2.1 金属的结构与结晶 (课件）-高一《汽车机械基础》同步教学（人民邮电版）

2.1 金属的结构与结晶 2.1.1 金属常见的晶体结构 2.1.2 金属的晶体缺陷及其对性能的影响 2.1.3 金属的结晶同素异构转变 2.1.4 合金的结构与结晶 固态的物质按其原子的聚集状态可以分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子按一定的几何规律做周期性的排列，称为有序排列。绝大多数固体都为晶体，如石墨、金刚石、固态金属等。在非晶体中，原子无规则地堆集在一起，称为无序排列。自然界中这种物质较少，如松香、石蜡、玻璃等。 描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格。晶格中的每个点称为结点。晶格中各方位的原子面称为晶面。晶格中各方向的原子列称为晶向。 图2-1 晶体结构示意图 1、常见金属晶体结构与类型 常见的金属晶体结构有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。 （1）体心立方晶格。这种晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个角上和立方体中心各有一个原子，如图2-2（a）所示。属于体心立方晶格的金属有α-Fe（912℃以下的纯铁）、Cr、W、V等20余种。 图2-2 晶格 1、常见金属晶体结构与类型 （2）面心立方晶格。这种晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个角上和六个面的中心各有一个原子，如图2-2（b）所示。属于面心立方品格的金属如：-Fe（912℃～1390℃的纯铁）、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等20余种。 图2-2 晶格 1、常见金属晶体结构与类型 （3）密排六方晶格。这种晶格的晶胞是一个六棱柱体，在柱体的上下两个底面的角上及中心各有一个原子，在柱体中间还排列着三个原子，如图2-2（c）所示。属于密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Ti、Cd等近30种。 图2-2 晶格 2.单晶体与多晶体 单晶体是指物体中所含微粒（分子、原子或离子，纯金属是原子）在三维空间中呈规则、周期排列的一种物质。单晶体的物质在大自然中存在很少，如天然金刚石（钻石），而单晶体的金属在大自然中几乎不存在。实际的金属包含许多小小的单晶体（称为晶粒），晶粒之间的分界面，称为晶界。由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。 2.1.2 金属的晶体缺陷及其对性能的影响 在金属的实际晶体结构中，由于多种因素的影响而存在各种缺陷。这些晶粒间的晶体缺陷并不是固定不变的，而是随着温度、加工过程等因素的变化而变化。同时这些缺陷会使金属的物理、化学、力学性能产生变化，其中最有利的是可造成金属的强化。根据其几何形态特征，金属晶体缺陷可以分：点缺陷、线缺陷、面缺陷 1.点缺陷 点缺陷是指三维空间中，三个方向上尺寸都很小的缺陷。最常见的是晶格空位、间隙原子和置换原子，如图2-3所示。破坏。 图2-3 点缺陷 http://fenlei.baike.com/%E6%99%B6%E4%BD%93%E5%AD%A6/?prd=zhengwenye_left_kuozhan_kaifangfenlei 置换原子是异类原子替代了正常晶格上的原子，也会引起晶格的畸形变化。扭曲畸变会引起金属晶体性能的变化。一般来说，扭曲畸变会对金属原子的相对移动、金属的塑性变形起阻碍作用，从而提高金属的强度和硬度。 置换原子点缺陷对金属性能的影响 图2-3 点缺陷 2、线缺陷 线缺陷是指在两个方向上尺寸很小，在另一方向上尺寸较大的缺陷，也就是指各种类型的位错。在晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排现象称为位错。图2-4所示为最基本的刃型位错和螺旋形位错示意图。 图2-4 线缺陷示意图 线缺陷对金属性能的影响 晶体在位错线附近发生了晶格畸变，位错在晶体中的移动会使金属塑性变形容易进行。当位错密度增加到一定程度时，使位错移动困难，又会使金属的强度提高。这种现象称为位错强化。 图2-4 线缺陷示意图 3.面缺陷 面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，在另一方向上尺寸较小的缺陷。最常见的面缺陷为晶界与亚晶界。晶界实际上是位向不同的晶粒之间的过渡层，因受邻近晶粒内原子排列位向不同的影响，晶界处原子排列不规则，晶格处于畸变状态，如图2-5所示。 图2-5 面缺陷 面缺陷对金属性能的影响 （1）原子排列混乱，故晶界处的熔点低，且易被腐蚀，同时因为在常温下晶界增加了位错移动阻力，故晶界处的硬度、强度较高。晶界面积越大，强度越高。 （2）通过细化晶粒，增加晶界面积提高金属强度的方法称为晶界强化或细晶强化。必须指出，这种强化与位错强化不同，晶界强化不仅使金属强度提高，还使其塑性、韧性得到改善。 图2-5 面缺陷 2.1.2 金属的结晶与同素异构转变 金属液开始结晶时，结晶释放出的结晶潜热与冷却时向外界散失的热量相平衡，所以温度保持不变。 1、金属结晶的过程 图2-6 结晶过程示意图 图2-7 枝晶的形成过程 2、晶粒度及其控制 晶粒的大小对金属材料的性能有着重要影