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第二章 金属学基础晶体、金属的结晶 湖北理工学院 问题 晶体 晶格 晶胞概念 常见金属晶体的结构及其参数 实际金属晶体结构及其缺陷 合金 组元 相的定义固态合金的基本相 合金的结晶过程,过冷度定义及其影响因素 晶粒大小对金属性能的影响,细化晶粒方法 金属铸锭组织性能及其缺陷 同素异构晶体转变 金属晶体与结晶 一. 金属是晶体 晶体：原子在空间规则排列所形成的物体。 非晶体：是指原子在空间不规则排列而形成的固体。 注意：常态下金属主要以晶体形式存在。 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 金属晶体与结晶 二. 金属晶体的结构 晶体结构：晶体中原子的分布和排列方式。也简称结构。 晶格：组成晶体的原子作有规则排列所形成的空间格架。 晶胞：组成晶格的最基本几何单元。 金属晶体对称性高，90%属于体心立方晶胞.面心立方晶胞和密排六方晶胞三种常见的晶格。 体心立方晶胞 原子位置：占据8个角部和立方体的中心部位 单胞原子数：每个晶胞有2个原子 配位数： 致密度： 典型金属：α-Fe，Cr，Mo，W，V，Nb，β-Ti等。 面心立方晶胞 原子位置：8个角部和六个面的中心部位。 单胞原子数：每个晶胞有4个原子。 配位数： 致密度： 典型金属：γ-Fe，Ni，Cu，Al，Au，Ag等 。 密排六方晶胞 原子位置：占据12个角部、顶/底面的中心和中间层。 单胞原子数：每个晶胞有6个原子 配位数： 致密度： 典型金属：Mg，Zn，Cd，Be等 。 三. 实际的金属材料 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体。 晶粒：实际使用的金属材料由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。 纯铁组织 晶粒示意图 晶界：晶粒之间的交界面。 光学金相显示的纯铁晶界 多晶体示意图 四. 金属的缺陷 晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类：即点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷：三维尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、置换原子等。 线缺陷：在一维尺度上存在的缺陷。如位错。 面缺陷：在二维尺度上存在的缺陷。如晶界、亚晶界等。 合金的定义和类型 合金：金属元素与另外的元素（一种或多种、金属或非金属）组成的、具有金属特性的物质。 组元：是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 合金的类型：固溶体、金属化合物。 固溶体 固溶体：就是固态下组成元素之间能互相溶解而形成的均匀合金。 类型：间隙固溶体和置换固溶体。 特性： 第一，晶格类型：与溶剂相同； 第二，成分可变：溶入的元素量可多可少； 第三，晶格畸变：可以是正畸变或者负畸变； 第四，性能更好：强度更高、塑性、韧性也有所增加。 间隙固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格的间隙位置而形成的固溶体。 形成条件：溶质原子直径不足溶剂原子半径的59%，溶剂晶格有足够大的间隙。 典型的间隙固溶体:：钢（碳在铁中的固溶体）。 注意：间隙固溶体一般是有限固溶体；晶格常发生正畸变。 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点的位置而形成的固溶体。 形成条件：溶质溶剂原子直径相差不多（±15%）。 典型的置换固溶体：黄铜（铜-锌合金） 注意：置换固溶体一般是无序固溶体，一定条件下可形成有序固溶体。置换固溶体的畸变可正也可负。 金属化合物 金属化合物：金属和非金属原子形成的化合物。 通常具有金属特性。 典型的金属化合物：Fe3C（渗碳体） 金属化合物的特性 第一，组成原子数有一定比例，并占据固定的位置； 第二，晶格类型与圆组成元素不同，并比较复杂； 第三，硬度高、熔点高、电阻高、脆性大的特点。 五. 金属的结晶 结晶：由液态金属向原子规则排列、形成金属晶体的过程就称为结晶。 注意：结晶是个过程，经历形核和核心长大两个阶段； 结晶产品可以只是半成品（铸锭），也可以是成品（铸件）。 理论结晶温度(T0)：液态金属和固态金属的自由能刚好相等的温度，就是理论结晶温度。 实际结晶温度(Tn)：液态金属真正向固态金属转变的温度(实际结晶温度)。 过冷度：实际凝固温度与理论凝固温度之差。 ΔT=T0-Tn 金属晶体与结晶 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 铸造缺陷 铸造缺陷较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。 缩孔