金属的晶体结构与结晶原理详解
金属的晶体结构与结晶原理详解
金属的晶体结构是材料科学中的一个重要概念，它涉及到金属原子在固态下的排列方式及其对材料性能的影响。本文将从晶体结构的基本概念出发，详细介绍金属的晶体结构类型、实际晶体结构、合金的晶体结构以及纯金属及合金的结晶过程。
文档简介
机械制造基础第3章金属的晶体结构与结晶
3.1金属的晶体结构
3.2纯金属及合金的结晶
3.3铁碳合金相图
3.1金属的晶体结构
一、晶体结构的基本概念
固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体和非晶体两类。
- 晶体：原子呈规则排列的物体成为晶体。如：金刚石、石墨、固态金属、合金。有固定的熔点
- 非晶体：原子呈不规则排列的物体成为非晶体。如：玻璃、松香、沥青、石蜡等。没有固定的熔点
晶格晶胞晶格常数晶格晶胞晶格常数体心立方面心立方密排六方
二、常见的金属晶格类型
金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属键有很轻的结合力，所以金属原子趋向于紧密排列。
图3.3面心立方晶胞图3.4密排六方晶胞3.2体心立方晶胞
4、晶格的致密度原子排列致密度排列：面心立方晶格、密排六方晶格、体心立方晶格。
当金属的晶格类型发生转变时，会引起金属体积的变化。若体积的变化收到约束，则会在金属的内部产生内应力，而引起工件的变形或开裂。
2、实际金属中存在着大量的晶体缺陷（晶格的不完整部位），阻碍晶体内部之间的运动。晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷。
三、金属的实际晶体结构
1、多晶体结构晶粒越细小，晶粒之间的交界面（晶界）面积越大，阻碍的作用就越强。多晶体示意图
（1）点缺陷
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的是：晶格空位和间隙原子
线缺陷的形式为各种形式的位错，金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
线缺陷
（2）线缺陷
线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是的中类型的错位
面缺陷的形式为晶界与亚晶界，它们使晶格外于畸变状态，在常温下对多属塑性变形起阻碍作用。
面缺陷
（3）面缺陷
面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷。
固态合金中的相分为：固溶体和金属化合物两类。两相合金
四、合金的晶体结构
1、合金的概念：（略）可以全部是金属，也可以是金属与非金属元素
2、相的概念：合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。
合金中相与相有明显的界面
3、相结构分类：
- 间隙固溶体随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。
- 1、固溶体固溶体的定义溶剂（含量多）、溶质（含量少）
- 1）分类：间隙固溶体和置换固溶体
- （1）间隙固溶体置换固溶体
2）固溶体的性能与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。
（2）置换固溶体实践表明：适当地掌握固溶体中溶质的含量，可以显著提高金属材料的强度、硬度。也可以保持相当好的塑性和韧性。
当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。铁碳合金中的Fe3C
2、金属化合物定义：凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物。金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。
固溶体与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。
3.2纯金属及合金的结晶
一、纯金属的结晶
1、金属结晶的条件
冷却曲线
理论结晶温度（To）实际结晶温度（T1）过冷度（ΔT）=T0-T1
图3.10纯金属的冷却曲线纯金属在理论结晶温度T0下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。
过冷度大小与冷却速度有关。冷速越大，过冷度越大。过冷度是金属结晶的必要条件。
图3.10纯金属的冷却曲线在T0以下,经一段时间（即孕育期）到T1,一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
形核后晶核向各方向生长，同时又有新的晶核产生。
最终液体全部消失，每个晶核长成晶粒
2、金属的结晶过程
金属结晶的过程是：不断形成晶核和晶核不断长大的过程。金属的树枝晶金属的树枝晶物质在固态下晶体结构随温度变化的现象。同素异构转变8.12纯铁的同素异构转变1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe4、金属的同素异构转变
大多数金属在结晶完成后，其晶格不再发生变化。但也有少数金属，如：铁、钴、钛等，在结晶后继续冷却时，还会发生晶体结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格，这种转变称为同素异构转变。
重结晶物质在固态下晶体结构随温度变化的现象。纯铁的同素异构转变在某些特定部位形核；固态下扩散困难，过冷倾向大；随着体积的变化，内应力大很。
L
L+Cu-Ni合金相图
液态合金的温度冷却到液相线1点的时候，开始结晶产生固溶体。1144
二、合金的结晶
1、二元相图的建立
随温度从1点下降到4点，固溶体不断增加，剩余液相不断减少。
温度降到4点以下时，结晶结束，液相全部成为固溶体。L
L+二、合金属的结晶Cu-Ni合金相图1144
2、二元匀晶相图
1）相图分析液相线、固相线把相图分为三个区域液相区、固液共存区、固相区
2）合金结晶过程分析
二、合金属的结晶
3、二元共晶相图
Lα+β
二、合金属的结晶
4、二元共析相图
Lα
α
β1+β2
练一练——说错了没有？
1）凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（）
2）室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。 （）
3）在高温状态下进行的变形加工称为热加工。
（）
4）在合金相图中，纵坐标为温度，横坐标为质量分数。 （）
5）金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。
（）
6）同素异构转变过程不遵循晶核形成和晶核长大的规律。
（）
×××√√×
练一练——这次该选谁？
1）金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将（）
a.越高 b.越低c.越接近理论结晶温度
2）下列不是铁的同素异构转变产物的是（）。
a.α-Fe b.γ-Fe c.β-Fe d.δ-Fe
3）面心立方晶格中，每个晶胞内完全拥有（）个原子。
a.2 b.4 c.6 d.8
bCb
练一练——还缺点什么？
1）金属晶格的常见类型有
晶格、
晶格、
晶格，α-Fe的晶格是
。
2）结晶过程就是晶核的
与
的过程。
3）纯铁在固态下有α-Fe、
、
三种同素异构体。
4）固态物质按照原子在空间的排列方式，分为非晶体和
。
体心立方形成晶体γ
-Feδ-Fe面心立方密排六方体心立方长大
练一练——还缺点什么？
5）晶体与非晶体结构上的最根本的区别是，晶体内原子排列是：。
6）7）实际金属晶体中存在：
三种缺陷，引起晶格
。
7）位错属于
缺陷。
8）结晶的条件是
。
呈规律点缺陷、线缺陷、面缺陷畸变线过冷度
练一练——还缺点什么？
9）溶质溶入使固
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