第1章节__金属材料的基本知识幻灯片.ppt

在图1.2-12中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈大时，金属的晶粒度便愈细 图1.2-12中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示，但近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成率和成长率确能再度减小为零，此时金属将不再通过结晶的方式发生凝固，而是形成非晶质的固态金属 2)未熔杂质的影响 任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至会远大于加速冷却增大过冷度的影响 在金属结晶时，从为向液态金属中加入某种难溶杂质来有效地细化金属的晶粒，以达到提高其力学性能的目的，这种细化晶粒的方法叫做“变质处理”，所加入的难溶杂质叫“变质剂”或“人工晶核”。 1.2.3 金属的同素异构转变 某些金属在不同温度和压力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种晶体结构不同的稳定状态的转变，称为同素异构转变。此时除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。例如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构特性。 铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如图1.2-14所示。铁在1394℃以上时具有体心立方晶格，称为δ-Fe；冷却至1394~912℃之间，转变为面心立方晶格称为γ-Fe；继续冷却至912℃以下又转变为体心立方晶格，称为α-Fe。 1.2.4 实际金属的晶体结构 1. 多晶体 2. 晶体缺陷 （1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷 1. 多晶体 以上研究金属的晶体结构时，是把晶体看成由原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有经过持殊制作才能获得，如半导体工业中的单晶硅。 实际的金属都是由很多小晶体组成的，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。晶粒内部的晶格位向是均匀一致的，晶粒与晶粒之间，晶格位向却却彼此不同。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1.2-1５所示。 多晶体的性能在各个方向基本是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而表现出各向同性。这种各向同性被称伪各向同性。 晶粒的尺寸很小，如钢铁材料的晶粒尺寸一般为10-1~10-3mm左右，必须在显微镜下才能观察到。在显微镜下才能观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称显微组织，简称组织。金属的组织对金属的力学性能有很大的影响 2. 晶体缺陷 实际上每个晶粒内部，其结构也不是那么理想，存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。 1）点缺陷 点缺陷的具体形式有如下三种。 (1) 空位 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动等）脱离其晶格节点将产生此类点缺陷。这些点缺陷的存在会使其周围的晶格产生畸变。 (2) 间隙原子 在晶格节点以外存在的原子，称为间隙原子。在金属的晶体结构中都存在者间隙，一些尺寸较少的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。 (3) 置换原子 杂质元素占据金属晶格的结点位置称为置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。 三种点缺陷的形态如图1.2-16所示。 2）线缺陷 晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错徘现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，如图1.2-17所示为常见的一种刃型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了畸变。 金属晶体中的位错很多，相互连结成网状分布。位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示，通常为104一1012cm／cm3之间。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一 3）