1.2金属与合金的结构及铁碳合金相图(课件）-高一《汽车机械基础》同步教学（北京理工大学出版社）

１.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 １.２.１　纯金属的晶体结构及其结晶 自然界中的一切固态物质。 根据其内部原子或分子的聚集状态。 可分为晶体和非晶体两类。 总的来说。 凡是内部原子或分子在三维空间内。 按照一定几何规律做周期性的重复排列的物质称为晶体。 如雪花、食盐和固态金属等。 凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体。 如普通玻璃、松香和沥青等。 晶体具有下列特点: １) 具有规则的外形。 晶体在一般情况下应具有规则的外形。 如天然金刚石、水晶和食盐等。 但有时外形也不一定是规则的。 这与晶体的形成条件有关。 所以不能仅从外形来判断是否是晶体。 而应该从其内部原子或分子的排列情况来确定。 ２) 有固定的熔点。 任何一种晶体物质。 当加热到一定温度。 就要熔化。 各种晶体物质。 都有各自的熔点。 如铁的熔点为１ ５３８ ℃。 而非晶体是各向同性的。 下一页 返回 １.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 ３) 具有各向异性。 在同一种晶体物质中的不同方向上。 具有不同的性能。 称之为各向异性。 而非晶体是各向同性的。 １.晶体结构的基本概念 在金属晶体中。 原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。 为了便于研究。 人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球。 这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体。 如图１-５ (ａ) 所示。 ２.常见的金属晶格 (１) 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体。 其晶格常数: ａ ＝ ｂ ＝ ｃ。 在立方体的中心和８ 个顶角上各排列着一个原子。 如图１-６ (ａ) 所示。 每个晶胞中实际含有的原子数为１ ＋ ８ × １/８＝２ (个)。 具有体心立方晶格的金属有铁(α-Ｆｅ)、铬(Ｃｒ)、钨(Ｗ)、钼(Ｍｏ)、钒(Ｖ) 等。 这类金属的塑性较好。 下一页 返回 上一页 １.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 (２) 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体。 其晶格常数: ａ ＝ ｂ ＝ ｃ。 在立方体的６ 个面的中心和８ 个顶角各排列着一个原子。 如图１-６ (ｂ) 所示。 每个晶胞中实际含有的原子数为(１/８) ×８ ＋ ６ × １/２ ＝ ４ (个)。 具有面心立方晶格的金属有铁(γ-Ｆｅ)、铝(Ａｌ)、铜(Ｃｕ)、镍(Ｎｉ)、金(Ａｕ)、银(Ａｇ) 等。 这类金属的塑性优于体心立方晶格的金属。 (３) 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。 它是由６ 个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。 该晶胞要用两个晶格常数表示。 一个是六边形的边长。 另一个是柱体高度。 下一页 返回 上一页 １.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 在密排六方晶胞的１２个角上和上、下底面中心各有一个原子。 另外在晶胞中间还有３ 个原子。如图１-６ (ｃ) 所示。 每个晶胞中实际含有的原子数为(１/６) × １２ ＋ ２ × (１/２) ＋ ３ ＝ ６(个)。 具有密排六方晶格的金属有镁(Ｍｇ)、锌(Ｚｎ)、铍(Ｂ) 等、钛(α-Ｔｉ)。 这类金属较脆。 ３.金属的实际晶体结构 晶体具有各向异性。 但工业上实际应用的金属材料。 一般不具备各向异性。 例如。 对体心立方晶格的α-Ｆｅ (纯铁) 进行测定。 其任何方向上的弹性模量均为２１１ＧＰａ。 原来工业上实际应用的金属材料通常是多晶体材料。 而只有单晶体材料才具有各向异性。 下一页 返回 上一页 １.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 所谓单晶体是指晶格位向(或方位) 一致的晶体。 而所谓的位向(方位) 一致。 是指晶体中原子(或离子。 或分子) 按一定几何形状做周期性排列的规律没有破坏。 因此。 晶体中实际的晶面与晶向的位置和方向保持与晶体所假想的周期性延伸时的晶面与晶向一致。如图１-７ (ａ) 所示。 实际使用的金属材料即使体积很小。 其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体。 每个小晶体的内部晶格位向是一致的。 而各个小晶体彼此之间晶格位向不同。如图１-７ (ｂ) 所示。 小晶体的外形呈不规则的颗粒状。 通常称为晶粒。 两晶粒间的交界处称为晶界。 这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 一般金属材料都是多晶体结构。 下一页 返回 上一页 １.２　金属与合金的结构及铁碳合金相图 ４.纯金属的结晶 金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的固态晶体的过程。 此过程称为金属的结晶。 纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点)。所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。 它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。 如图１-８ 所示。 当液态金属冷却到结晶温度时。 某些部位的原子按金属固有的晶格。 有规律地排列成小晶体。 这细小的晶体称为晶核。 晶核周围的原子按固