金屬材料料的基本本現(xiàn)象、基本概概念和材材料的組組織與性性能的變變化基本本規(guī)律，它它是合理理選擇、正確使使用、以以及強(qiáng)化化金屬材材料的

7、理理論基礎(chǔ)礎(chǔ)。它主主要包括括金屬材材料的結(jié)結(jié)構(gòu)、結(jié)結(jié)晶過(guò)程程、塑性性變形、回復(fù)與與再結(jié)晶晶，以及及二元合合金相圖圖、鐵碳碳合金相相圖等；這一部部分是隨隨后兩部部分的直直接基礎(chǔ)礎(chǔ)。2. 熱熱處理部部分：是本書(shū)的的第5章章，主要要包括鋼鋼的熱處處理原理理與工藝藝兩方面面，本章章著重闡闡述鋼在在不同工工藝條件件下的組組織轉(zhuǎn)變變規(guī)律，并并在此基基礎(chǔ)上，介介紹改善善與強(qiáng)化化鋼的組組織與性性能的常常用熱處處理工藝藝，為合合理使用用熱處理理做準(zhǔn)備備。3. 金金屬材料料部分：是本書(shū)的的688章，這這部分主主要結(jié)合合金屬學(xué)學(xué)與熱處處理基本本知識(shí)，較較全面地地介紹常常用金屬屬材料的的牌號(hào)、成分、組織與與性能特特點(diǎn)

8、及用用途，為為正確選選用金屬屬材料打打基礎(chǔ)。它主要要包括合合金鋼、鑄鐵、有色金金屬及合合金等。以上三部部分是本本課程的的重點(diǎn)，其其中58章更更是全書(shū)書(shū)重點(diǎn)。4. 非非金屬材材料部分分：是本書(shū)的的9111章，這部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料，由于講課學(xué)時(shí)少，只能簡(jiǎn)單介紹上述幾類(lèi)材料的結(jié)構(gòu)、組織與性能特點(diǎn)，為初步了解有關(guān)非金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)，打一點(diǎn)基礎(chǔ)。5. 材材料的機(jī)機(jī)械性能能及機(jī)械械零件的的失效與與選材分分析部分分：是本書(shū)的的第122章，主主要介紹紹材料的的常用機(jī)機(jī)械性能能指標(biāo)，和和機(jī)械零零件的失失效形式式、原因因與分析析方法，以以及選材材的原則則和典型型零件的的選材與與工藝分分析

9、。本教材按按編者安安排全書(shū)書(shū)講課共共需366學(xué)時(shí)，實(shí)實(shí)驗(yàn)4學(xué)學(xué)時(shí)。這這與我校校實(shí)際教教學(xué)計(jì)劃劃相差較較大，故故在教學(xué)學(xué)過(guò)程中中只能對(duì)對(duì)各章節(jié)節(jié)進(jìn)行適適當(dāng)刪減減和壓縮縮。為了了盡量保保證課程程體系的的完整性性，我們們重點(diǎn)介介紹18章內(nèi)內(nèi)容，99122章內(nèi)容容根據(jù)教教學(xué)進(jìn)度度與時(shí)間間，只作作簡(jiǎn)單介介紹。三. 學(xué)學(xué)習(xí)目的的與要求求1. 了了解和掌掌握所學(xué)學(xué)工程材材料方面面的基本本理論和和基本知知識(shí)。2. 了了解和掌掌握各類(lèi)類(lèi)工程材材料的牌牌號(hào)、成成分，組組織與性性能之間間的相互互關(guān)系及及其變化化規(guī)律。3. 能能正確選選擇常用用工程材材料，合合理制訂訂其生產(chǎn)產(chǎn)工藝流流程。第一章 金屬屬的結(jié)構(gòu)構(gòu)和結(jié)晶晶

10、1.11 幾幾個(gè)基本本概念和和金屬的的特征一. 金金屬材料料金屬材料料是指金金屬元素素與金屬屬元素，或或金屬元元素與少少量非金金屬元素素所構(gòu)成成的，具具有一般般金屬特特性的材材料，統(tǒng)統(tǒng)稱為金金屬材料料。金屬材料料按其所所含元素素?cái)?shù)目的的不同，可可分為純純金屬（由由一個(gè)元元素構(gòu)成成）和合合金（由由兩個(gè)或或兩個(gè)以以上元素素構(gòu)成）。合金按按其所含含元素?cái)?shù)數(shù)目的不不同，又又可分為為二元合合金、三三元合金金和多元元合金。大家知知道物質(zhì)質(zhì)按其形形態(tài)不同同，可分分為固體體、液體體和氣體體。而固固體又可可分晶體體和非晶晶體。二. 晶晶體組成固態(tài)態(tài)物質(zhì)的的最基本本的質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)（如原原子、分分子或離離子）在在三維空空

11、間中，作作有規(guī)則則的周期期性重復(fù)復(fù)排列，即即以長(zhǎng)程程有序方方式排列列。這樣樣的物質(zhì)質(zhì)稱為晶晶體。如如：金屬屬，天然然金剛石石，結(jié)晶晶鹽，水水晶，冰冰等三. 非非晶體：組成固態(tài)態(tài)物質(zhì)的的最基本本的質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)，在三三維空間間中無(wú)規(guī)規(guī)則堆砌砌。這樣樣的物質(zhì)質(zhì)稱為非非晶體。如：玻玻璃，松松香等。晶體通常常又可分分為金屬屬晶體和和非金屬屬晶體，純純金屬及及合金都都屬于金金屬晶體體，其原原子間主主要以金金屬鍵結(jié)結(jié)合，而而非金屬屬晶體主主要以離離子鍵和和共價(jià)鍵鍵結(jié)合。如：食食鹽NaaCl（離離子鍵），金金剛石（共共價(jià)鍵）都都是非金金屬晶體體。四. 金金屬鍵金屬鍵是是金屬原原子之間間的結(jié)合合鍵，它它是大量量金屬原

12、原子結(jié)合合成固體體時(shí)，彼彼此失去去最外層層子電子子（過(guò)渡渡族元素素也失去去少數(shù)次次外層電電子），成成為正離離子，而而失去的的外層電電子穿梭梭于正離離子之間間，成為為公有化化的自由由電子云云或電子子氣，而而金屬正正離子與與自由電電子云之之間的強(qiáng)強(qiáng)烈靜電電吸引力力（庫(kù)倉(cāng)倉(cāng)引力），這這種結(jié)合合方式稱稱為金屬屬鍵，見(jiàn)見(jiàn)P2頁(yè)圖11-1。五. 金金屬特征征金屬材料料主要以以金屬鍵鍵方式結(jié)結(jié)合，從從而使金金屬材料料具有以以下特征征：1. 良良好的導(dǎo)導(dǎo)電、導(dǎo)導(dǎo)熱性：自由電子子定向運(yùn)運(yùn)動(dòng)（在在電場(chǎng)作作用下）導(dǎo)導(dǎo)電、（在在熱場(chǎng)作作用下）導(dǎo)導(dǎo)熱。2. 正正的電阻阻溫度系系數(shù)：即隨溫度度升高，電電阻增大大，因?yàn)闉榻?/p>

13、屬正正離子隨隨溫度的的升高，振振幅增大大，阻礙礙自由電電子的定定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)，從而而使電阻阻升高。3. 不不透明，有有光澤：自由電子子容易吸吸收可見(jiàn)見(jiàn)光，使使金屬不不透明。自由電電子吸收收可見(jiàn)光光后由低低能軌道道跳到高高能軌道道，當(dāng)其其從高能能軌道跳跳回低能能軌道時(shí)時(shí)，將吸吸收的可見(jiàn)見(jiàn)光能量量輻射出出來(lái)，產(chǎn)產(chǎn)生金屬屬光澤。4. 具具有延展展性：金屬鍵沒(méi)沒(méi)有方向向性和飽飽和性，所所以當(dāng)金金屬的兩兩部分發(fā)發(fā)生相對(duì)對(duì)位移時(shí)時(shí)，其結(jié)結(jié)合鍵不不會(huì)被破破壞，從從而具有有延展性性。1.22 晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)不管是金金屬晶體體還是非非金屬晶晶體，其其晶體結(jié)結(jié)構(gòu)如何何，與組組成晶體體的物質(zhì)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（可可以是原原子、分分子

14、或離離子，也也可以是是原子群群，分子子群或離離子群的的中心）的的具體排排列方式式和規(guī)律律有關(guān)?？萍脊すぷ髡咭灰话闶怯糜镁w結(jié)結(jié)構(gòu)模型型進(jìn)行描描述。一. 晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)模型按晶體結(jié)結(jié)構(gòu)模型型提出的的先后，可可將晶體體結(jié)構(gòu)模模型分為為球體模模型、晶晶格模型型和晶胞胞模型。1. 晶晶體的球球體模型型就是把組組成晶體體的物質(zhì)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，看看作為靜靜止的剛剛性小球球，他們們?cè)谌S維空間周周期性規(guī)規(guī)則堆垛垛而成，見(jiàn)見(jiàn)P3頁(yè)頁(yè)圖1.3（aa）。該該模型雖雖然很直直觀，立立體感強(qiáng)強(qiáng)，但不不利于觀觀察晶體體內(nèi)部質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的排排列方式式。針對(duì)對(duì)這一缺缺陷科技技工作者者進(jìn)一步步提出了了晶體的的晶格模模型。2. 晶晶體的晶晶格

15、模型型1) 空空間點(diǎn)陣陣將組成晶晶體的物物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)，進(jìn)一一步抽象象為幾何何點(diǎn)，這這些幾何何點(diǎn)在三三維空間間周期性性、規(guī)則則地排列列成的陣陣列，稱稱為空間間點(diǎn)陣或或布喇菲菲點(diǎn)陣；而這些些幾何點(diǎn)點(diǎn)稱為陣陣點(diǎn)或結(jié)結(jié)點(diǎn)。2)晶體體的晶格格模型用假想的的平行直直線將陣陣點(diǎn)聯(lián)結(jié)結(jié)起來(lái)，就就構(gòu)成了了晶體的的晶格模模型，也也稱空間間格子，簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱晶格格。見(jiàn)PP3頁(yè)圖圖1.33（b）。顯然用用抽象了了的晶格格模型來(lái)來(lái)研究晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)就方便便多了。3) 晶晶體的晶晶胞模型型簡(jiǎn)稱為晶晶胞。由由于晶體體的特點(diǎn)點(diǎn)是，原原子在三三維空間間有規(guī)則則的周期期性重復(fù)復(fù)排列。因此，可可以從晶晶格模型型中取出出一個(gè)具具有代表表性的最

16、最基本的的結(jié)構(gòu)單單元，來(lái)來(lái)研究晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)的特征征。這個(gè)個(gè)能夠反反映晶格格結(jié)構(gòu)的的最基本本的結(jié)構(gòu)構(gòu)單元就就稱為晶晶胞。見(jiàn)見(jiàn)P3頁(yè)頁(yè)圖1.3（cc）。由于晶胞胞中原子子的排列列規(guī)律，能能夠完全全代表晶晶格中原原子的排排列規(guī)律律，所以以晶胞在在三維空空間的重重復(fù)堆砌砌便構(gòu)成成了晶格格。因此此可以說(shuō)說(shuō)，晶胞胞就是構(gòu)構(gòu)成晶格格的細(xì)胞胞。利用用晶胞來(lái)來(lái)反映晶晶體中原原子的排排列方式式和特征征，將更更為方便便。所以以在研究究晶體結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，都都是取它它的晶胞胞進(jìn)行研研究。 反映晶胞胞的參數(shù)數(shù)：由于于不同的的晶體其其晶格結(jié)結(jié)構(gòu)不同同，故取取出的晶晶胞也不不相同。為了反反映各晶晶胞的特特征，通通常以晶晶胞的某某

17、一頂角角為坐標(biāo)標(biāo)原點(diǎn)，以以x、yy、z為為晶軸，見(jiàn)見(jiàn)圖1.3 (c).用晶格格常數(shù)（點(diǎn)點(diǎn)陣常數(shù)數(shù)）和晶晶軸夾角角來(lái)反映映晶胞的的特征。a. 晶晶格常數(shù)數(shù)：為晶晶胞各棱棱邊長(zhǎng)度度，用aa、b、c表示示，稱為為點(diǎn)陣常常數(shù)，單單位用nnm或埃埃1=100 8cm （11nm=10-9m）b.晶軸軸夾角：為晶胞胞各棱邊邊間夾角角，用、表示。當(dāng)某一一晶胞的的晶格常常數(shù)a=b=cc，=9000時(shí)，該該晶胞稱稱為立方方晶胞。4)晶系系與空間間點(diǎn)陣a. 晶晶系：是是晶體分分類(lèi)的一一種方式式，具有有相同晶晶胞特征征參數(shù)的的晶體屬屬于同一一晶系。根據(jù)晶晶胞特征征參數(shù)的的不同，晶晶體可分分為七大大晶系： 見(jiàn)PP4頁(yè)

18、表表1.11，即三三斜、單單斜、正正交、正正方、六六方、菱菱方、立立方晶系系。b. 晶晶系與空空間點(diǎn)陣陣：根據(jù)據(jù)每個(gè)陣陣點(diǎn)具有有相同的的周?chē)h(huán)環(huán)境（距距離、位位向），法法國(guó)晶體體學(xué)家布布喇菲用用數(shù)學(xué)方方法首先先證明，空空間點(diǎn)陣陣只能有有14種種，它分分屬上述述七個(gè)晶晶系，見(jiàn)見(jiàn)P4頁(yè)頁(yè)圖1.4或表表1.11。其中中有7種種為簡(jiǎn)單單晶胞，77種為復(fù)復(fù)雜晶胞胞或復(fù)合合晶胞。簡(jiǎn)單晶晶胞只在在其平行行六面體體的八個(gè)個(gè)頂角上上有陣點(diǎn)點(diǎn)，屬于于該晶胞胞的陣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)為11。因?yàn)闉榫О旐斀巧系牡拿恳粋€(gè)個(gè)陣點(diǎn)屬屬于八個(gè)個(gè)相鄰晶晶胞所共共有（即即8x11/8=1）。而復(fù)合合晶胞除除在八個(gè)個(gè)頂角上上有陣點(diǎn)點(diǎn)外，還還在

19、其體體心、面面心（每每個(gè)面的的中心），或或底心（上上下底面面的中心心）有陣陣點(diǎn)，所所以這種種晶胞的的陣點(diǎn)數(shù)數(shù)2。由于空間間點(diǎn)陣上上的陣點(diǎn)點(diǎn)，可以以代表各各種不同同物質(zhì)的的原子、分子或或離子，以及原子群、分子群或離子群；所以同一種空間點(diǎn)陣，可以有無(wú)限種實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。見(jiàn)P5頁(yè)圖1.5（a），(b)，(c)三種不同的晶體結(jié)構(gòu)都屬于（d）這種空間點(diǎn)陣。因此可以說(shuō)空間點(diǎn)陣是有限的（只能有14種），而晶體結(jié)構(gòu)是無(wú)限的可以有很多種。二. 純純金屬的的三種典典型晶體體結(jié)構(gòu)由元素周周期表可可知金屬屬的種類(lèi)類(lèi)很多，而而且它們們的晶體體結(jié)構(gòu)并并不完全全相同。工業(yè)上上常用的的金屬絕絕大多數(shù)數(shù)具有比比較簡(jiǎn)單單的晶體體結(jié)

20、構(gòu)，其其中最典典型的為為體心立立方結(jié)構(gòu)構(gòu)（bccc）、面心心立方結(jié)結(jié)構(gòu)（ffcc）和密排排六方結(jié)結(jié)構(gòu)（hhcp），見(jiàn)PP5頁(yè)圖圖1.66。1. 三三種典型型晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的形形貌圖1.66中（aa）為體心心立方結(jié)結(jié)構(gòu)，即即在立方方晶胞的的八個(gè)頂頂角上各各有一個(gè)個(gè)原子，在在體中心心有一個(gè)個(gè)原子，每每個(gè)原子子與空間間點(diǎn)陣中中的一個(gè)個(gè)陣點(diǎn)相相對(duì)應(yīng)。屬于這這種晶體體結(jié)構(gòu)的的純金屬屬有-Fee,Crr,Moo,W,V等。圖1.66中（bb）為面心心立方結(jié)結(jié)構(gòu)，即即在立方方晶胞的的八個(gè)頂頂角上各各有一個(gè)個(gè)原子，每每個(gè)面的的中心各各有一個(gè)個(gè)原子，屬屬于這種種晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的純純金屬有有Al，CCu，AAu，AAg，

21、NNi，PPb，-Fee等。圖1.66中（cc）為密排排六方結(jié)結(jié)構(gòu)，它它是在六六棱柱體體晶胞的的十二個(gè)個(gè)頂角上上各有一一個(gè)原子子，上下下頂面中中心各有有一個(gè)原原子，在在六棱柱柱中三個(gè)個(gè)相間的的三棱柱柱中心各各有一個(gè)個(gè)原子，屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有Mg,Zn,Cd等。2. 描描述金屬屬晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的一一些重要要參數(shù)由于在金金屬晶體體中，一一個(gè)原子子與空間間點(diǎn)陣中中的一個(gè)個(gè)陣點(diǎn)相相對(duì)應(yīng)，所所以我們們可以用用剛性球球體模型型，計(jì)算算出其晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)中的下下列重要要參數(shù)。1) 單單位晶胞胞原子數(shù)數(shù)：即一一個(gè)晶胞胞所含的的原子數(shù)數(shù)目。2) 原原子半徑徑：是利用晶晶格常數(shù)數(shù)，算出出晶胞中中兩相切切原子間間

22、距離的的一半。3) 配配位數(shù)：是晶體體結(jié)構(gòu)中中任何一一原子周周?chē)罱徢业鹊染嚯x的的原子數(shù)數(shù)目，配配位數(shù)越越大，原原子排列列的越緊緊密。4) 致致密度：是單位位晶胞中中原子所所占體積積與晶胞胞體積之之比，其其表達(dá)式式為 KK=nvv/V；K致密度度；n單位晶晶胞原子子數(shù)，vv每個(gè)原原子的體體積，VV晶胞體體積，致致密度越越大，原原子排列列越緊密密。5) 間間隙半徑徑： 指指晶格空空隙中能能容納的的最大球球體半徑徑。因?yàn)闉橄嗤叱叽绲脑?，既既使按最最緊密方方式排也也會(huì)存在在空隙。三種典型型晶體結(jié)結(jié)構(gòu)的重重要參數(shù)數(shù)小結(jié)晶格類(lèi)型型 單單位晶胞胞原子數(shù)數(shù) 原子半半徑 配配位數(shù) 致致密度 間間隙半

23、徑徑 體心立方方 2 3/4a 8 0.668 0.229面心立方方 4 2/4a 12 0.774 0.441密排六方方 6 11/2aa 122 0.74 0.41三. 金金屬晶體體中晶面面和晶向向的表示示晶面 是是金屬晶晶體中原原子在任任何方位位所組成成的平面面。晶向 是是金屬晶晶體中原原子在任任何方向向所組成成的直線線。晶面指數(shù)數(shù) 表示示晶面在在晶體中中方位的的符號(hào)。晶向指數(shù)數(shù) 表示示晶向在在晶體中中方向的的符號(hào)。1. 晶晶面指數(shù)數(shù)的確定定1) 立立坐標(biāo),找出所所求晶面面的截距距;(坐坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)不可設(shè)設(shè)在所求求晶面上上)所求求晶面與與坐標(biāo)軸軸平行時(shí)時(shí),截距距為；2) 取取晶面與與三個(gè)坐

24、坐標(biāo)軸截截距的倒倒數(shù)；3) 將將所得倒倒數(shù)按比比例化為為最小整整數(shù)，放放入圓括括號(hào)內(nèi)，即即得所求求晶面的的晶面指指數(shù)，一一般用（hhkl）表表示。以P7頁(yè)頁(yè)圖1.9和立立方晶系系為例，畫(huà)畫(huà)圖說(shuō)明明晶面指指數(shù)的具具體確定定方法。對(duì)于立立方晶系系由于其其對(duì)稱性性高，所所以可將將其原子子排列情情況相同同，而空空間位向向不同的的晶面歸歸為同一一個(gè)晶面面族，用用hkkl表表示。如如（1000），（0010），（0001）就就屬于1000晶面面族。而而（1110），（1101），（0011），（10），（01），（01）就屬于110晶面族。（111），（11），（11），（11）就屬于111晶面族。對(duì)于非

25、立方晶系由于其對(duì)稱性較差，所以其晶面指數(shù)數(shù)字相同，而排列次序不同的晶面不屬于同一個(gè)晶面族。如在正交晶系中（100），（010），（001）晶面就不屬于同一個(gè)晶面族100，因?yàn)槠渚Ц癯?shù)abc。2. 晶晶向指數(shù)數(shù)的確定定1) 建建立坐標(biāo)標(biāo),將所所求晶向向的一端端放在坐坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)上(或或從坐標(biāo)標(biāo)原點(diǎn)引引一條平平行所求求晶向的的直線)；2) 求求出所求求晶向上上任意結(jié)結(jié)點(diǎn)的三三個(gè)坐標(biāo)標(biāo)值；3) 將將所得坐坐標(biāo)值按按比例化化為最小小整數(shù)，放放入方括括號(hào)內(nèi)，即即得所求求晶向的的晶向指指數(shù)一般般用uuvw表示。以P77頁(yè)圖11.100為例，畫(huà)畫(huà)圖說(shuō)明明晶向指指數(shù)的具具體確定定方法。對(duì)于立立方晶系系由于其其

26、對(duì)稱性性高，也也可將其其原子排排列情況況相同，而而空間位位向不同同的晶向向歸為同同一個(gè)晶晶向族，用用表表示，如如晶向1000，0100，0011屬于于晶晶向族。在立方晶晶系中，當(dāng)當(dāng)晶面指指數(shù)與晶晶向指數(shù)數(shù)相同時(shí)時(shí)，即hh=u, k=v, l=ww時(shí)（hhkl）uvvw，如如（1111）1111。但在對(duì)對(duì)稱性較較差的非非立方晶晶系中，一般不存在這種關(guān)系。由晶面指指數(shù)和晶晶向指數(shù)數(shù)的介紹紹，可以以發(fā)現(xiàn)不不同的晶晶面和晶晶向上，原原子排列列的緊密密程度不不同。晶晶面上原原子排列列的緊密密程度，可可用晶面面的原子子密度（單單位面積積上的原原子數(shù)）表表示；晶晶向上原原子排列列的緊密密程度，可可用晶向向的

27、原子子密度（單單位長(zhǎng)度度上的原原子數(shù)）表表示。以以體心立立方和面面心立方方為例，畫(huà)畫(huà)圖說(shuō)明明晶面和和晶向原原子密度度的具體體計(jì)算方方法。通通過(guò)計(jì)算算和比較較可以發(fā)發(fā)現(xiàn)，在在晶體中中原子最最密排晶晶面之間間的距離離最大，原原子最密密排晶向向之間的的距離最最大；這這是晶體體在外力力作用時(shí)時(shí)，總是是沿著原原子最密密排晶面面和原子子最密排排晶向，首首先發(fā)生生相對(duì)位位移的主主要原因因之一。3. 六六方晶系系晶面和和晶向指指數(shù)的確確定以上介紹紹的晶面面和晶向向指數(shù)的的確定方方法，是是國(guó)際上上通用的的密勒指指數(shù)法，它它適用于于各種晶晶系。但但用它確確定六方方晶系的的晶面和和晶向指指數(shù)時(shí)，從從其各晶晶面指數(shù)數(shù)

28、和晶向向指數(shù)中中，卻反反映不出出原子排排列情況況相同，而而空間位位向不同同的各等等同晶面面和各等等同晶向向之間的的關(guān)系。見(jiàn)P88頁(yè)第556行行。如果采用用四個(gè)坐坐標(biāo)軸，即即a1,a2,a3,c就就可較好好地反映映出各等等同晶面面和各等等同晶向向之間的的關(guān)系。這樣可可用（hhkill）表示示晶面指指數(shù)，用用uvvtw表示晶晶向指數(shù)數(shù)。由于于在二維維平面最最多只有有兩個(gè)獨(dú)獨(dú)立的坐坐標(biāo)，則則a3=-(aa1+a2)，因因此有ii=-(h+kk), t=-(u+v)。用四個(gè)個(gè)坐標(biāo)軸軸確定六六方晶系系的晶面面指數(shù)的的方法，與與用三個(gè)個(gè)坐標(biāo)軸軸時(shí)相同同，只需需多確定定出在aa3軸上的的截距。它也可可以先用

29、用三個(gè)坐坐標(biāo)確定定，再根根據(jù)i=-(h+kk)的關(guān)關(guān)系，加加上第四四個(gè)指數(shù)數(shù)。而用用四個(gè)坐坐標(biāo)軸確確定晶向向指數(shù)時(shí)時(shí)，必須須從坐標(biāo)標(biāo)原點(diǎn)出出發(fā)，沿沿平行于于四個(gè)坐坐標(biāo)軸的的方向依依次移動(dòng)動(dòng)，最后后到達(dá)所所求晶向向上的某某一結(jié)點(diǎn)點(diǎn)。具體體確定方方法見(jiàn)PP8頁(yè)圖圖1.112，應(yīng)應(yīng)注意沿沿a3軸移動(dòng)動(dòng)的距離離，應(yīng)等等于沿aa1,a2軸移動(dòng)動(dòng)距離之之和的負(fù)負(fù)值，即即滿足tt=-(u+vv)。用用三個(gè)坐坐標(biāo)軸確確定的晶晶向指數(shù)數(shù)和用四四個(gè)坐標(biāo)標(biāo)軸確定定的晶向向指數(shù)，可可根據(jù)PP8頁(yè)下下的公式式相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。用用四個(gè)坐坐標(biāo)軸確確定出的的六方晶晶系的晶晶面和晶晶向指數(shù)數(shù)，就能能較好地地反映出出各原子子排列情情

30、況相同同，而空空間位向向不同的的各等同同晶面和和晶向之之間的關(guān)關(guān)系。見(jiàn)見(jiàn)P8頁(yè)頁(yè)第100111行和圖圖1.111，圖圖1.112。4. 金金屬晶體體的各向向異性1) 單單晶體由一個(gè)晶晶核所長(zhǎng)長(zhǎng)成的大大晶體,它的原原子排列列方式和和位向完完全相同同,這樣樣的晶體體稱為單單晶體。2) 各各向異性性是單晶體體沿各不不同晶面面或晶向向具有不不同性能能的現(xiàn)象象。如體心立立方結(jié)構(gòu)構(gòu)-Fee單晶體體的彈性性模量EE，在方向向E =22.8105 MMPa，而而在方向EE =1.32105 MPPa，兩兩者相差差兩倍多多。而且且發(fā)現(xiàn)單單晶體的的屈服強(qiáng)強(qiáng)度、導(dǎo)導(dǎo)磁性、導(dǎo)電性性等性能能，也存存在著明明顯的各各向異

31、性性。單晶體具具有各向向異性的的主要原原因是，其其晶體中中原子在在三維空空間是規(guī)規(guī)則排列列的，造造成各晶晶面和各各晶向上上原子排排列的緊緊密程度度不同（即即晶面的的原子密密度和晶晶向的原原子密度度不同），使使各晶面面之間以以及各晶晶向之間間的距離離不同，因因此各不不同晶面面、不同同晶向之之間的原原子結(jié)合合力不同同，從而而導(dǎo)致其其具有各各向異性性。3) 多多晶體由許多晶晶核長(zhǎng)成成的大晶晶體，因因各晶核核的原子子排列方方式相同同，而位位向不同同，因此此在各晶晶核長(zhǎng)成成的晶粒粒交界處處存在著著晶界，所所以多晶晶體由許許多晶粒粒組成，見(jiàn)圖1.13。多晶體中中各晶粒粒相當(dāng)于于一個(gè)小小的單晶晶體，它它具有

32、各各向異性性。由于于各晶粒粒位向不不同，因因此它們們的各向向異性相相互抵消消，表現(xiàn)現(xiàn)為各向向同性，多多晶體的的這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為為偽等向向性（偽偽無(wú)向性性）。非晶體由由于原子子排列無(wú)無(wú)規(guī)則，所所以沿各各不同方方向測(cè)得得的性能能相同，表表現(xiàn)為各各向同性性。1.33 實(shí)實(shí)際金屬屬晶體中中的晶體體缺陷理想晶體體理想晶體體是指晶晶體中原原子嚴(yán)格格地成，完完全規(guī)則則和完整整的排列列，在每每個(gè)晶格格結(jié)點(diǎn)上上都有原原子排列列而成的的晶體。如理想想晶胞在在三維空空間重復(fù)復(fù)堆砌就就構(gòu)成理理想的單單晶體。實(shí)際晶體體=多晶晶體+晶晶體缺陷陷實(shí)際使用用的金屬屬材料絕絕大多數(shù)數(shù)都是多多晶體，即即由許多多不同位位向的晶晶粒和

33、晶晶界組成成。在金金相顯微微鏡下一一般如下下圖，各各小晶粒?？梢越频乜纯醋魇且灰粋€(gè)小的的單晶體體。但是是實(shí)際金金屬材料料的每個(gè)個(gè)晶粒中中，還存存在著各各種晶體體缺陷。晶體缺陷陷晶體缺陷陷是晶體體內(nèi)部存存在的一一些原子子排列不不規(guī)則和和不完整整的微觀觀區(qū)域，按按其幾何何尺寸特特征，可可分為點(diǎn)點(diǎn)缺陷、線缺陷陷和面缺缺陷三類(lèi)類(lèi)。晶體缺陷陷在實(shí)際際金屬材材料中所所占的量量很少（只只占原子子總數(shù)的的千分之之一），因因此仍可可把實(shí)際際金屬材材料的結(jié)結(jié)構(gòu)看作作是接近近完整的的。由于于晶體缺缺陷在晶晶體中并并不是靜靜止不動(dòng)動(dòng)的，它它可以隨隨外界條條件的改改變進(jìn)行行運(yùn)動(dòng)、增加、發(fā)生交交互作用用和消失失，所以

34、以它對(duì)金金屬材料料的性能能、固態(tài)態(tài)相變、擴(kuò)散等等過(guò)程，將將產(chǎn)生重重大影響響。一. 點(diǎn)點(diǎn)缺陷1. 點(diǎn)點(diǎn)缺陷的的概念 是晶體體中在XX,Y,Z三維維方向上上尺寸都都很小的的晶體缺缺陷。2. 點(diǎn)點(diǎn)缺陷的的類(lèi)型 見(jiàn)P99頁(yè)圖11.144主要有有四類(lèi)，即即空位；間隙原原子（有有同類(lèi)和和異類(lèi)之之分）；置換原原子（有有大小之之分）；復(fù)合空空位。3. 點(diǎn)點(diǎn)缺陷的的形成 可以是是液態(tài)金金屬凝固固時(shí)，少少數(shù)原子子發(fā)生偶偶然的錯(cuò)錯(cuò)排而形形成；也也可以是是晶體在在高溫或或外力作作用下形形成。對(duì)對(duì)于純金金屬中只只能形成成空位、同類(lèi)間間隙原子子和復(fù)合合空位。而金屬屬中含有有少量雜雜質(zhì)元素素時(shí)，才才可能形形成異類(lèi)類(lèi)間隙原原

35、子和置置換原子子；當(dāng)有有尺寸不不同的兩兩種雜質(zhì)質(zhì)原子時(shí)時(shí)，才可可能形成成大小不不同的置置換原子子。一般般認(rèn)為組組成晶體體的原子子在晶格格結(jié)點(diǎn)上上并不是是靜止不不動(dòng)的，而而是以晶晶格結(jié)點(diǎn)點(diǎn)為中心心不停地地作熱振振動(dòng)，但但受到周周?chē)幼拥募s束束，它只只能處在在其平衡衡位置上上（即晶晶格結(jié)點(diǎn)點(diǎn)上）。但是晶體體中每個(gè)個(gè)原子的的振動(dòng)能能量是不不同的，并并隨時(shí)間間和外界界條件而而改變（如如溫度升升高，振振幅增大大），即即存在著著能量起起伏。當(dāng)當(dāng)某一原原子某一一瞬間具具有足夠夠大的能能量時(shí)，它它將擺脫脫周?chē)拥募s約束，跳跳離其原原平衡位位置（即即振動(dòng)中中心），形形成空結(jié)結(jié)點(diǎn)即空空位。如如果它跳跳到晶格

36、格間隙處處，則形形成同類(lèi)類(lèi)間隙原原子?？湛瘴弧㈤g間隙原子子、置換換原子的的存在都都破壞了了原子排排列的規(guī)規(guī)律性。使晶格格發(fā)生局局部彈性性變形，晶格的這種彈性變形稱為晶格畸變，見(jiàn)圖1.14?？瘴缓托≈脫Q原子使其周?chē)酉蛟撐恢每繑n，產(chǎn)生負(fù)畸變；而間隙原子和大置換原子使周?chē)颖粩D開(kāi)，產(chǎn)生正畸變。二. 線線缺陷1. 線線缺陷的的概念 是晶體體中在一一維方向向上尺寸寸很大，而而在另外外二維方方向上的的尺寸很很小的晶晶體缺陷陷，它的的主要形形式是位位錯(cuò)。1) 位位錯(cuò)的類(lèi)類(lèi)型(1) 位錯(cuò)：是晶體體中一列列或若干干列原子子，發(fā)生生某種有有規(guī)律的的錯(cuò)排現(xiàn)現(xiàn)象。它它的類(lèi)型型很多主主要有刃刃型位錯(cuò)錯(cuò)，螺型型位錯(cuò)

37、和和混合型型位錯(cuò)等等。(2) 刃型位位錯(cuò)：是是在完整整晶體中中的某一一個(gè)晶面面上， 多出了了半排原原子面，這這半排多多出的原原子面就就象刀刃刃垂直切切入完整整晶體中中一樣，故故稱為刃刃型位錯(cuò)錯(cuò)。見(jiàn)PP10頁(yè)頁(yè)圖1.15。EFGGH面為為多余半半原子面面，EFF線為位位錯(cuò)線。通常用用符號(hào)“”表示示正刃型型位錯(cuò)，既既在晶體體上半部部有多余余半原子子面；而而用符號(hào)號(hào)“”表表示負(fù)刃刃型位錯(cuò)錯(cuò)，既在在晶體的的下半部部有多余余半原子子面。由由圖可以以看出，位位錯(cuò)的存存在使晶晶體中局局部區(qū)域域原子排排列的規(guī)規(guī)律性受受到破壞壞，在AABCDD晶面上上位錯(cuò)線線附近的的原子受受壓應(yīng)力力，在AABCDD晶面下下方位

38、錯(cuò)錯(cuò)線附近近的原子子受拉應(yīng)應(yīng)力。因因此在位位錯(cuò)線周周?chē)a(chǎn)生生了嚴(yán)重重的晶格格畸變，這這說(shuō)明位位錯(cuò)不是是一個(gè)原原子列，而而是一個(gè)個(gè)晶格畸畸變“管道”，通常常以該管管道的中中心作為為位錯(cuò)線線。(3) 螺型位位錯(cuò)：見(jiàn)見(jiàn)P100頁(yè)圖11.166是在簡(jiǎn)簡(jiǎn)單立方方晶體的的右端（左左端也行行）加切切應(yīng)力，使使晶體沿沿ABCCD晶面面上下局局部發(fā)生生一個(gè)原原子間距距的相對(duì)對(duì)位移，所所產(chǎn)生的的原子錯(cuò)錯(cuò)排現(xiàn)象象，由于于該錯(cuò)排排區(qū)成螺螺旋型管管道狀，見(jiàn)見(jiàn)圖1.16(b) 、(cc)故稱稱為螺型型位錯(cuò)。不管是刃刃型位錯(cuò)錯(cuò)還是螺螺型位錯(cuò)錯(cuò)，從微微觀看都都是一個(gè)個(gè)晶格畸畸變的管管道區(qū)，其其管道的的直徑較較小，只只有幾個(gè)個(gè)

39、原子間間距，而而長(zhǎng)度較較長(zhǎng)有幾幾百到上上萬(wàn)個(gè)原原子間距距，故稱稱為線缺缺陷，可可用其中中心線表表示。見(jiàn)見(jiàn)圖1.17。因?yàn)樵谠趯?shí)際晶晶體中存存在著大大量的位位錯(cuò)，一一般以空空間三維維網(wǎng)狀分分布，（已已用透射射電子顯顯微鏡在在鐵中觀觀察到），網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的的各線段段可以是是刃型，螺螺型或混混合型位位錯(cuò)。晶體中位位錯(cuò)數(shù)目目的多少少一般用用位錯(cuò)密密度表示，= LL/V，是是單位晶晶體中所所包含的的位錯(cuò)線線總長(zhǎng)度度，單位位為cmm /ccm3 （11/cmm2）。在在退火態(tài)態(tài)金屬中中 1006-1008cm-22 ，而而經(jīng)冷形形變后到110111 110122 cmm-2。因此晶體體中的位位錯(cuò)可以以是在凝凝

40、固過(guò)程程中形成成，也可可以在塑塑性變形形時(shí)形成成。三. 面面缺陷面缺陷的的概念：是指晶晶體中在在二維方方向上尺尺寸很大大，而在在另一維維方向上上尺寸很很小的晶晶體缺陷陷。面缺陷的的類(lèi)型：主要包包括晶體體的外表表面、堆堆垛層錯(cuò)錯(cuò)、晶界界、亞晶晶界、孿孿晶界和和相界面面等。1. 晶晶界晶界是多多晶體中中晶粒與與晶粒之之間的交交界面，由由于各晶晶粒中原原子排列列方式相相同（如如都是體體心立方方），只只是晶格格位向不不同，因因此晶界界實(shí)際上上是不同同位向晶晶粒之間間的過(guò)渡渡層。該該過(guò)渡層層有一定定的厚度度，為了了同時(shí)適適應(yīng)兩側(cè)側(cè)不同位位向晶粒粒的過(guò)渡渡，而使使過(guò)渡層層處的原原子總是是不能規(guī)規(guī)則排列列，

41、產(chǎn)生生晶格畸畸變，見(jiàn)見(jiàn)P111頁(yè)圖11.188，所以以它是晶晶體中的的一種重重要的面面缺陷。根據(jù)晶體體中各晶晶粒之間間的位向向差不同，又又可將晶晶界分為為大角度度晶界（10）和小角度晶界（S固，兩曲曲線交點(diǎn)點(diǎn)的溫度度為金屬屬的理論論結(jié)晶溫溫度即熔熔點(diǎn)。這這時(shí)液、固兩相相的自由由能相等等，液、固兩相相處于動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡衡狀態(tài)，兩兩相可以以長(zhǎng)期共共存。當(dāng)T=Tm時(shí)時(shí)，G液液=G固，兩相相共存；當(dāng)TTm時(shí)時(shí)，G液液G固，金屬屬熔化成成液體；當(dāng)TG固，金屬屬結(jié)晶成成固體，而而G=GG固-GG液00，為結(jié)結(jié)晶的驅(qū)驅(qū)動(dòng)力，由由此可知知過(guò)冷是是結(jié)晶的的必要條條件，T越大大，結(jié)晶晶驅(qū)動(dòng)力力越大，結(jié)結(jié)晶速度度越快。

42、1.55 形形核和長(zhǎng)長(zhǎng)大一. 形形核 液態(tài)金金屬在結(jié)結(jié)晶時(shí)，其其形核方方式一般般認(rèn)為主主要有兩兩種：即即均質(zhì)形形核（對(duì)對(duì)稱均勻勻形核）和和異質(zhì)形形核（又又稱非均均勻形核核）。1. 均均質(zhì)形核核均質(zhì)形核核是純凈凈的過(guò)冷冷液態(tài)金金屬依靠靠自身原原子的規(guī)規(guī)則排列列形成晶晶核的過(guò)過(guò)程。它它形成的的具體過(guò)過(guò)程是液液態(tài)金屬屬過(guò)冷到到某一溫溫度時(shí)，其其內(nèi)部尺尺寸較大大的近程程有序原原子集團(tuán)團(tuán)達(dá)到某某一臨界界尺寸后后成為晶晶核。 由于過(guò)過(guò)冷提供供了結(jié)晶晶的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，但但晶核形形成后會(huì)會(huì)產(chǎn)生新新的液固固界面，使使體系自自由能升升高，所所以并不不是一有有過(guò)冷就就能形核核，而是是要達(dá)到到一定的的過(guò)冷度度后，才才能形

43、核核。形核核速度的的快慢用用形核率率表示NN，它是是單位時(shí)時(shí)間內(nèi)單單位體中中形成的的晶核數(shù)數(shù)目，它它與過(guò)冷冷度即結(jié)結(jié)晶驅(qū)動(dòng)動(dòng)力大小小有關(guān)，還還與原了了活動(dòng)能能力（擴(kuò)擴(kuò)散穩(wěn)遷遷移能力力）有關(guān)關(guān)，見(jiàn)圖圖1.228。即N受兩兩個(gè)相互互制約的的因素控控制。T大，結(jié)結(jié)晶驅(qū)動(dòng)動(dòng)力大，但但溫度低低，原子子活動(dòng)能能力小，所所以N-T完整整的曲線線，應(yīng)是是正態(tài)分分布，但但因金屬屬結(jié)晶傾傾向很大大，實(shí)際際只能測(cè)測(cè)到曲線線的前半半部，金金屬已經(jīng)經(jīng)結(jié)晶完完畢，見(jiàn)見(jiàn)圖1.29，由由于均質(zhì)質(zhì)形核阻阻力較大大，當(dāng)T=00.2TTm時(shí)才才能有效效形核。2. 異異質(zhì)形核核異質(zhì)形核核是液態(tài)態(tài)金屬原原子，依依附于模模壁或液液相中未

44、未熔固相相質(zhì)點(diǎn)表表面，優(yōu)優(yōu)先形成成晶核的的過(guò)程。由實(shí)驗(yàn)發(fā)發(fā)現(xiàn)異質(zhì)質(zhì)形核所所需的過(guò)過(guò)冷度小小，T=00.022Tm時(shí)時(shí)，就能能有效形形核。見(jiàn)見(jiàn)右圖，因因?yàn)楫愘|(zhì)質(zhì)形核是是依附在在現(xiàn)有固固體表面面形核（稱稱為形核核基底或或襯底），所所以新增增的液固固界面積積小，界界面能低低，結(jié)晶晶阻力小小。另外外，實(shí)際際液態(tài)金金屬中總總是或多多或小地地存在著著未熔固固體雜質(zhì)質(zhì)，而且且在澆注注時(shí)液態(tài)態(tài)金屬總總是要與與模壁接接觸，因因此實(shí)際際液態(tài)金金屬結(jié)晶晶時(shí)，首首先以異異質(zhì)形核核方式形形核。但但是應(yīng)該該注意的的是，并并不是任任何固體體表面都都能促進(jìn)進(jìn)異質(zhì)形形核。只只有晶核核與基底底之間的的界面能能越小時(shí)時(shí)，這樣樣的基

45、底底才能促促進(jìn)異質(zhì)質(zhì)形核。 由形核核的討論論可知過(guò)過(guò)冷是結(jié)結(jié)晶的必必要條件件，但過(guò)過(guò)冷后還還需通過(guò)過(guò)能量起起伏和結(jié)結(jié)構(gòu)起伏伏，使近近程有序序的原子子集團(tuán)達(dá)達(dá)到某一一臨界尺尺寸后才才能形成成晶核。二. 晶晶體的長(zhǎng)長(zhǎng)大 晶核形形成以后后就會(huì)立立刻長(zhǎng)大大，晶核核長(zhǎng)大的的實(shí)質(zhì)就就是液態(tài)態(tài)金屬原原子向晶晶核表面面堆砌的的過(guò)程，也也是固液液界面向向液體中中遷移的的過(guò)程。它也需需要過(guò)冷冷度，該該過(guò)冷度度稱為動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)冷冷度用Tk表表示，一一般很小小難以測(cè)測(cè)定。 經(jīng)研究究發(fā)現(xiàn)晶晶體的生生長(zhǎng)方式式主要與與固液界界面的微微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)有關(guān)，而而晶體的的生長(zhǎng)形形態(tài)主要要與固液液界面前前沿的溫溫度梯度度有關(guān)。1. 固固液界

46、面面的微觀觀結(jié)構(gòu)和和晶體長(zhǎng)長(zhǎng)大機(jī)制制1) 固固液界面面的微觀觀結(jié)構(gòu)經(jīng)研究發(fā)發(fā)現(xiàn)固液液界面的的微觀結(jié)結(jié)構(gòu)主要要有兩類(lèi)類(lèi)。(1) 光滑界界面：即即液固界界面是截截然分開(kāi)開(kāi)的，995%或或5%的的位置為為固相原原子占據(jù)據(jù)。它由由原子密密排面組組成，故故也稱為為小平面面界面見(jiàn)見(jiàn)右圖 或圖圖1.330(aa)，(2) 粗糙界界面：即即液固界界面不是是截然分分開(kāi)的，550%的的位置被被固相原原子占據(jù)據(jù)，還有有50%空著，故故也稱為為非小平平面界面面。見(jiàn)右右圖或圖圖1.330(bb)。2) 晶晶體的長(zhǎng)長(zhǎng)大機(jī)制制(1) 粗糙界界面的長(zhǎng)長(zhǎng)大機(jī)制制連續(xù)續(xù)垂直長(zhǎng)長(zhǎng)大機(jī)制制即液相原原子不斷斷地向空空著的結(jié)結(jié)晶位置置上

47、堆砌砌，并且且在堆砌砌過(guò)程中中固液界界面上的的臺(tái)階始始終不會(huì)會(huì)消失，使使界面垂垂直向液液相中推推進(jìn)，故故其長(zhǎng)大大速度快快，金屬屬及合金金的長(zhǎng)大大機(jī)制多多以這種種方式進(jìn)進(jìn)行，因因?yàn)樗鼈儌兊墓桃阂航缑娑喽酁榇植诓诿妗?2) 光滑界界面的長(zhǎng)長(zhǎng)大機(jī)制制側(cè)向向長(zhǎng)大機(jī)機(jī)制對(duì)于完全全光滑的的固液界界面多以以二維晶晶核機(jī)制制長(zhǎng)大。a. 二二維晶核核機(jī)制：由于固固液界面面是完全全光滑的的，則單單個(gè)液相相原子很很難在其其上堆砌砌（增加加界面積積大，界界面能高高），所所以它先先以均質(zhì)質(zhì)形核方方式形成成一個(gè)二二維晶核核，堆砌砌到原固固液界面面上，為為液相原原子的堆堆砌提供供臺(tái)階，而而進(jìn)行側(cè)側(cè)向長(zhǎng)大大。長(zhǎng)滿滿一層后后，

48、晶體體生長(zhǎng)中中斷，等等新的二二維晶核核形成后后再繼續(xù)續(xù)長(zhǎng)大，因因此它是是不連續(xù)續(xù)側(cè)向生生長(zhǎng)，長(zhǎng)長(zhǎng)大速度度很慢，與與實(shí)際情情況相差差較大，見(jiàn)見(jiàn)圖1.31(a)。對(duì)于有缺缺陷的光光滑界面面，多以以晶體缺缺陷生長(zhǎng)長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)長(zhǎng)大。b. 晶晶體缺陷陷生長(zhǎng)機(jī)機(jī)制：見(jiàn)見(jiàn)圖1.31(b)或或下圖，即即在光滑滑界面上上有露頭頭的螺型型位錯(cuò)，它它的存在在為液相相原子的的堆砌提提供了臺(tái)臺(tái)階（靠靠背），液液相原子子可連續(xù)續(xù)地堆砌砌，使固固液界面面進(jìn)行螺螺旋狀連連續(xù)側(cè)向向生長(zhǎng)，其其長(zhǎng)大速速度較快快，并與與實(shí)際情情況比較較接近，非非金屬和和金屬化化合物多多為光滑滑界面，它它們多以以這種機(jī)機(jī)制進(jìn)行行生長(zhǎng)。2. 固固液界面面前

49、沿的的溫度梯梯度與純純金屬晶晶體的生生長(zhǎng)形態(tài)態(tài)1) 固固液界面面前沿的的溫度梯梯度固液界面面前沿的的溫度梯梯度主要要有兩種種：即正正溫度梯梯度和負(fù)負(fù)溫度梯梯度。(1) 正溫度度梯度（） 見(jiàn)P116頁(yè)圖圖1.332(aa)，由由于液態(tài)態(tài)金屬在在鑄型中中冷卻時(shí)時(shí)熱量主主要通過(guò)過(guò)型壁散散出，故故結(jié)晶首首先從型型壁開(kāi)始始，液態(tài)態(tài)金屬的的熱量和和結(jié)晶潛潛熱都通通過(guò)型壁壁和已結(jié)結(jié)晶固相相散出，因因此固液液界面前前沿的溫溫度隨距距離x的增加加而升高高，即T隨x而。 (2) 負(fù)溫溫度梯度度 見(jiàn)圖11.322(b.c)，若若金屬在在坩堝中中加熱熔熔化后，隨隨坩堝一一起降溫溫冷卻，當(dāng)當(dāng)液態(tài)金金屬處于于過(guò)冷狀狀態(tài)時(shí)

50、，其其內(nèi)部某某些區(qū)域域會(huì)首先先結(jié)晶，這這樣放出出的結(jié)晶晶潛熱使使固液界界面溫度度升高，因因此固液液界面前前沿的溫溫度隨距距離x的增加加而降低低，即T隨x而。2) 純純金屬晶晶體的生生長(zhǎng)形態(tài)態(tài)純金屬的的固液界界面從微微觀角度度說(shuō)是粗粗糙界面面，它的的生長(zhǎng)形形態(tài)主要要受界面面前沿的的溫度梯梯度影響響。(1) 在正溫溫度梯度度時(shí)按平平面狀生生長(zhǎng) 見(jiàn)圖11.333(a)，由前前面的介介紹我們們知道粗粗糙界面面的生長(zhǎng)長(zhǎng)機(jī)制為為連續(xù)垂垂直生長(zhǎng)長(zhǎng)，在正正溫度梯梯度時(shí)，界界面上的的凸起部部分若想想較快的的朝前生生長(zhǎng)，就就會(huì)進(jìn)入入T較小小的區(qū)域域，使其其生長(zhǎng)速速度減慢慢，因此此始終維維持界面面為平面面狀。 (2

51、) 在負(fù)負(fù)溫度梯梯度時(shí)按按樹(shù)枝晶晶生長(zhǎng)見(jiàn)圖1.33、1.334，由由于在負(fù)負(fù)溫度梯梯度時(shí)，固固液界面面前沿隨隨xT，因此此界面上上的凸起起部分能能接解到到T更大大的區(qū)域域而超前前生長(zhǎng)，長(zhǎng)長(zhǎng)成一次次晶軸，在在一次晶晶軸側(cè)面面也會(huì)形形成負(fù)溫溫度梯度度，而長(zhǎng)長(zhǎng)出二次次晶軸；二次晶晶軸上又又會(huì)生長(zhǎng)長(zhǎng)三次晶晶軸。就就相先長(zhǎng)長(zhǎng)出樹(shù)桿桿再長(zhǎng)出出分枝一一樣，故故稱為枝枝晶生長(zhǎng)長(zhǎng)。對(duì)于立方方晶系各各次晶軸軸間成垂垂直關(guān)系系（沿1004K/S）技技術(shù)的發(fā)發(fā)展，人人們已能能得到尺尺寸為00.11.00數(shù)量的的超細(xì)晶晶粒金屬屬材料，其其性能不不僅強(qiáng)度度、韌性性高，而而且具有有超塑性性，優(yōu)異異的耐蝕蝕性，抗抗晶粒長(zhǎng)長(zhǎng)大

52、性、抗幅照照性等。成為具具有高性性能的新新型金屬屬材料。4. 孕孕育（變變質(zhì)）處處理對(duì)于厚壁壁鑄件，用用激冷的的方法難難以使其其內(nèi)部晶晶粒細(xì)化化，并且且冷速過(guò)過(guò)快易使使鑄件變變形開(kāi)裂裂，但在在液態(tài)金金屬澆注注前向其其中加入入少量孕孕育劑或或變質(zhì)劑劑，可起起到異質(zhì)形形核率或或阻礙晶晶粒長(zhǎng)大大作用，從從而使大大型鑄件件從外到到里均能能得到細(xì)細(xì)小的晶晶粒，但但對(duì)不同同的材料料加入的的孕育劑劑或變質(zhì)質(zhì)劑不同同，如碳碳鋼加釩釩、鈦（形形成TiiN、TTiC、VN、VC促促進(jìn)異質(zhì)質(zhì)形核）；鑄鐵加加硅鐵硅硅鈣（促促進(jìn)石墨墨細(xì)化）；鋁硅合合金加鈉鈉鹽（阻阻礙晶粒粒長(zhǎng)大）。第二章 二元元合金的的相結(jié)構(gòu)構(gòu)與相圖圖

53、由于純金金屬的機(jī)機(jī)械性能能比較低低，很難難滿足機(jī)機(jī)械制造造業(yè)對(duì)材材料性能能的要求求，尤其其是一些些特殊性性能如高高強(qiáng)度、耐熱、耐蝕、導(dǎo)磁、低膨脹脹等的要要求，加加上它冶冶煉困難難，價(jià)格格昂貴，所所以在工工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)中廣泛泛使用的的金屬材材料主要要是合金金。合金的性性能比純純金屬的的優(yōu)異，主主要是因因?yàn)楹辖鸾鸬慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)與組織織與純金金屬不同同，而合合金的組組織是合合金結(jié)晶晶后得到到的，合合金相圖圖就是反反映合金金結(jié)晶過(guò)過(guò)程的重重要資料料，也是是制訂各各種熱加加工工藝藝的重要要理論依依據(jù)，所所以本章章著重介介紹合金金的結(jié)構(gòu)構(gòu)與相圖圖。2.11 合合金的相相結(jié)構(gòu)相 指具具有相同同結(jié)構(gòu)，相相同成分分和性能

54、能（也可可以是連連續(xù)變化化的）并以界面面相互分分開(kāi)的均均勻組成成部分，如如液相、固相是是兩個(gè)不不同的相相，合金金在室溫溫時(shí)只有有一個(gè)相相組成的的合金稱稱為單相相合金，由由兩個(gè)相相組成的的合金稱稱為兩相相合金。由多個(gè)個(gè)相組成成的合金金稱為多多相合金金。組織 指指用肉眼眼或顯微微鏡觀察察到的材材料內(nèi)部部形貌圖圖像，一一般用肉肉眼觀察察到的稱稱為宏觀觀組織，用用顯微鏡鏡放大后后觀察到到的組織織稱為微微觀組織織。材料的組組織是由由相組成成的，當(dāng)當(dāng)組成相相的數(shù)量量、大小小、形態(tài)態(tài)和分布布不同時(shí)時(shí)，其組組織也就就不同。從而導(dǎo)導(dǎo)致其性性能不同同，因此此可以通通過(guò)改變變合金的的組織來(lái)來(lái)改變合合金的性性能。合金

55、系 由給定定的若干干組元按按不同的的比例配配制成的的一系列列不同成成分的合合金，為為一個(gè)合合金系統(tǒng)統(tǒng)，簡(jiǎn)稱稱為合金金系。如如由A、B兩個(gè)個(gè)組元配配制成的的稱為AA-B二二元系，同同樣由三三個(gè)組元元或多個(gè)個(gè)組元配配制成的的稱為三三元系合合金或多多元系合合金，本本章主要要介紹二二元系合合金的有有關(guān)知識(shí)識(shí)。由于組成成合金的的各組元元的結(jié)構(gòu)構(gòu)和性質(zhì)質(zhì)不同，因因此它們們?cè)诮M成成合金時(shí)時(shí)，它們們之間的的相互作作用也就就不同，所所以它們們之間可可以形成成許多不不同的相相。但按按這些相相的結(jié)構(gòu)構(gòu)特點(diǎn)，可可以將它它們分為為兩大類(lèi)類(lèi)：即固固溶體和和金屬間間化合物物。固溶體的的主要特特點(diǎn)是：其晶體體結(jié)構(gòu)與與溶劑組組

56、元的相相同；而而金屬間間化合物物的主要要特點(diǎn)是是其晶體體結(jié)構(gòu)與與兩組元元的結(jié)構(gòu)構(gòu)均不相相同，而而是一種種新的晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)。一. 固固溶體1. 固固溶體由兩種或或兩種以以上組元元在固態(tài)態(tài)下相互互溶解，而而形成得得具有溶溶劑晶格格結(jié)構(gòu)的的單一的的、均勻勻的物質(zhì)質(zhì)。1) 溶溶劑：固固溶體中中含量較較多的并并保留原原有晶格格結(jié)構(gòu)的的組元稱稱為溶劑劑。3) 溶溶質(zhì)：固固溶體中中含量較較少的并并失去原原有晶格格結(jié)構(gòu)的的組元稱稱為溶質(zhì)質(zhì)。2. 固固溶體的的分類(lèi) 固溶體體的分類(lèi)類(lèi)方法很很多，下下面簡(jiǎn)單單介紹幾幾種：1) 按按溶質(zhì)原原子占據(jù)據(jù)的位置置不同分分：(1) 置換固固溶體：溶質(zhì)原原子占據(jù)據(jù)溶劑晶晶格中某

57、某些結(jié)點(diǎn)點(diǎn)位置而而形成的的固溶體體。見(jiàn)PP20頁(yè)頁(yè)圖2.1（為為平面圖圖是某一一晶面上上的情況況），它它主要在在金屬元元素之間間形成。(2) 間隙固固溶體：是溶質(zhì)質(zhì)原子占占據(jù)溶劑劑晶格間間隙而形形成的固固溶體，見(jiàn)見(jiàn)圖2.2，它它主是由由原子半半徑很小?。?0.1nnm）的的非金屬屬元素氫氫、氧、氮、碳碳、硼與與金屬元元素之間間形成。2) 按按溶質(zhì)原原子的溶溶解度分分(1) 有限固固溶體有限固溶溶體是溶溶質(zhì)原子子在溶劑劑晶格中中的溶解解量具有有一定的的限度，超超過(guò)該限限度，它它們將形形成其它它相。如如間隙固固溶體只只能是有有限固溶溶體，因因?yàn)榫Ц窀耖g隙是是有限的的。如碳碳在面心心立方的的中的最大

58、大固溶度度為2.11%（質(zhì)量量），而而在體心心立方中中最大只只能溶解解0.002188%，但但體心立立方晶格格的致密密度比面面心立方方的低，理理應(yīng)具有有較高的的溶解度度，上例例說(shuō)明間間隙固溶溶體的溶溶解度，與與溶劑的的晶格類(lèi)類(lèi)型有關(guān)關(guān)，不同同的晶格格類(lèi)型其其間隙的的大小和和類(lèi)型也也不相同同，另外外一般發(fā)發(fā)現(xiàn)隨溫溫度的升升高，固固溶體的的溶解度度增大，隨隨溫度的的降低固固溶體的的溶解度度減小。這樣在在高溫時(shí)時(shí)具有較較大溶解解度的固固溶體到到低溫時(shí)時(shí)會(huì)從中中析出新新相（多多余的溶溶質(zhì)與部部分溶劑劑所形成成）。(2) 無(wú)限固固溶體溶質(zhì)能以以任意比比例溶入入溶劑所所形成的的固溶體體，其溶溶解度可可達(dá)1

59、000%，見(jiàn)見(jiàn)圖2.3，即即兩組元元可連續(xù)續(xù)無(wú)限置置換。 但并不不是所有有的置換換固溶體體都能形形成無(wú)限限固溶體體，只有有當(dāng)兩組組元具有有相同的的晶格類(lèi)類(lèi)型，并并且原子子尺寸相相差不大大，負(fù)電電性相近近（在元元素周期期表中比比較靠近近）時(shí)，才才可能形形成無(wú)限限固溶體體。即使使形成有有限固溶溶體，它它們之間間的溶解解度也較較大。3) 按按溶質(zhì)原原子在晶晶格中的的分布狀狀態(tài)分(1) 無(wú)序固固溶體：溶質(zhì)原原子占據(jù)據(jù)溶劑晶晶格結(jié)點(diǎn)點(diǎn)的位置置是隨機(jī)機(jī)的，任任意的和和不固定定的。加熱緩冷(2) 有序固固溶體：溶質(zhì)原原子只占占據(jù)溶劑劑晶格結(jié)結(jié)點(diǎn)的某某幾個(gè)固固定位置置，這樣樣的固溶溶體也稱稱為超結(jié)結(jié)構(gòu)或超超點(diǎn)

60、陣。(3) 有序化化轉(zhuǎn)變：有序固固溶體 無(wú)序序固溶體體，在一一恒溫下下轉(zhuǎn)變，該該臨界溫溫度稱為為有序化化轉(zhuǎn)變溫溫度。一般當(dāng)溶溶質(zhì)與溶溶劑原子子數(shù)成一一定比例例時(shí)，形形成的固固溶體在在緩慢冷冷卻時(shí)，易易發(fā)生有有序化轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變。如如銅金合合金，當(dāng)當(dāng)原子比比為1:1500%Cuu，500%Auu，在3385）或33:1（775%CCu，225%AAu，在在3900）時(shí)在在緩冷到到一定溫溫度時(shí)由由無(wú)序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為有有序。固溶體由由無(wú)序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏行?，將將使合金金的性能能發(fā)生明明顯的變變化，如如硬度，脆性性，塑性性，電阻阻等。3. 固固溶體的的性能1) 機(jī)機(jī)械性能能：產(chǎn)生生固溶強(qiáng)強(qiáng)化固溶強(qiáng)化化：隨溶溶質(zhì)原子子濃