金属晶体结构-课件.ppt
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1、金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 在自然界中除了一些少数的在自然界中除了一些少数的物质(如普通玻璃、松香等)物质(如普通玻璃、松香等)以外,包括金属在内的绝大以外,包括金属在内的绝大多数固体都是晶体多数固体都是晶体1晶体晶体 所谓晶体是指其原子(离子所谓晶体是指其原子(离子或分子)在空间呈规则排列或分子)在空间呈规则排列的物体。的物体。9-1-1晶体的基本概念晶体的基本概念2晶体结构晶体结构 晶体中原子(离子或分子)在空间的具晶体中原子(离子或分子)在空间的具体排列。体排列。3阵点(结点)阵点(结点)把原子(离子或分子)抽象为规则排列把原子(离子或分子)抽象为
2、规则排列于空间的几何点,称为阵点或结点。于空间的几何点,称为阵点或结点。4 阵点(或结点)阵点(或结点)在空间的排列方式称为空间点阵(简称在空间的排列方式称为空间点阵(简称点阵)点阵)5晶面晶面 点阵中的结点所构成的平面。点阵中的结点所构成的平面。6晶向晶向 点阵中的结点所组成的直线。点阵中的结点所组成的直线。9-1-2晶体的基本概念晶体的基本概念7晶格晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。起来构成空间格子称为晶格。8晶胞晶胞 构成晶格的最基本单元。构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性,可以用晶胞由于晶体中原子排
3、列的规律性,可以用晶胞来描述其排列特征。来描述其排列特征。9晶格常数晶格常数 晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数,其中是衡量晶胞大小和形状的六个参数,其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。称为晶格常数或点阵常数。其大小用其大小用A来表示(来表示(1A=10-8cm)若若a=b=c,=90这种晶胞就称为简单立这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。立方晶格。9-1-3常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型 在金属元素中,在金属元素中,常见的金属晶体结构类型有下面三常见的
4、金属晶体结构类型有下面三种晶体结构类型。种晶体结构类型。(一)体心立方晶格(一)体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体,并且在立体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体,并且在立方体的体中心还有一个原子方体的体中心还有一个原子 晶格常数晶格常数a=b=c,通常只用,通常只用a表示,(见图表示,(见图1-2)。)。这种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着这种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度的。故其对角线长度 a方向上所分布的原子数目为方向上所分布的原子数目为2,这样,这样可计算出其原子半径可计算出其原子半径:在这种晶胞中,因每个顶
5、点上的原子是同时属于周围八个晶在这种晶胞中,因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。胞所共有。实际上每个体心立方晶胞中仅含有:实际上每个体心立方晶胞中仅含有:个原子。个原子。321881ar439-1-4常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型 晶格的致密度:是指其晶胞中所包含的原子所占有的晶格的致密度:是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。用体积与该晶胞体积之比。用“K”表示。表示。体心立方晶格的致密度:体心立方晶格的致密度:即晶格中有即晶格中有68%的体积被原子占有,其余为空隙。的体积被原子占有,其余为空隙。属于这种体心立方晶格的金属有属于这种体心立方晶格的金属
6、有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。等。68.04334233aaK9-1-5常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型图图1-2 体心立方晶格体心立方晶格 图图1-3 面心立方晶格面心立方晶格9-2 Fe-Fe3C 合金相图 600SP4.01.02.03.0FeQ2004005.0 6.0 6.69Fe3C14001000800G1200EA1600CDFK温 度LL+L+Fe3C+Fe3CA+Fe3C+LeLe+Fe3CLeP+Fe3CP+Fe3C+LeFe3C+Le+PP+4912A31148(2.11)(4.3)LeH1394(0.77)0.02B(0.09)L+(0.
7、53)9-2-1型铁碳合金结晶过程图 WC%211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C9-2-2典型铁碳合金结晶过程分析 1含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢(合金)3.含碳0.40%的亚共析钢(合金)4含碳1.2%的
8、过共析钢(合金)5含碳4.3%的共晶白口铁:(合金)6含碳3.0%的亚共晶白口铁:(合金)7含碳5.0%的过共晶白口铁(合金)9-2-3含碳0.01%的工业纯铁 9-2-4 0.77%共析钢结晶过程 9-2-5亚共析钢结晶过程 9-2-6%C的过共析钢的结晶过程 9-2-7铁碳合金组织特征图(a)0.01%C铁素体500(c).0.77%C珠光体 500(b)0.45%C铁素体+珠光体 500d).1.2%C 铁素体+二次渗碳体 5009-2-8 共晶白口铁的结晶过程 9-3热加工相关概念 热加工:将金属加热到再结晶温度以上一热加工:将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。定温度进行压
9、力加工。在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶软化两个过程。软化两个过程。再结晶温度是热加工与冷加工的分界线,再结晶温度是热加工与冷加工的分界线,高于再结晶温度的压力加工是热加工,高于再结晶温度的压力加工是热加工,低于再结晶温度的压力加工是冷加工。低于再结晶温度的压力加工是冷加工。9-3-1热加工对钢的组织和性能影响 有利影响:有利影响:(1)通过热加工,可使铸态金属中的气孔通过热加工,可使铸态金属中的气孔焊合,从而使其致密度得以提高;焊合,从而使其致密度得以提高;(2)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶通过热加工,可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎,从而使晶粒细
10、化,机械和柱状晶破碎,从而使晶粒细化,机械性能提高;性能提高;(3)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶通过热加工,可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变可提高偏析和非金属夹杂分布发生改变可提高零件使用寿命。零件使用寿命。9-3-2热加工对钢的组织和性能影响 不利影响不利影响 加工的温度过高,晶粒粗大;加工的温度过高,晶粒粗大;若温度过低,引起加工硬化、残余内应若温度过低,引起加工硬化、残余内应力等;力等;形成带状组织使性能变坏。形成带状组织使性能变坏。9-4碳钢的分类 按含碳量分类低碳钢中碳钢高碳钢 按质量分类 普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢 按用途分类 碳素结构钢 碳素工具钢 9
11、-4-1碳钢牌号和用途 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 9-4-2普通碳素结构钢牌号和用途 Q+数字 表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-AF,表示屈服点为235的A级沸腾钢。制成薄板、钢筋、焊接钢管等,用于桥梁、建筑等钢结构,也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等 9-4-3优质碳素结构钢牌号和用途 两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数的数字,20钢表示平均含碳量为0.20%,15Mn:表示钢材中的含锰量比较高。08、08F、10、10F钢,塑性、韧性好,具有优良的冷成型性能和焊接性能,常冷轧成薄板,用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷
12、冲压件,如汽车车身,拖拉机驾驶室等;15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件,如活塞钢、样板等;30、35、40、45、50钢经热处理(淬火+高温回火)后具有良好的综合机械性能,即具有较高的强度和较高的塑性、韧性,用于制作轴类零件;55、60、65钢热处理(淬火+高温回火)后具有高的弹性极限,常用作弹簧。9-4-4碳素工具钢牌号和用途 数字表示钢材中平均含碳量千分数的数值,T10A表示平均含碳量为1.0%,A表示高级优质钢 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。碳素工具钢经热处理(淬火+低温回火)后具有高硬度,用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、
13、刃具、模具等。9-5铸铁的石墨化过程 石墨的晶体结构 铸铁的石墨化过程 根据石墨化程度不同铸铁的分类 9-5-1石墨的晶体结构 石墨为稳定相,具有特殊的简单六方晶格,其底面原子呈六方网格排列,原子间距小(1.4210-10m),结合力很强;而底面之间的间距较大(3.0410-10m),结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。9-5-2Fe-G相图 对铁碳合金的结晶过程来说,实际上存在两种相图,即Fe3C-Fe和Fe-G相图,铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按照其中的一种或另一种相图进行结晶 1.06 0 02 0 04 0 01 4 0 0温 度1 0 0 08 0 01 2 0 0
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