金属的结构及结晶

金相课程主讲：徐工第一章金属的构造一、晶体：原子按一定规律排列，组成晶体。晶体有一定的熔点、几何外形，各向异性。二、晶格：原子排列的方式（规律）即为晶格常见晶格：1.体心立方晶格α-FeCrWVβ-Ti2.面心立方晶格γ-FeAlCuAuPtβ-Co3.密排六方晶格MgBeα-Tiα-CoCd晶胞——晶格的最小单位三、晶格常数边长：abc三个棱的夹角：αβγ四、实际的金属结构1．多晶体，实际金属由很多晶粒组成的。每一个晶粒内部，原子排列是均匀的，一致的。晶粒与晶粒之间的位向各不相同。2．晶体内部原子排列的缺陷（1）点缺陷空位：原子空缺间隙分布的原子：小尺寸的原子（C，H，O）挤入晶格内置换位置的原子：大尺寸原子代位（2）线缺陷位错：线状缺陷（对材料的性能影响最大）（3）面缺陷滑移/孪晶3．晶界晶粒与晶粒的分界面晶界的原子排列是扭曲的，边界上的原子处于不稳定的高能位状态，一旦遇到酸根离子，就会生成化合物脱离原子群——光学显微镜观察晶粒的依据4．晶体的滑移和变形1）弹性变形：晶格受外力会扭曲，当外力撤消晶格恢复2）永久变形（塑性变形）；当晶格承受不了外力的作用，原子键发生断裂，发生位移，推动下一个原子位移，连续进行形成滑移3）晶界的作用晶界会抵抗滑移，因此具有强化作用——细晶强化4）热胀冷缩与热变形晶体受热，原子能量增加，自身振幅会增加，造成原子键变长，产生热膨胀当局部的晶格原子受到急剧的加热，会压迫周围加热较少的原子，就会发生晶格的扭曲、变形、断裂、位移，也就是发生了变形。第二章金属的结晶金属由液态变成固态的过程称为结晶一、金属结晶的基本规律1．过冷度相对于液/固平衡点以下过冷的程度，过冷度是由冷却速度决定的，过冷度越大，结晶的动力越大。2．结晶的过程形核长大晶粒互相接触液体消失结晶完成二、晶核的形成与长大1．自发形核无序原子温度下降活动能力下降某些原子互动过程中排列到一定的规律时产生晶核2．非自发形核在液体中加入某些固体物质，由于固体的杂质的原子不活动，与固体杂质直接接触的原子活动受到限制，活动范围减小，活动能力下降，优先得到形核条件，称为非自发形核3．晶核的长大晶核形成后，就会吸收周围的原子，逐渐长大，由于液态金属中的原子处于高频的振动中，原子相互撞击，必定会使部分原子处于压抑状态，压抑原子就被晶核吸收，形成突破点，突破点接受原子的能力大大增加，不断向前伸展，形成枝干——晶轴，晶轴的枝干还会向两边伸展，形成树枝状组织——树枝状晶。晶粒的大小对机械性能影响很大，细晶粒不但强度高、硬度高，而且塑性好。4．影响晶粒尺寸的因素1）过冷度冷却速度例：金属模铸造性能高于砂型铸造2）变质处理人为加入固体杂质，形成结晶形核点，每个晶粒的成长范围变小，达到细化晶粒的效果，称为变质处理或孕育处理，加入的物质成为变质剂。如：铁水中石墨粉、硅钙合金；铝合金中加Ti或固体铝3）机械振动或超声波、电磁波处理，破碎树枝状枝干、细化晶粒。5．金属铸造的组织1．细晶区最表面2．柱状晶次表面3．等轴粗晶区中心柱状晶与粗晶区的交界处杂质富集4．铸造的性能1）柱状晶组织致密，方向性强各向异性2）柱状晶与心部等轴晶粗粒的交界面，杂质多，往往造成锻造开裂。对锻件，要抑制柱状晶的生长。3）缩孔体积收缩残留孔洞，一般有大量杂质，使用中杂质切割掉，（锻造无法消除）例：方形偏析6．铸态组织的合理应用1）利用柱状晶获得致密组织（铝、铜、常用，“开坯”）2）定向结晶在铸件轴向造成连续的温度梯度，使铸件只在一端凝固并且只向一个方向结晶，形成同一方向的柱状晶，柱状晶方向力学性能特别好。例：涡轮机单晶叶片3）单晶体把液体装在一个尖头的容器内，尖头先伸出炉体，开始结晶，容器从炉中慢慢拉出。速度的关键是不产生再形核条件，这样从尖头生成的晶核不断生长——获得单晶体