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第2章 金属材料的基础知识 2-1 金属材料的晶体结构 2-2 合金的基础结构 2-3 纯金属的结晶 2-4 合金的结晶 第2章 金属材料的基础知识 金属材料的主要性能即力学性能，从本质上说是由其组织结构所决定的，而组织结构以原子的排列方式和空间分布来体现，绝大多数金属材料是在固体状态下被应用的。固体物质是以晶体和非晶体两种结构状态存在。所以，掌握金属材料的内部结构及其对金属材料的影响因素，对于生产、加工、使用金属材料具有重要的意义。 金属材料是应用最广泛的一种机械工程材料，对金属的固体结构及其形成过程的分析、了解及掌握是非常必要的。当同一金属由液态转变为固态时，由于结晶条件的不同，同一金属所表现的力学性能也各异，所以，本章从金属的结晶过程及组织结构开始研究。 2-1 金属材料的晶体结构 2.1.1晶体结构 1.晶体 晶体是原子在三维空间按一定几何规律重复排列的有序结构。 3.晶格与晶胞 为了便于理解，通常把原子看成一个固定的小球，这些固定的小球按一定几何形式有序排列组成晶体，如图2-1所示。 (1)晶格 为了便于研究，将每个原子视为一个几何质点，用假想的线将各质点连接起来，构成有明显规律的空间格架，这种表示原子在晶体中排列规律的空间几何格架称为晶格。如图2-2(a)所示。 (2)晶胞 晶胞是组成晶格的最小几何单位，如图2-2(b)所示 图2-1 晶体内部原子排列示意图 图2-2 晶体与晶胞示意图 4.晶面 晶体中由一系列原子所组成的平面称为晶面，如图2-3所示。 5.晶向 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如图2-4所示。 图2-3 立方晶格中的晶面 图2-4 立方晶格中的晶向 2.1.2常见的3种晶格类型 因为晶胞是从晶格中取出来的，它能够代表晶格特性，所以要想研究晶格特性只要研究晶胞特性就可以了。现以3种晶格的晶胞为例，说明3种晶格类型的特性。 1.体心立方晶格 在立方体晶胞的8个顶角上和晶胞中心各有一个原子。这种晶格类型的金属有。α-铁(α-Fe )、钨(W)、铬(Cr )、钼(Mo)、钒(V)等，如图2-5所示 图2-5 体心立方晶胞 2.面心立方晶格 在立方体晶胞的8个顶角和立方体6个面的中心各排列一个原子，这种晶格类型的金属有铜(Cu)、铝(Al)、铅(Pb)、金(Au ) 、镍(Ni ) 、 γ-铁(γ-Fe )等，如图2-6所示。 3.密排六方晶格 在六棱柱的各个棱角和上、下两个6边形底面的中心各有一个原子，此外在棱柱体中间还有3个原子。这种晶格类型的金属有锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)等，如图2-7所示。 图2-6 面心立方晶胞 图2-7 密排立方晶胞 2.1.3晶体结构的3种缺陷 一块金属晶体其内部晶格位向是一致的，称为单晶体。一块金属晶体由许多晶格位向不同的微小晶体组成的称为多晶体，如图2-8所示。当多个单晶体组成单个晶体时，单晶体内部的晶格位向是一致的，而各个单晶体彼此间位向都不同，这种不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得，实际应用的金属材料是多晶体结构，由于冶炼后在凝固过程中受到多种因素的影响，在晶体内部的局部区域原子的规则排列往往受到干扰而被破坏，这种原子排列无序的区域称为晶体缺陷，常见的缺陷有3种类型。 图2-8 体及多晶体结构示意图 1.点缺陷 点缺陷指在三维空间的3个方向上尺寸都很小的晶体缺陷，常见的有晶格空位和间隙原子。晶格空位缺陷是晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点。间隙原子是指晶体的晶格间隙处出现的多余原子，如图2-9所示。 图2-9 点缺陷示意图 2.线缺陷 在三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷称为线缺陷。常见为刃形位错和螺形位错等。 位错是晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象，如图2-10所示，在这个晶体ABCD面的上方，多出一个垂直的半原子面EFGH，像刀刃一样切入晶体与ABCD面交于EF线(位错线)称为刃形位错。 图2-10 刃型位错示意图 3.面缺陷 在三维空间的一个方向上尺寸很小而呈面状的晶体缺陷称为面缺陷。主要指晶界、亚晶界(镶嵌块界)如图2-11(a)所示。晶界是晶粒与晶粒之间的过渡层。在多晶体中，相邻晶粒之间位向差可达20°~ 40°，所以晶界处原子排列是不规则的，即使在一个晶粒内部也存在许多更小晶格位向差小于2°~ 3°的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之