金屬工藝學第三章1第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四第三章金屬的晶體結構與結晶第一節純金屬的晶體結構一、晶體結構的基本概念1.晶體與非晶體概念：原子按一定幾何形狀作有規律的重復排列的固體物質——稱晶體；非晶體則反之。特點：晶體——①有熔點；②具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。

非晶體——①無熔點；②各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。2第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四二、晶格與晶胞晶格：表示晶體中原子排列形成的空間格子。晶胞：組成晶格最基本的幾何單元。ab晶胞示意圖原子3.晶格常數——a,b,ca=b=c且互垂直表示晶胞幾何形狀大小晶體中的原子排列晶面結點形成的原因：各原子之間相互吸引力與排斥力相平衡結果。c3第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

⑵形狀——正方體⑶原子位置——8個頂點和立方體的中心各一個原子。⑷晶胞實有原子數2個原子(8×1/8+1)

。

（5）具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、Cr、W、Mo、V等1.體心立方晶格

⑴原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。

三、常見的晶格類型4第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2.面心立方晶格

⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。

⑵形狀——立方體⑶原子位置——8個頂點和六個面的中心各一個原子。⑷晶胞實有原子數4個原子(8×1/8+6×1/2)。

（5）具有面心立方晶格的金屬γ-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等。

5第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四3.密排六方晶格

⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。

⑵形狀——六方柱體⑶原子位置——兩個底面、12個頂點和柱體內部3個原子。⑷晶胞實有原子數6個原子(12×1/6+2×1/2+3)

。

（5）具有密排六方晶格的金屬Mg、Zn等。

6第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四四、實際金屬的晶體結構（一）、多晶體結構晶粒晶界多晶體示意圖由多個單晶粒組成的晶體為多晶體晶粒、晶界◆

顯微組織：在顯微鏡下觀察到其形態、大小、分布不同的組成物。（二）、晶格缺陷1、點缺陷：在長、寬、高方向尺寸都有很小變化的一種晶體缺陷。間隙原子晶格空位7第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2、線缺陷：在晶格中呈線狀分布的缺陷。3、面缺陷：呈面狀分布的缺陷。線缺陷面缺陷8第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四第二節純金屬的結晶一、結晶的概念1、結晶由液態轉變為固體晶體的過程。或者描述為：原子由不規則排列到有規則排列過程。或者描述為：晶體結構形成的過程。如水——冰2、冷卻曲線與過冷現象ΔT℃T0T1時間O冷卻曲線★平臺：結晶過程時間。是結晶時放出的熱（潛熱）造成的。★T0——理論結晶溫度T1—實際結晶溫度T0—T1=

ΔT過冷度過冷是結晶的必要條件！9第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四結論：冷卻速度↗——△T↗——實際結晶溫度↗二、純金屬的結晶過程過程：不斷形核和晶核不斷長大的過程。三、晶粒大小對金屬力學性能的影響1、晶粒越細小，力學性能越高。10第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2、細化晶粒方法：（1）提高冷卻速度，增加△T。（2）孕育處理（變質處理）。（3）附加振動或攪拌。11第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四四、金屬的同素異構轉變鐵絲加熱實驗示意圖鐵絲標尺支架現象：加熱時鐵絲伸長，到912℃開始收縮。若冷卻時從1000℃到912℃出現伸長現象。◆概念：金屬在固態下隨溫度發生變化，其晶格類型發生轉變的現象-——同素異構轉變。◆冷卻曲線：用冷卻曲線表示出此現象。實質是：原子排列不同，結構不同，金屬體積發生改變12第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四冷卻曲線：溫度℃時間—liquid結晶過程δ—Fe

體心立方晶格γ—Fe

面心立方晶格α—Fe體心立方晶格轉變式：δ—Fe

→

γ—Fe→α—Fe1394℃體心面心體心912℃1538℃13第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四第三節合金的晶體結構

組織:是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態。

合金：一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結合而成的具有金屬特性的物質。

相:是指合金中具有同一化學成分、同一結構和原子聚集狀態，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。組元:組成合金的最基本獨立單元。14第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四純金屬合金結晶過程：液固兩相共存結晶過程：液固兩相共存

熔點以上：液相熔點以上：液相結晶完畢：單一固相

結晶完畢：組元發生相互作用化合物組元彼此均勻溶解固溶體固態合金中的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。15第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四一、固溶體（一）定義：合金在固態下，組元間能互相溶解而形成的均勻相。根據溶質原子在溶劑晶格種所處位置不同分（二）分類：2.間隙固溶體1.置換固溶體16第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四1.置換固溶體

溶質原子置換了部分溶劑晶格結點上某些原子而形成的固溶體。

形成置換固溶體時，溶質原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。17第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2.間隙固溶體溶質原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。

形成條件：溶質原子直徑很小而溶劑晶格間隙較大,一般

d溶質/d溶劑≤0.59時，才能形成間隙固溶體。18第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四二、金屬化合物（一）定義

合金組元間發生相互作用而形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新相即為金屬間化合物，或稱中間相。（二）性能

熔點高，硬度高，脆性大。合金中一般作為強化相存在。固溶強化：溶質原子溶入溶劑晶格中導致固溶體的晶格畸變而使金屬強度、硬度提高——即固溶強化，同時有較好的塑性和韌性。3、固溶體的性能19第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四第四節二元合金相圖合金相圖：又稱為合金平衡圖或合金狀態圖。它表示在平衡狀態下，合金的組成相（或組織狀態）和溫度、成分之間關系的圖。二元合金相圖的建立：二元合金相圖的建立（以銅鎳合金為例）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金2、用熱分析法測出各成分的合金冷卻曲線。3、曲線特點：20第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四（1）A、B兩點是純銅、純鎳都有一個平臺，結晶在恒溫下進行（一個臨界點）（2）中間的四條曲線都有兩個轉折點結晶是在一個溫度區間進行（兩個臨界點）。（3）將各臨界點描繪在溫度－成分坐標系中得到圖（b）。21第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四二、勻晶相圖兩組元在液態和固態均能無限互溶時，所構成的相圖稱為二元勻晶相圖。1、相圖分析液相線之上為液相區，用L表示液相線與固相線之間是液、固兩相，用L+α

固相線下方為固相區，用α表示A點為銅的熔點B點為鎳的熔點22第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四以圖中K點成分合金為例分析合金從高溫液態緩慢冷卻到1點溫度時，開始從液相中結晶出α固溶體；隨著溫度的下降，α相增多，而L相減少；至2點時，結晶過程結束，L相全部轉變為α相2、合金結晶過程分析23第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四三、共晶相圖：二元共晶相圖：兩組元在液態時無限互溶，固態時有限互溶，并發生共晶反應所構成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶反應：是指冷卻時由液相同時結晶出兩個固相的復合混合物的反應。共晶體：共晶反應的產物是共晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織是共晶組織。24第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四25第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四1、相圖分析（1）共晶點C點－－α相＋β相（2）共晶線ECF線－－LC→αE+ΒF(3)固溶體脫溶線

α固溶體或β固溶體隨著溫度的下降，溶解度也不斷的下降。圖中ES線表達了α固溶體脫溶的變化規律，FG線表達了β固溶體的變化規律。ES、FG線稱為固溶體脫溶線。

α固溶體脫溶產物是β相，稱為二次β相（β1）

β固溶體脫溶產物是α相，稱為二次α相（α1）恒溫26第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2、結晶過程分析：（1）共晶成分的合金C點成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷卻過程中經過C點時發生共晶反應，生成共晶體。LC→αE+ΒF(2)亞共晶成分的合金E、C點之間成分的合金，稱為亞共晶合金。如圖合金Ⅱ，在冷卻過程中經過1點時結晶出α1相；經過2點時，剩余液相發生共晶反應生成共晶體；繼續冷卻α1相還會脫溶出βⅡ相。C室溫組織為α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下恒溫27第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四(3)過共晶成分的合金C、F點之間成分的合金，稱為過共晶合金。如圖合金Ⅲ，在冷卻過程中經過1點時結晶出β1相；經過2點，剩余液相發生共晶反應生成共晶體；在繼續冷卻β1相脫溶出αⅡ相，最終組織為β1＋αⅡ＋(α+β)。L→L+β1→β1＋(α+β)→β1＋αⅡ＋(α+β)（4）無共晶反應的合金E點左側和F點右側的合金在冷卻過程中不會發生共晶反應。如圖合金Ⅳ冷卻至1點時結晶出α1相,經過2點時全部轉變為α1相,經過3點時,開始脫溶出βⅡ相,即

L→L+α1→α1→α1＋βⅡ

同理，F點右側的合金在冷卻過程中也會有β1相和αⅡ相生成。最終組織為

β1＋αⅡ

。123122以下28第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四四、具有共析反應的相圖自某種均勻一致的固相中同時析出兩種化學成分和晶格結構完全不同的新固相