金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響2.4 金屬的結(jié)晶金屬是指由金屬原子或金屬原子與其他非金屬原子組合起來(lái)具有金屬特性的物質(zhì)。2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬特性包括導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性、光澤性、不透明性、電阻和正的電阻溫度系數(shù)等性能。 組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、或離子)之間通過(guò)某種相互作用而聯(lián)系在一起，這種作用力稱(chēng)為“鍵”。 結(jié)合鍵對(duì)物質(zhì)的性能有重大影響。通常結(jié)合鍵分為結(jié)合力較強(qiáng)的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和結(jié)合力較弱的分子鍵與氫鍵。 金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子數(shù)不飽和，容易失去電子，變成正離子，而脫離的電子變成自由電子

2、，為整個(gè)金屬所共有，并在整個(gè)金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。 這種由金屬正離子和公有的自由電子之間相互作用而結(jié)合的方式稱(chēng)為“金屬鍵”。 除鉍、銻、鍺和鎵等金屬為共價(jià)鍵結(jié)合外，其余絕大多數(shù)的固態(tài)金屬主要是金屬鍵結(jié)合。2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)金屬鍵結(jié)合的特點(diǎn)可以解釋金屬晶體的一些性能。根據(jù)金屬鍵結(jié)合的特點(diǎn)可以解釋金屬晶體的一些性能。導(dǎo)電性導(dǎo)熱性可塑性光澤性不透明性電阻和正的電阻溫度系數(shù)等性能2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體的基本概念晶體的基本概念 1晶體晶體 非晶體非晶體 所謂晶體是指其原子（離子或分子）所謂晶體是指其原子（離子或分子）在空間呈規(guī)則排列的物體。在空間呈規(guī)則排列的物體。 非晶體非晶體則反之。

3、則反之。 非晶體晶體特點(diǎn)：晶體有確定的熔點(diǎn)；具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。 非晶體無(wú)確定的熔點(diǎn)；各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2. 晶格與晶胞晶格：表示晶體中原子排列形成的空間格子。晶胞：組成晶格最基本的幾何單元。2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)abc晶 胞 示意圖原子3. 晶格常數(shù)晶胞棱邊長(zhǎng)度a ,b , c三棱邊之間的夾角，2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 3種常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型種常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型1. 體心立方晶格 bodycentered cubic lattice特點(diǎn)：強(qiáng)度高、塑性低。如：912 Fe, Cr, Mo, V等。含有2個(gè)原子體積組成。2.1 金屬的晶

4、體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：強(qiáng)度低、塑性好。如：912 Fe ,Cu, Al 等金屬。含有4個(gè)原子體積組成。2. 面心立方晶格 facecentered cubic lattice2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)abC3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice特點(diǎn)：硬度高、強(qiáng)度不高、脆性大。如：鋅(Zn) , 鎂(Mg), 鎘(Cd)等金屬。a=bc2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)體:同一種金屬的不同晶體結(jié)構(gòu)的晶體，稱(chēng)為該金屬的同素異構(gòu)體。金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類(lèi)型的現(xiàn)象叫做“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”。2.2 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe

5、-Fe -Fe1394912意義:由于純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，因而才有可能對(duì)鐵碳合金進(jìn)行各種熱處理，以改變其組織和性能。但同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)均伴隨著體積變化，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，如-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?-Fe時(shí)，鐵的體積會(huì)膨脹1%，這可引起鋼熱處理時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工件變形和開(kāi)裂。 2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響純鐵的顯微組織多晶體結(jié)構(gòu)金屬的顯微組織：金屬的顯微組織：是指金屬在顯微鏡下所表現(xiàn)出來(lái)的特征和形貌。2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為晶體缺陷晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征

6、，可分為以下根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可分為以下3種情況種情況1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 晶體中的空位、間隙原子、晶體中的空位、間隙原子、雜質(zhì)原子都是點(diǎn)缺陷。雜質(zhì)原子都是點(diǎn)缺陷。 鋼的化學(xué)熱處理就是依靠原子的擴(kuò)散來(lái)完成的。2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響 2.線缺陷線缺陷 線缺陷是晶格中的各種位錯(cuò)。 所謂“位錯(cuò)”，是指晶體中一部分晶體相對(duì)另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 位錯(cuò)的種類(lèi)很多，常見(jiàn)的類(lèi)型有兩種，即刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)，2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響2.線缺陷線缺陷刃型位錯(cuò)示意圖2.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響2.線缺陷線缺陷螺型位錯(cuò)示意圖2.3

7、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響3.面缺陷面缺陷主要是指晶界和亞晶界，晶界的過(guò)渡結(jié)構(gòu)示意圖亞晶界的面缺陷示意圖 實(shí)際金屬一般為多晶體，即由許多位向不同的晶粒組成。因此在實(shí)際金屬中有很多晶界存在。由于晶界處原子排列不規(guī)律，偏離平衡位置較多，因此晶格畸變程度較大。 晶界處的抗腐蝕能力較差、熔點(diǎn)較低，且抗塑性變形能力較強(qiáng)。 除晶界外，晶粒內(nèi)部是由一些小晶塊組成的，它們的晶格位向有微小的差異，人們把這些小晶塊叫做亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱(chēng)為亞晶界。亞晶界處的原子排列不規(guī)則，也存在著晶格畸變。 凡晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸變，因而會(huì)引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能發(fā)生顯著的

8、變化。晶體缺陷對(duì)晶體性能的影響晶體缺陷對(duì)晶體性能的影響點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷周?chē)Ц癜l(fā)生畸變，材料的點(diǎn)缺陷周?chē)Ц癜l(fā)生畸變，材料的屈服強(qiáng)度提高，塑性韌性下降，電屈服強(qiáng)度提高，塑性韌性下降，電阻增加。阻增加。線缺陷線缺陷附近的晶格畸變，對(duì)強(qiáng)度影響顯著。附近的晶格畸變，對(duì)強(qiáng)度影響顯著。強(qiáng)度的變化與位錯(cuò)密度有關(guān)。強(qiáng)度的變化與位錯(cuò)密度有關(guān)。面缺陷面缺陷晶格發(fā)生畸變，晶界增多能顯著提高材料的強(qiáng)度，晶格發(fā)生畸變，晶界增多能顯著提高材料的強(qiáng)度，也可提高材料的塑性和韌性，但是容易發(fā)生高溫也可提高材料的塑性和韌性，但是容易發(fā)生高溫氧化，耐腐蝕性能降低。氧化，耐腐蝕性能降低。細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒而使材料強(qiáng)度

9、提高的方：通過(guò)細(xì)化晶粒而使材料強(qiáng)度提高的方法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。凝固與結(jié)晶的關(guān)系凝固與結(jié)晶的關(guān)系 凝固：液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)凝固：液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài) 結(jié)晶：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w結(jié)構(gòu)的固態(tài)結(jié)晶：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w結(jié)構(gòu)的固態(tài) 關(guān)系：結(jié)晶是凝固過(guò)程的一種特殊形式關(guān)系：結(jié)晶是凝固過(guò)程的一種特殊形式 特征：恒溫點(diǎn)完成特征：恒溫點(diǎn)完成2.4 金屬的結(jié)晶2.4 金屬的結(jié)晶 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行X射線分析表明，液態(tài)金屬原子總體看來(lái)呈無(wú)規(guī)則排列，但有少量的原子構(gòu)成排列規(guī)則的、時(shí)聚時(shí)散的原子團(tuán)，液態(tài)金屬的這種結(jié)構(gòu)特征稱(chēng)為“短程有序”。 而固態(tài)金屬是晶體，其內(nèi)部原子在很長(zhǎng)距離內(nèi)呈規(guī)則排列，并以一定的平橫

10、位置為中心不停地作熱振動(dòng)。固態(tài)金屬的這種結(jié)構(gòu)特征稱(chēng)為“長(zhǎng)程有序”。2.4 金屬的結(jié)晶過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度1.凝固過(guò)程的測(cè)定 熱分析法測(cè)定冷卻曲線 原理：利用凝固過(guò)程的熱效應(yīng)熱分析裝置示意圖純金屬的冷卻曲線2.純金屬凝固冷卻曲線2.4 金屬的結(jié)晶過(guò)冷現(xiàn)象：過(guò)冷現(xiàn)象：實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度（實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度（TN）總是低于理論結(jié)晶溫度（）總是低于理論結(jié)晶溫度（ TO）過(guò)冷度：過(guò)冷度：T=T= TO TNT T隨隨V V冷卻而變：冷卻而變：V V冷卻冷卻， T T 當(dāng)當(dāng)V V冷卻及其緩慢時(shí)，冷卻及其緩慢時(shí)，TN TO， TO 為熔化與結(jié)晶的平衡點(diǎn)為熔化與結(jié)晶的平衡點(diǎn) 金屬的結(jié)晶過(guò)程 金屬的結(jié)晶是由兩個(gè)基本過(guò)程

11、組成的，即生出微小的晶體核金屬的結(jié)晶是由兩個(gè)基本過(guò)程組成的，即生出微小的晶體核心心( (簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)生核生核) )和晶核進(jìn)行長(zhǎng)大和晶核進(jìn)行長(zhǎng)大( (簡(jiǎn)稱(chēng)為簡(jiǎn)稱(chēng)為核長(zhǎng)大核長(zhǎng)大) )。 1.1.兩種形核方式兩種形核方式 均勻形核均勻形核：晶核在均勻液相中由液相的一些原子集團(tuán)直接形：晶核在均勻液相中由液相的一些原子集團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響。成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響。 非均勻形核非均勻形核：晶核依附于固態(tài)雜質(zhì)或模壁上形成。這是金屬：晶核依附于固態(tài)雜質(zhì)或模壁上形成。這是金屬凝固過(guò)程中主要形核方式。凝固過(guò)程中主要形核方式。金屬的結(jié)晶過(guò)程示意圖結(jié)晶開(kāi)始時(shí)，液體中某些部位的原子集團(tuán)先后按一定

12、的晶格類(lèi)型排列成結(jié)晶開(kāi)始時(shí)，液體中某些部位的原子集團(tuán)先后按一定的晶格類(lèi)型排列成微小的微小的晶核晶核，以后晶核向著不同位向按樹(shù)枝生長(zhǎng)的方式長(zhǎng)大，當(dāng)成長(zhǎng)的，以后晶核向著不同位向按樹(shù)枝生長(zhǎng)的方式長(zhǎng)大，當(dāng)成長(zhǎng)的枝晶枝晶相互接觸時(shí)，晶體就向著尚未凝固的部位生長(zhǎng)，直到枝晶間的金屬相互接觸時(shí)，晶體就向著尚未凝固的部位生長(zhǎng)，直到枝晶間的金屬液全部凝固為止，最后形成了許多小晶粒。液全部凝固為止，最后形成了許多小晶粒。二、 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響 晶粒的大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大的影響，一般情況下，細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬在常溫下具有更高的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性。晶粒大小對(duì)純鐵力學(xué)性能的影響見(jiàn)表2-1。人們常

13、用細(xì)化晶粒的方法來(lái)改善金屬的力學(xué)性能。 常用的細(xì)化晶粒的方法有以下幾種：晶粒平均直徑晶粒平均直徑/ mm b/MPa s /MPa /% 單晶體單晶體14015030403050多晶體多晶體7.018038312.521144400.226357490.1626465510.127811650bs . 增加過(guò)冷度 如圖2-14所示，金屬的形核率和長(zhǎng)大速度均隨過(guò)冷度而變化，但兩者變化速率并不相同，當(dāng)過(guò)冷度達(dá)到一定值后，形核率比晶核長(zhǎng)大速度增長(zhǎng)更快，因此，增加過(guò)冷度能使晶粒細(xì)化。 過(guò)冷度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，過(guò)冷度就越大，金屬結(jié)晶后其晶粒就越細(xì)小。在鑄造中，由砂模鑄造改為金屬模鑄造，就是利

14、用這個(gè)道理來(lái)細(xì)化晶粒的。這種方法只適用于中、小型鑄件。對(duì)于大型鑄件，提高冷卻速度又容易使鑄件產(chǎn)生裂紋或變形等缺陷，則需要用其他方法來(lái)細(xì)化晶粒。圖圖2-14 形核率和長(zhǎng)大形核率和長(zhǎng)大速度速度 2. 變質(zhì)處理 變質(zhì)處理，也叫孕育處理，就是在液態(tài)金屬中加入一定的變質(zhì)劑(或叫孕育劑)，使其分散在金屬液中作為人工晶核，可使晶粒數(shù)目顯著增加，或者抑制晶核的長(zhǎng)大速度，從而細(xì)化晶粒的方法。 . 振動(dòng)處理 在結(jié)晶時(shí)，對(duì)金屬液加以機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等，使生長(zhǎng)中的枝晶破碎，從而提供更多的結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 1 1金屬材料都是晶體，主要有體心立方、面金屬材料都是晶體，主要有體心立方、面心立方、密排六方等三種晶體結(jié)構(gòu)。心立方、密排六方等三種晶體結(jié)構(gòu)。2 2金屬結(jié)晶的必要條件是過(guò)冷。金屬結(jié)晶的必要條件是過(guò)冷。3