機(jī)械專業(yè)工程材料學(xué)1

1、 1/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy工程材料學(xué)工程材料學(xué)主講人：李濤主講人：李濤 2/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy緒論緒論1、工程材料及其發(fā)展概況：、工程材料及其發(fā)展概況：工程材料工程材料：與工程有關(guān)的材料，包括：金屬材料、：與工程有關(guān)的材料，包括：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類。高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類。發(fā)展史：發(fā)展史：2、學(xué)習(xí)內(nèi)容：、學(xué)習(xí)內(nèi)容：本書中將介紹：金屬學(xué)、熱處理原理與工藝、金本書中將介紹：金屬學(xué)、熱處理原理與工藝、金屬材料三部分

2、的內(nèi)容；屬材料三部分的內(nèi)容；金屬學(xué)金屬學(xué)：介紹：介紹晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、二元合金二元合金相圖相圖、鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖、金屬的塑性變金屬的塑性變形和再結(jié)晶形和再結(jié)晶。 3/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy熱處理原理與工藝：熱處理原理與工藝：熱處理：將金屬在固態(tài)下加熱到預(yù)定溫度、熱處理：將金屬在固態(tài)下加熱到預(yù)定溫度、并在該溫度下保溫一段時(shí)間，然后以一定的并在該溫度下保溫一段時(shí)間，然后以一定的速度冷卻下來的熱加工工藝。速度冷卻下來的熱加工工藝。本書中將介紹有關(guān)熱處理原理與工藝的一些本書中將介紹有關(guān)熱處理原理與工藝的一些知識(shí)（

3、知識(shí)（鋼的熱處理鋼的熱處理）。）。金屬材料：金屬材料：研究合金鋼的成分、組織、性能、研究合金鋼的成分、組織、性能、特點(diǎn)等（特點(diǎn)等（合金鋼合金鋼）。）。 4/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgyn學(xué)習(xí)重點(diǎn)：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：n一個(gè)中心：一個(gè)中心：金屬及合金的成分、組織結(jié)構(gòu)間的變化規(guī)律；n二個(gè)圖形二個(gè)圖形：相圖、曲線 ；n五大轉(zhuǎn)變：五大轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、奧氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、回火轉(zhuǎn)變；n四把大火：四把大火：正火、退火、淬火、回火；n八大鋼種：八大鋼種：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、軸承鋼、刃具鋼、模具鋼、量具鋼、特殊性能鋼。 5/ imust李濤李濤

4、School of Materials & Metallurgy3、學(xué)習(xí)方法：、學(xué)習(xí)方法： 課堂上的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)堂消化課堂上的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)堂消化溫故而知新溫故而知新4、學(xué)習(xí)特點(diǎn)：、學(xué)習(xí)特點(diǎn)：概念性強(qiáng)；概念性強(qiáng)；連貫性強(qiáng)；連貫性強(qiáng)；實(shí)踐性強(qiáng)；實(shí)踐性強(qiáng)；抽象性強(qiáng)；抽象性強(qiáng)；參考書：參考書：金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理 史美堂主編、史美堂主編、 工程材工程材料學(xué)料學(xué) 燕來生主編、金屬學(xué)與熱處理燕來生主編、金屬學(xué)與熱處理 崔忠圻主編崔忠圻主編教材：教材：工程材料工程材料陳積偉陳積偉 機(jī)械工業(yè)出版社；機(jī)械工業(yè)出版社； 6/ imust李濤李濤School of Materials & Met

5、allurgy第一章第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶n第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n1、晶體的概念：、晶體的概念：n1.1晶體：內(nèi)部的原子呈一定規(guī)律重復(fù)排列著的固態(tài)物晶體：內(nèi)部的原子呈一定規(guī)律重復(fù)排列著的固態(tài)物質(zhì)。書質(zhì)。書P2圖圖1-1；例如：鉆石、冰等。；例如：鉆石、冰等。1.2晶體的特性晶體的特性：有一定的熔點(diǎn)；各向異性：有一定的熔點(diǎn)；各向異性晶體晶體非晶體非晶體時(shí)間時(shí)間溫溫度度晶體和非晶體的晶體和非晶體的熔化曲線熔化曲線非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃蜂蠟、玻璃 等。等。液體液體晶體晶體金剛石、金剛石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。 7/ imust李濤李濤

6、School of Materials & Metallurgy 1.3空間點(diǎn)陣：用以表示晶體中原子（離子或分子）排空間點(diǎn)陣：用以表示晶體中原子（離子或分子）排列形式的空間格子，也叫晶格。（在這里將晶體的實(shí)際列形式的空間格子，也叫晶格。（在這里將晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)忽略而抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)，用質(zhì)點(diǎn)忽略而抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)，用許多平行的直線將這些陣點(diǎn)連接所構(gòu)成的三維空間格架）許多平行的直線將這些陣點(diǎn)連接所構(gòu)成的三維空間格架） 8/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy1.4晶胞：從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映原

7、子晶胞：從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映原子排列規(guī)律的最小幾何單元。排列規(guī)律的最小幾何單元。晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c ，單位為埃單位為埃（）；）；以及軸間夾角以及軸間夾角、。例如：例如：a=b=c，而而=90就是簡(jiǎn)單立方就是簡(jiǎn)單立方晶胞。晶胞。 9/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy晶胞晶胞XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c 10/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy2 2 、金屬的特性、金屬的特性2.1 2.1 外觀外觀 特征：金屬光澤和不透明性

8、特征：金屬光澤和不透明性2 2.2 .2 正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)2.3 2.3 良好的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性良好的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性 11/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy3、金屬晶體中常見的三種晶格類型：、金屬晶體中常見的三種晶格類型： 3.1 3.1 體心立方晶胞（體心立方晶胞（Body Centered Cubic) Body Centered Cubic) （簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱bccbcc）書書P4P4圖圖1-31-3 3.1.1 3.1.1 原子分布：原子分布：8 8個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子

9、，在體心處還有一個(gè)原子。在體心處還有一個(gè)原子。 3.1.2 3.1.2 原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)： 28181 12/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy3.1.3 原子半徑：原子半徑r= a。 3.1.4 致密度與配位數(shù)： 致密度：晶胞中所含的原子所占的體積與該晶胞的體積之比，用K表示。 k=n Va /Vc43 bcc的k=0.68 （n=2;v=4/3r3;V=a3 配位數(shù)：晶格中與任一原子最近鄰、且等距的原子數(shù)目，用N表示。而bcc的N=8。3.1.5晶格常數(shù)： a=b=c； = = =90 13/ imust李濤李濤School of

10、 Materials & Metallurgy3.2 、面心立方晶胞（面心立方晶胞（Face Centered Cubic）（英文簡(jiǎn)稱英文簡(jiǎn)稱fcc）3.2.1 原子分布原子分布：8個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，立方體的每個(gè)個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，立方體的每個(gè)面的中心還各有一個(gè)原子。面的中心還各有一個(gè)原子。書書P6圖圖1-43.2.2 原子個(gè)數(shù)原子個(gè)數(shù)：3.2.3 晶格常數(shù)晶格常數(shù)：a=b=c； =903.2.4 原子半徑原子半徑：在每個(gè)面的對(duì)角線上原子是緊密接觸：在每個(gè)面的對(duì)角線上原子是緊密接觸的，的，r= a3.2.5 致密度與配位數(shù)致密度與配位數(shù)：K=0.74 ；N=12。 424621881

11、 14/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy3.3.1 原子分布：六方體的原子分布：六方體的12個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，上下個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，上下底面的面中心各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有底面的面中心各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有3個(gè)原子。個(gè)原子。3.3.2 原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)： 6322112613.3 密排六方晶胞（密排六方晶胞（hcp） 書書P7圖圖1-53.3.3 晶格常數(shù)：底邊棱長(zhǎng)晶格常數(shù)：底邊棱長(zhǎng)a；兩底面間的高度兩底面間的高度c。3.3.4 原子半徑與致密度與配位數(shù)：原子半徑與致密度與配位數(shù)：r=a/2 ，K=0.74，N=12。 15/

12、 imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy晶格類型原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度bcc280.68fcc4120.74hcp6120.74a43a42a21表表11三種典型金屬晶格的數(shù)據(jù)三種典型金屬晶格的數(shù)據(jù)三種典型金屬晶格的各種數(shù)據(jù)見書三種典型金屬晶格的各種數(shù)據(jù)見書 P7表表1-1 16/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 4、晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：、晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：4.1 定義：定義：晶向：在晶體的晶格中晶向：在晶體的晶格中穿過兩個(gè)以上原子中心穿過兩個(gè)以上原子中心的方向的方向（直）線（

13、直）線。晶面：在晶體的晶格中晶面：在晶體的晶格中通過原子中心通過原子中心所構(gòu)成所構(gòu)成的平面的平面。晶面、晶向指數(shù)：表示各種晶面和晶向位向的統(tǒng)一符晶面、晶向指數(shù)：表示各種晶面和晶向位向的統(tǒng)一符號(hào)，以表示它們?cè)诰w中的方位和方向。號(hào)，以表示它們?cè)诰w中的方位和方向。 17/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy確定步驟如下： 設(shè)坐標(biāo)軸 ：以晶胞的三條棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)應(yīng)在待定晶面之外。 求截距：以晶格常數(shù)a、b、c為度量單位，求出晶面在各軸上的截距。 求倒數(shù)：將各截距值求倒數(shù)。 化整數(shù)： 將前面的三個(gè)倒數(shù)化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)，并放

14、在圓括號(hào)內(nèi)。一般表示為（hkl），如果截距為負(fù)值，則在相應(yīng)的指數(shù)上加負(fù)號(hào)，例如（kl）。4.2 4.2 晶面指數(shù)晶面指數(shù) 18/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 19/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy注意：注意：1、這里所謂的晶面指數(shù)并非僅指一個(gè)晶格、這里所謂的晶面指數(shù)并非僅指一個(gè)晶格中的某一個(gè)晶面，而是泛指該晶格中所有那些與其中的某一個(gè)晶面，而是泛指該晶格中所有那些與其相平行的位向相同的晶面。相平行的位向相同的晶面。 2、在同一晶格中，有些晶面雖然在空間位、在同一晶格中，有

15、些晶面雖然在空間位向上不同，但其原子排列情況完全相同，將這些晶向上不同，但其原子排列情況完全相同，將這些晶面列為同一晶面族，用面列為同一晶面族，用hkl表示，（晶面在空間表示，（晶面在空間位向上不同但其原子排列情況完全相同表現(xiàn)在指數(shù)位向上不同但其原子排列情況完全相同表現(xiàn)在指數(shù)上是數(shù)字不變，而對(duì)這些數(shù)字進(jìn)行排列組合）上是數(shù)字不變，而對(duì)這些數(shù)字進(jìn)行排列組合） 20/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 21/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 4.3 晶向指數(shù)：晶向指數(shù)：用來表示晶向在

16、晶體中的原子排列情況及位向的符號(hào)。確定步驟： 設(shè)坐標(biāo)軸：以晶胞的三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z。 引平行線：過原點(diǎn)引一條有向直線平行于待定晶向求坐標(biāo)值：以晶格常數(shù)為度量單位，在該方向上求出最近原子的坐標(biāo)值?；麛?shù) ：將三個(gè)坐標(biāo)值化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)，放入方括號(hào)內(nèi)，一般用uvw表示。 22/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 23/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgyv注意：注意：所有互相平行，方向一致的晶向具有相同的晶向指數(shù)。當(dāng)晶向指數(shù)某一坐標(biāo)為負(fù)方向時(shí)，則該坐標(biāo)值為負(fù)值，同一直線有相反的

17、兩個(gè)晶向，其晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但符號(hào)相反。晶向族：原子排列相同，但空間位向不同的所有晶向構(gòu)成晶向族，用uvw表示。 特點(diǎn)：立方結(jié)構(gòu)的晶體中，晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但排列順序不同，則具有相同的原子排列在立方結(jié)構(gòu)的晶體中，當(dāng)一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）時(shí)，則hu+kv+lw=0；當(dāng)某一晶向與某一晶面垂直時(shí)，則u=h、v=k、w=l。 24/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 25/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 26/ imust李濤李濤School of Mate

18、rials & Metallurgy 27/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy晶面及晶向的原子密度晶面原子密度=該面積上實(shí)際包含的原子數(shù)/晶面面積晶向原子密度=該長(zhǎng)度上實(shí)際包含的原子數(shù)/晶向長(zhǎng)度體心立方晶體中110 、111面心立方晶體111、 110密排六方晶體 底面 底面對(duì)角線4.4 晶體的各向異性晶體的各向異性由于晶體中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子間距由于晶體中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子間距離不同，導(dǎo)致原子結(jié)合力不同，從而引起性能不同的現(xiàn)象離不同，導(dǎo)致原子結(jié)合力不同，從而引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ 2

19、9/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy4.5金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（金屬的多晶型性）：金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（金屬的多晶型性）：定義：某些金屬（定義：某些金屬（Fe、Mn、Ti、Co等）當(dāng)外部等）當(dāng)外部的條件（溫度、壓強(qiáng)）改變時(shí)，由一種晶體結(jié)構(gòu)的條件（溫度、壓強(qiáng)）改變時(shí)，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象；轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象；例如：例如：Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：有三種同素異構(gòu)晶型，的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：有三種同素異構(gòu)晶型， -Fe、 -Fe、 -Fe：912：-Fe（bcc） -Fe（fcc）；）；1394 ： -Fe（fcc ） -Fe（

20、bcc）；）；如圖如圖212所示所示，不同的晶體結(jié)構(gòu)，致密度不同，不同的晶體結(jié)構(gòu)，致密度不同，因而發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，將伴隨有比容或體積的因而發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，將伴隨有比容或體積的突變；突變； 30/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C 31/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線TFe，b

21、cc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性 32/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 33/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy作業(yè)：作業(yè)：1、解釋下列名詞：晶體，、解釋下列名詞：晶體， 晶胞，致密度，配位數(shù)，晶胞，致密度，配位數(shù)，晶體的各向異性，晶面指數(shù)，晶向指數(shù)晶體的各向異性，晶面指數(shù)，晶向指數(shù)2、常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排、常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排列和晶格常數(shù)有什么特點(diǎn)？列和晶格常數(shù)有什么特點(diǎn)？ -Fe、 -Fe、Al

22、、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各屬何種晶體？各屬何種晶體？3、在立方晶體中，一平面通過、在立方晶體中，一平面通過Y=0.5、Z=3并平并平行于行于X軸，它的晶面指數(shù)是多少？繪圖表示。軸，它的晶面指數(shù)是多少？繪圖表示。4、在面心立方晶格中，哪個(gè)晶面和晶向的原子密、在面心立方晶格中，哪個(gè)晶面和晶向的原子密度最大？度最大？5、在立方晶體結(jié)構(gòu)中，、在立方晶體結(jié)構(gòu)中，AB晶向如圖中所示，求晶向如圖中所示，求AB的晶向指數(shù)？的晶向指數(shù)？ 34/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy1、單晶體與多晶體幾個(gè)名詞：晶粒：在實(shí)際使用的金屬材料中，晶體是由許多細(xì)

23、小的顆粒組成，這些細(xì)小的顆粒，叫做晶粒。 單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體（理想晶體），由一個(gè)晶粒所組成。如單晶Si半導(dǎo)體。 多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體 晶界：晶粒與晶粒之間的界面。第二節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 35/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 36/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy2. 2. 實(shí)際金屬晶體的缺陷實(shí)際金屬晶體的缺陷晶體晶體缺陷類型缺陷類型（1 1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子（2 2）線缺陷：位錯(cuò)）線缺陷：位錯(cuò)（3 3）面缺陷

24、：晶界與亞晶界）面缺陷：晶界與亞晶界實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)律的地方統(tǒng)稱為實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)律的地方統(tǒng)稱為“晶體缺陷晶體缺陷 37/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy2、晶體的缺陷：、晶體的缺陷：2.1 點(diǎn)缺陷：其特征是在三個(gè)方向上的尺寸都很小，常點(diǎn)缺陷：其特征是在三個(gè)方向上的尺寸都很小，常見的有見的有“空位空位”、“間隙原子間隙原子”。 空位：當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因，脫離原來空位：當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因，脫離原來的平衡位置，則在原處出現(xiàn)了一個(gè)空結(jié)點(diǎn)，叫做空位。的平衡位置，則在原處出現(xiàn)了一個(gè)空結(jié)點(diǎn)，叫做空位?？瘴豢瘴?

25、間隙原子間隙原子 間隙原子：處于晶格間隙中的原子，叫做間隙原子。間隙原子：處于晶格間隙中的原子，叫做間隙原子。由于空位和間隙原子的存在，會(huì)使其周圍的晶格發(fā)生畸變。由于空位和間隙原子的存在，會(huì)使其周圍的晶格發(fā)生畸變。 38/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 2.2 線缺陷線缺陷: 位錯(cuò)：在晶格中，發(fā)生一列或幾列原子有位錯(cuò)：在晶格中，發(fā)生一列或幾列原子有規(guī)律的錯(cuò)排的現(xiàn)象。規(guī)律的錯(cuò)排的現(xiàn)象。 類型：刃型位錯(cuò)；螺型位錯(cuò)。類型：刃型位錯(cuò)；螺型位錯(cuò)。 刃型位錯(cuò)：使晶體的右上部分相對(duì)右下部刃型位錯(cuò)：使晶體的右上部分相對(duì)右下部分發(fā)生了局部的滑移，結(jié)果

26、在晶格的上半部分分發(fā)生了局部的滑移，結(jié)果在晶格的上半部分中擠出了一層多余的原子面，猶如用一把鋒利中擠出了一層多余的原子面，猶如用一把鋒利的尖刀將晶體的上半部分切開，沿切口硬插入的尖刀將晶體的上半部分切開，沿切口硬插入額外的半層原子面，將刃口處的原子列額外的半層原子面，將刃口處的原子列EF稱稱為刃型位錯(cuò)。為刃型位錯(cuò)。 39/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy在晶體右上角施加一切應(yīng)力，促使右上部晶體中的原子沿滑移面自左向右移動(dòng)一個(gè)原子間距，由于此時(shí)左上角的原子尚未滑移，于是在晶體內(nèi)部就出現(xiàn)了已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。在邊界附近，原子排列的規(guī)

27、則性遭到了破壞，此邊界線就相當(dāng)于額外半原子面的邊緣。 40/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)： 在立方晶體的右端施加一切應(yīng)力，使右端的上下兩部分沿滑移面ABCD發(fā)生了一個(gè)原子間距的相對(duì)切變，于是就出現(xiàn)了已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界BC，BC就是螺型位錯(cuò)。 41/ imust李濤李濤School of Materials & MetallurgyA 42/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy螺位錯(cuò)螺位錯(cuò) 43/ imust李濤李濤School of Mater

28、ials & Metallurgy 2.3 面缺陷：面缺陷： 晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界實(shí)際上是晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界實(shí)際上是不同不同 位向晶粒之間原子排列無規(guī)律的過渡層。圖位向晶粒之間原子排列無規(guī)律的過渡層。圖 1-1-1111 44/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgyn 亞晶界：在金屬晶體的每一個(gè)晶粒內(nèi)部，亞晶界：在金屬晶體的每一個(gè)晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并不像理想晶體那樣完整，它是其晶格位向也并不像理想晶體那樣完整，它是由許多位向很小的小晶塊組成，這些小晶塊稱由許多位向很小的小晶塊組成，這些小晶塊稱為亞晶

29、粒，亞晶粒之間的界面叫做亞晶界。為亞晶粒，亞晶粒之間的界面叫做亞晶界。亞晶界亞晶界 45/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 46/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 以上我們討論的是晶體缺陷，凡是晶格缺陷以上我們討論的是晶體缺陷，凡是晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸變，因而會(huì)處及其附近，均有明顯的晶格畸變，因而會(huì)引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化學(xué)和機(jī)械性能顯著變化。例如：由于晶界上學(xué)和機(jī)械性能顯著變化。例如：由于晶界上存在著晶格畸

30、變，因而在室溫下對(duì)金屬材料存在著晶格畸變，因而在室溫下對(duì)金屬材料的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為使金屬材料具有更高的強(qiáng)度和硬度使金屬材料具有更高的強(qiáng)度和硬度，顯然，顯然，晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度、硬度就越高。晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度、硬度就越高。 晶體缺陷對(duì)金屬性能的影響 47/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶液體液體晶體晶體結(jié)晶結(jié)晶1、結(jié)晶的概念：結(jié)晶的概念：一切物質(zhì)從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變一切物質(zhì)從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，稱為凝固。如果在這個(gè)過程中能夠形的過程，稱

31、為凝固。如果在這個(gè)過程中能夠形成晶體，則稱之為結(jié)晶成晶體，則稱之為結(jié)晶 1.1結(jié)晶： 液體液體 - - 晶體晶體 凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）冷卻曲線冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度 TT= T0 - Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）1.2 1.2 結(jié)晶的宏觀過程：通過分析此過程有兩個(gè)特點(diǎn)：結(jié)晶的宏觀過程：通過分析此過程有兩個(gè)特點(diǎn)：1.2.1 1.2.1 過冷現(xiàn)象：過冷現(xiàn)象： 49/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy過冷度過冷度：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度：金屬的實(shí)際

32、結(jié)晶溫度T1與理論結(jié)晶溫與理論結(jié)晶溫度度T0之差，稱為過冷度，以之差，稱為過冷度，以T表示。表示。T=T0T1；顯然，顯然， T越大，則越大，則T1越低。越低。1.3 結(jié)晶潛熱：金屬在結(jié)晶時(shí)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶潛熱：金屬在結(jié)晶時(shí)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)會(huì)放出能量，此能量稱為結(jié)晶潛熱。從固態(tài)時(shí)會(huì)放出能量，此能量稱為結(jié)晶潛熱。從圖中可以看出：當(dāng)液態(tài)金屬的溫度達(dá)到結(jié)晶溫圖中可以看出：當(dāng)液態(tài)金屬的溫度達(dá)到結(jié)晶溫度度T1時(shí)，由于結(jié)晶潛熱的釋放，補(bǔ)償了散失到時(shí)，由于結(jié)晶潛熱的釋放，補(bǔ)償了散失到周圍環(huán)境中的熱量，所以在冷卻平曲線上出現(xiàn)周圍環(huán)境中的熱量，所以在冷卻平曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)，平臺(tái)延續(xù)的時(shí)間就是結(jié)晶過程所需的

33、了平臺(tái)，平臺(tái)延續(xù)的時(shí)間就是結(jié)晶過程所需的時(shí)間。時(shí)間。 50/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。 51/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 2、結(jié)晶的熱力學(xué)條件、結(jié)晶的熱力學(xué)條件： 為什么液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度不能為什么液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度不能結(jié)晶，而必須在一定的過冷度條件下才結(jié)晶，而必須在一定的過冷度條件下才能進(jìn)行呢？這是由熱力學(xué)條件所決定的。能進(jìn)行呢？這是由熱力學(xué)條件所決定的。熱力學(xué)第二定律指出：在等溫等壓的條熱力學(xué)第二

34、定律指出：在等溫等壓的條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能高件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能高的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)當(dāng)T=TT=T0 0 （Tm)Tm)時(shí)，時(shí)，G GS S=G=GL L，兩相可以同時(shí)共存，具有同樣兩相可以同時(shí)共存，具有同樣的穩(wěn)定性，既不熔化也不結(jié)晶，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，的穩(wěn)定性，既不熔化也不結(jié)晶，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，所以所以T T0 0 （Tm)Tm)就是理論結(jié)晶溫度，即熔點(diǎn)。就是理論結(jié)晶溫度，即熔點(diǎn)。當(dāng)當(dāng)T TT T0 0 （Tm)Tm)時(shí)，時(shí)，G GS SG GL L，所以液態(tài)金屬可以自發(fā)地轉(zhuǎn)所以液態(tài)金屬可以自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，而兩相的

35、自由能差（變?yōu)楣虘B(tài)金屬，而兩相的自由能差（G G）就構(gòu)成了金就構(gòu)成了金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)當(dāng)T TT T0 0 （Tm)Tm)時(shí)，時(shí)，G GS SG GL L，所以固態(tài)金屬可以自發(fā)的熔所以固態(tài)金屬可以自發(fā)的熔化為液態(tài)?；癁橐簯B(tài)。綜上所述，只有當(dāng)綜上所述，只有當(dāng)T TT T0 0時(shí)，即存在一定的過冷度時(shí)，液時(shí)，即存在一定的過冷度時(shí)，液態(tài)金屬才能結(jié)晶。態(tài)金屬才能結(jié)晶。GL（純金屬的液態(tài)自由能）、純金屬的液態(tài)自由能）、GS（純金屬的固態(tài)自由能）都隨溫度純金屬的固態(tài)自由能）都隨溫度的升高而降低，而液相自由能曲線的升高而降低，而液相自由能曲線的斜率較固相的大，所以兩曲線必的斜率較固相的大，

36、所以兩曲線必然在某一溫度相交。交點(diǎn)處的溫度然在某一溫度相交。交點(diǎn)處的溫度用用T0 （Tm)表示。表示。液相和固相自由能隨溫度變化示意圖液相和固相自由能隨溫度變化示意圖 53/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大完全結(jié)晶完全結(jié)晶金屬的結(jié)晶包括金屬的結(jié)晶包括晶核的形成晶核的形成和和晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的過程的過程3、金屬結(jié)晶的過程：、金屬結(jié)晶的過程： 54/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核

37、非自發(fā)形核自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。3.1 3.1 晶核的形成方式晶核的形成方式 55/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy晶核的形成：晶核的形成：利用利用x射線研究金屬的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)：射線研究金屬的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在液態(tài)金屬中，原子并不是散亂地分布，而是在在液態(tài)金屬中，原子并不是散亂地分布，而是在微小的范圍內(nèi)存在著緊密接觸、規(guī)則排列的原子微小的范圍內(nèi)存在

38、著緊密接觸、規(guī)則排列的原子集團(tuán)，稱為集團(tuán)，稱為“近程有序近程有序”集團(tuán)集團(tuán)，而且它們不是固，而且它們不是固定不動(dòng)的，而是處于不斷的變化之中，它會(huì)瞬時(shí)定不動(dòng)的，而是處于不斷的變化之中，它會(huì)瞬時(shí)消失，瞬時(shí)產(chǎn)生，此起彼伏，不斷變化，我們把消失，瞬時(shí)產(chǎn)生，此起彼伏，不斷變化，我們把這種不斷變化的近程有序集團(tuán)稱為這種不斷變化的近程有序集團(tuán)稱為“結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏”或或“相起伏相起伏”。晶胚：晶胚：在液態(tài)金屬中，每一瞬間都會(huì)涌現(xiàn)出大量尺在液態(tài)金屬中，每一瞬間都會(huì)涌現(xiàn)出大量尺寸不等的相起伏，尺寸較大的相起伏在結(jié)晶時(shí)，寸不等的相起伏，尺寸較大的相起伏在結(jié)晶時(shí)，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。這些相起伏就是晶核的胚芽。有可能轉(zhuǎn)

39、變?yōu)榫Ш?。這些相起伏就是晶核的胚芽。所以，尺寸較大的相起伏叫做晶胚。所以，尺寸較大的相起伏叫做晶胚。 56/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy3.2 晶核的長(zhǎng)大：晶核形成后，便開始晶核的晶核的長(zhǎng)大：晶核形成后，便開始晶核的長(zhǎng)大。宏觀上，晶體的長(zhǎng)大是晶體的界面向液長(zhǎng)大。宏觀上，晶體的長(zhǎng)大是晶體的界面向液相中逐步推移的過程。而在微觀上，晶體的長(zhǎng)相中逐步推移的過程。而在微觀上，晶體的長(zhǎng)大是液相中的原子逐步向晶體表面擴(kuò)散的過程。大是液相中的原子逐步向晶體表面擴(kuò)散的過程。長(zhǎng)大的條件：長(zhǎng)大的條件：需要一定的過冷度。（需要一定的過冷度。（10-310

40、-4即可）即可） 液相溫度足夠高，以完成原子由液相到固液相溫度足夠高，以完成原子由液相到固相的遷移。相的遷移。 57/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy長(zhǎng)大過程：長(zhǎng)大過程：a）在晶核長(zhǎng)大的初期，其外形還比較規(guī)則。在晶核長(zhǎng)大的初期，其外形還比較規(guī)則。b）由于晶體棱角的形成，棱角的散熱條件優(yōu)于由于晶體棱角的形成，棱角的散熱條件優(yōu)于其他部位，因此得到優(yōu)先成長(zhǎng)。就如樹枝一樣其他部位，因此得到優(yōu)先成長(zhǎng)。就如樹枝一樣先長(zhǎng)出枝干，再長(zhǎng)出分枝，最后再把晶間添滿。先長(zhǎng)出枝干，再長(zhǎng)出分枝，最后再把晶間添滿。這種長(zhǎng)大方式叫做這種長(zhǎng)大方式叫做“枝晶成長(zhǎng)枝晶成長(zhǎng)

41、”。書書P17圖圖1-15 58/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 59/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 60/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 61/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy綜上所述：我們可以把金屬的結(jié)晶過程用綜上所述：我們可以把金屬的結(jié)晶過程用書書P16圖圖1-14示意出來。在枝晶的成長(zhǎng)過示意出來。在枝晶的成長(zhǎng)過程中，由于液體的流動(dòng)，枝軸本身的

42、重力程中，由于液體的流動(dòng)，枝軸本身的重力作用，以及彼此之間的碰撞、雜質(zhì)元素的作用，以及彼此之間的碰撞、雜質(zhì)元素的影響等種種原因，會(huì)使某些枝軸發(fā)生偏斜影響等種種原因，會(huì)使某些枝軸發(fā)生偏斜或折斷，以致造成晶粒中的亞晶界、位錯(cuò)或折斷，以致造成晶粒中的亞晶界、位錯(cuò)等各種缺陷。等各種缺陷。 62/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 63/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy4、晶粒大小的控制：、晶粒大小的控制：4.1 晶粒度：晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶晶粒度：晶粒的大小稱為晶粒度，通常用

43、晶粒的平均面積或平均直徑來表示。粒的平均面積或平均直徑來表示。 晶粒的大小對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響，晶粒的大小對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響，在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性、韌性也越好。那么怎樣控制越高，同時(shí)塑性、韌性也越好。那么怎樣控制晶粒的大小呢？晶粒的大小呢？1.提高過冷度提高過冷度2.變質(zhì)處理變質(zhì)處理3.振動(dòng)或攪動(dòng)振動(dòng)或攪動(dòng)4.2細(xì)化晶粒的措施細(xì)化晶粒的措施 64/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy長(zhǎng)大速率（成長(zhǎng)率）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶體向周圍長(zhǎng)大的線長(zhǎng)大速率（成長(zhǎng)率）

44、：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶體向周圍長(zhǎng)大的線速度。用速度。用G表示。表示。N、G與過冷度之間的關(guān)系：與過冷度之間的關(guān)系：書書P19圖圖1-17。從圖中可。從圖中可知，知，當(dāng)當(dāng)T=0時(shí)：時(shí)：N=0、G=0，所以既不形核也不長(zhǎng)所以既不形核也不長(zhǎng)大；大；當(dāng)當(dāng)T增大時(shí)，增大時(shí)，N、G都增大，而且都增大，而且N/G 增大，晶增大，晶粒也就越小。粒也就越小。1.增加過冷度增加過冷度 形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積液相中形成的晶核的形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積液相中形成的晶核的數(shù)目。用數(shù)目。用N表示。表示。 65/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgy 工業(yè)生產(chǎn)中，我們經(jīng)常

45、用提高液態(tài)金屬的工業(yè)生產(chǎn)中，我們經(jīng)常用提高液態(tài)金屬的冷卻速度，來提高冷卻速度，來提高T，具體做法有：具體做法有： 用金屬型代替砂型；增加金屬型的厚度；用金屬型代替砂型；增加金屬型的厚度；局部加冷鐵；以及采用水冷鑄型等等。局部加冷鐵；以及采用水冷鑄型等等。 66/ imust李濤李濤School of Materials & Metallurgyn在液體金屬中在液體金屬中故意故意加入加入某些難熔雜質(zhì)（某些難熔雜質(zhì)（變質(zhì)變質(zhì)劑）劑），以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。n變質(zhì)劑的作用變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大。礙晶粒長(zhǎng)大。 例如：鋁合金中加入鈦、硼；鋼中加入鈦、鋯、例如：鋁合金中加入鈦、硼；鋼中加入鈦、鋯、釩：鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣合金等。釩：鑄