金屬學與熱處理-第2章金屬的結晶

1、 內(nèi)容: 金屬的晶體結構金屬的晶體結構 合金的晶體結構合金的晶體結構 實際金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構 目的: 掌握晶體結構及其對材料的物理化學性能、力學性能及工藝性能掌握晶體結構及其對材料的物理化學性能、力學性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學習做好理論知識的準備的影響，為后續(xù)課程的學習做好理論知識的準備（一）、晶體與非晶體（一）、晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列幾何規(guī)律作周期性地排列 。非晶體中原子（或分

2、子）非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青） （二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù)（二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù) 1、晶格 為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構成一個空間格架，各原子中各原子的中心連接起來，構成一個空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個結點上，這種抽象的、用于描的中心就處在格架的幾個結點上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間

3、格架，簡稱述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。 2、晶胞 由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，為了便于討論為了便于討論 通常只從晶格中，選取一個能夠完全反通常只從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞 ，整個晶，整個晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。復堆積而成的。 3 3、晶格常數(shù)、晶格常數(shù) 在晶體學中，通常取晶胞角

4、上某一結點作為原點，沿在晶體學中，通常取晶胞角上某一結點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸其三條棱邊作三個坐標軸X X、Y Y、Z Z，并稱之為晶軸，而，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之且規(guī)定坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度為反方向，并以棱邊長度 和棱面夾角和棱面夾角 來表示晶胞的形狀和大小來表示晶胞的形狀和大小 。cb、ar、（三）、金屬中常見晶格（三）、金屬中常見晶格 由于金屬鍵結合力較強，是金屬原子總趨由于金屬鍵結合力較強，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。

5、種晶格類型。 1、體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。在在晶胞的中心和八個角上各有一個原子晶胞的中心和八個角上各有一個原子，晶胞角晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實際上只占有實際上只占有1 18 8個原子。而中心的原子為該個原子。而中心的原子為該晶胞所獨有。故晶胞中實際原子數(shù)為晶胞所獨有。故晶胞中實際原子數(shù)為8 81 18 81 12 2（個）（個）。具有體心立方晶格的金屬。具有體心立方晶格的金屬有有 、 等。等。 eFarC 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上面心立

6、方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都排一個原子，晶胞角上的原和晶胞的六個面的中心都排一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8 81 18 86 61 12 24 4（個）。（個）。 具有面心立方晶格的金屬有具有面心立方晶格的金屬有 、 等。等。 eFr Al 3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，有六個呈長方形的側面密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，有六個呈長方形的側面和兩個呈六邊形的底面所組成。因

7、此，要用兩個晶格常數(shù)表示。和兩個呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個晶格常數(shù)表示。一個是柱體的高度一個是柱體的高度c c，另一個是六邊形的邊長，另一個是六邊形的邊長，在晶胞的每個角在晶胞的每個角上和上、下底面的中心都排列一個原子，另外在晶胞中間還有三上和上、下底面的中心都排列一個原子，另外在晶胞中間還有三個原子個原子。 密排六方晶胞每個角上的原子為相鄰的六個晶胞所共有，上、密排六方晶胞每個角上的原子為相鄰的六個晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個原子所共有，晶胞中三個原子為該晶胞下底面中心的原子為兩個原子所共有，晶胞中三個原子為該晶胞獨有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為獨有。所以，密排六方晶胞

8、中原子數(shù)為12121 16 62 21 12 23 36 6（個）。（個）。具有密排六方晶格的金屬有具有密排六方晶格的金屬有Mg Mg 、ZnZn 。 （四）、晶體結構的致密度致密度 晶體結構的晶體結構的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來比，可用來原子排列的緊密程度進行定量比較。原子排列的緊密程度進行定量比較。 在體心立方晶胞中，含有在體心立方晶胞中，含有2 2個原子。這個原子。這2 2個原子的體積為個原子的體積為2 2（4 43 3）rr3 3，式中式中r r為原子半徑為原子半徑 。故體心立方晶格的致密度為：故體心立方晶格的致密度為： 2

9、 2個原子的體積與晶胞體積之比等于個原子的體積與晶胞體積之比等于0.680.68。 這表明在體心立方晶格中，有這表明在體心立方晶格中，有6868的體積被所占據(jù)，其余為空的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為0.740.74。顯。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當鐵由面心立然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹。 （一）、合金合金的基本概念 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非

10、金屬由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金合金。 組組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)叫做成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)叫做組元組元。組元通常。組元通常是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。和多元合金。 合金中，具有同一化學成分且結構相同的均勻部分合金中，具有同一化學成分且結構相同的均勻部分叫做叫做相相。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金。合金中相與相之間有明顯的

11、界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。 合金的性能一般都是由組成合金的各相成分、結構、合金的性能一般都是由組成合金的各相成分、結構、形態(tài)、性能和各相的組合情況形態(tài)、性能和各相的組合情況組織組織所決定的。所決定的。http:/www.gangban-http:/www.gangban- （二）、合金的相結構 由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結構可由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。分為固溶體和金屬化合物

12、兩大類。 1、固溶體 合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為相稱為固溶體固溶體。 不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通力增大，結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化固溶強化。 固溶體中的晶格畸變示意圖 a)間隙固溶體

13、b)置換固溶體 固溶強化固溶強化是提高金屬材料力學性能的重要途徑之一。實踐是提高金屬材料力學性能的重要途徑之一。實踐表明，適當控制固溶體中的溶質(zhì)含量，表明，適當控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學性能要求較高的結構材料，都是以固溶體為基體的合金。合力學性能要求較高的結構材料，都是以固溶體為基體的合金。 2、金屬化合物 金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學分子式

14、表示。鋼中滲碳體（同，一般可用化學分子式表示。鋼中滲碳體（FeFe3 3C C）是由鐵原子）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復雜的晶格形式。和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復雜的晶格形式。 金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化彌散強化。金屬化合物。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)在合金中

15、常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。合金的重要組成相。 絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。布狀況。 http:/www.gangban-http:/www.gangban- （一）、金屬材料都是多晶體（一）、金屬材料都是多晶體 我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體只有經(jīng)過特殊制作才能獲得。實際上，常使用的金屬材料，只有

16、經(jīng)過特殊制作才能獲得。實際上，常使用的金屬材料，由于受結晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結構都是由許由于受結晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結構都是由許多尺寸很小，各自結晶方位都不同的小單晶體組合在一起多尺寸很小，各自結晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即的多晶體構成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為為晶界。在一個晶粒內(nèi)部其結晶方位基本相同，但也存。在一個晶粒內(nèi)部其結晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面成一顆晶粒

17、，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為稱為亞晶界。 多晶體示意圖 （二）、晶體的缺陷（二）、晶體的缺陷 晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，（物理性能、化學性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。原子間的作用力

18、計算所得數(shù)值。 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：類： 點缺陷點缺陷 線缺陷線缺陷 面缺陷面缺陷 1 1、點缺陷、點缺陷空位和間隙原子空位和間隙原子 在實際晶體結構中，晶格的某些結點，往往未被原在實際晶體結構中，晶格的某些結點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。 由于空位和間隙原子的存在由于空

19、位和間隙原子的存在 ，使晶體發(fā)，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度和電阻增加。硬度和電阻增加。 晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運動晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運動和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。屬材料的熱處理過程極為重要。http:/www.gangban-http:/www.gangban- 2

20、2、線缺陷、線缺陷位錯位錯 晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很排現(xiàn)象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量通長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量通常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積內(nèi)內(nèi)，位錯，位錯線的總長度。線的總長度。 位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑

21、性變形與位錯的移動有關。冷變形加工后金屬出現(xiàn)塑性變形與位錯的移動有關。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度的增加所致。的增加所致。 刃 型 位 錯 示 意 圖 a) 晶 格 立 體 模 型 b) 平 面 圖 3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亞晶界 實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖223、224），該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。 晶界的過渡結構示意圖 亞晶界結構示意圖 1

22、、金屬的晶格有體心立方結構、面心立方結構、金屬的晶格有體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構，由于致密度的不同，從一種晶格到和密排六方結構，由于致密度的不同，從一種晶格到另一種的變化會引起體積的變化。另一種的變化會引起體積的變化。 2、合金的相結構有固溶體和化合物。彌散強化、合金的相結構有固溶體和化合物。彌散強化和固溶強化可以提高金屬材料的力學性能，所以，合和固溶強化可以提高金屬材料的力學性能，所以，合金化是提高金屬性能的方法之一。金化是提高金屬性能的方法之一。 3、實際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在、實際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點缺陷、位錯、晶界和亞晶界。點缺陷著點缺陷、位

23、錯、晶界和亞晶界。點缺陷對金屬材料對金屬材料的熱處理過程極為重要。的熱處理過程極為重要。位錯的存在以及位錯密度的位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響要影響。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位錯密度的增加所致。點缺陷、錯密度的增加所致。點缺陷、晶界和亞晶界晶界和亞晶界也與材料也與材料的力學性能有關。的力學性能有關。http:/www.gangban-http:/www.gangban- 凝固與結晶的概念凝固與結晶的概念 結晶的現(xiàn)象與規(guī)律結晶的現(xiàn)象與規(guī)律 同素異晶同素異

24、晶( (構構) )轉變轉變1.凝固凝固 物質(zhì)由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。2.結晶結晶 * *晶體物質(zhì)由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。晶體物質(zhì)由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。 * *物質(zhì)中的原子由物質(zhì)中的原子由近程有序排列近程有序排列向向遠遠 程有序排列程有序排列的過程。的過程。To一）一）. .結晶的一般過程結晶的一般過程1.純金屬結晶時的冷卻曲線純金屬結晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線理論冷卻曲線實際冷卻曲線實際冷卻曲線T1結晶平臺結晶平臺(是由結晶潛熱導致是由結晶潛熱導致) 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 過冷度過冷度 T = T0 T1 過冷是結晶的必要條件。過冷是結晶的必要條件。 近程有序

25、結構近程有序結構結構起伏結構起伏結晶結晶遠程有序結構遠程有序結構 形核形核 長大長大形核、長大形核、長大在一定的過冷度下在一定的過冷度下, ,當當F F體體F F表表時時, ,晶核就形成。晶核就形成。晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自發(fā)形核自發(fā)形核 T = 200 * *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 T = 20 金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶v過冷度過冷度的影響的影響v未熔雜質(zhì)未熔雜質(zhì)的影響的影響v1）提高冷卻速度）提高冷卻速度V V冷冷T TN N晶粒細小晶粒細小v2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理v3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。 純鐵的純鐵的同素異晶轉變同素異晶轉變反應式反應式:1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe1394153410006008001200溫度時間1