工程材料課件 第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

1、第一章第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1-1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體一、晶體1.晶晶 體體：是指其中的原子是指其中的原子(或離子或離子)呈規(guī)則的周期呈規(guī)則的周期性排列的物質(zhì)。性排列的物質(zhì)。反之為非晶體。反之為非晶體。在不同的方向上測(cè)量在不同的方向上測(cè)量非晶體非晶體性能時(shí)，其性能時(shí)，其值不因方向而異的現(xiàn)象值不因方向而異的現(xiàn)象在不同的方向上測(cè)量在不同的方向上測(cè)量晶體晶體性能時(shí)，其值性能時(shí)，其值因方向而異的現(xiàn)象因方向而異的現(xiàn)象非晶體非晶體：各向異性：各向異性：各向同性：各向同性：晶格晶格：表示晶體中原子排列形式的空間格子叫表示晶體中原子排列形式的空間格子叫晶格晶格。晶胞的取法很

2、多，一般取平行六面體。晶胞的取法很多，一般取平行六面體。晶胞晶胞：就是就是(這種這種)組成晶格的最基本的幾何單元。組成晶格的最基本的幾何單元。2.晶體與非晶體的區(qū)別晶體與非晶體的區(qū)別： 晶晶 體體原子排列原子排列有規(guī)則有規(guī)則， 呈周期性呈周期性，有一有一定熔點(diǎn)，各向異性定熔點(diǎn)，各向異性 非晶體非晶體原子排列原子排列無規(guī)則無規(guī)則，不呈周期性不呈周期性，無一無一定熔點(diǎn)定熔點(diǎn)，各向同性各向同性晶體中原子排列的方式稱為晶體中原子排列的方式稱為 。結(jié)構(gòu)不同，其性能也不同結(jié)構(gòu)不同，其性能也不同。3.晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)晶格常數(shù)(點(diǎn)陣參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù))： 晶胞各邊尺寸晶胞各邊尺寸

3、a、b、c。 （如右圖）單位（如右圖）單位 (10-10m)0Aabc晶胞各邊之間的夾角以晶胞各邊之間的夾角以 、 、 表示。表示。 剛球模型 晶 格 晶 胞二、金屬鍵與金屬的特性二、金屬鍵與金屬的特性1 金屬鍵金屬鍵： 固態(tài)金屬所具有的特性，就是由金屬鍵的本固態(tài)金屬所具有的特性，就是由金屬鍵的本質(zhì)產(chǎn)生的。如在固態(tài)金屬中具有的特性如下：質(zhì)產(chǎn)生的。如在固態(tài)金屬中具有的特性如下：有良好的導(dǎo)熱性；有良好的導(dǎo)熱性；有良好的導(dǎo)電性；有良好的導(dǎo)電性；有良好的延展性；有良好的延展性；正電阻溫度系數(shù)，等等正電阻溫度系數(shù)，等等金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖在固態(tài)金屬中，電子云與正離子間的在固態(tài)金屬中，電子云與正離子間

4、的引力與正離子及電子間的斥力相平衡引力與正離子及電子間的斥力相平衡而形成的結(jié)合方式，叫金屬鍵。而形成的結(jié)合方式，叫金屬鍵。 由于金屬鍵無方向性及飽和性，使得大部分金由于金屬鍵無方向性及飽和性，使得大部分金屬都具有緊密排列的趨向，以致其中屬都具有緊密排列的趨向，以致其中絕大多數(shù)的金絕大多數(shù)的金屬晶體都屬于三種密排的晶格形式屬晶體都屬于三種密排的晶格形式。 三、金屬晶體中常見的三種晶格類型三、金屬晶體中常見的三種晶格類型度量晶體中原子排列的緊密程度的方法度量晶體中原子排列的緊密程度的方法：常用的有配位數(shù)、致密度。常用的有配位數(shù)、致密度。A：配位數(shù)：配位數(shù)： 晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且晶格中任

5、一原子周圍所緊鄰的最近且等距的原子數(shù)。等距的原子數(shù)。 （定性的）（定性的）B：致密度：致密度：VnvK晶胞體積胞內(nèi)原子體積（定量的）（定量的）立方體立方體：即正方體即正方體 a=b=ca； = = =90o。（一）（一） 體心立方晶格體心立方晶格 【bcc】八個(gè)原子占據(jù)立方體八個(gè)角，在立方體八個(gè)原子占據(jù)立方體八個(gè)角，在立方體的體積中心還有一個(gè)原子。（如下圖）的體積中心還有一個(gè)原子。（如下圖）1晶胞內(nèi)原子數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)： 1/88+1=22原子半徑原子半徑： a43r3配位數(shù)配位數(shù)： 8 4致密度致密度：動(dòng)態(tài)演示動(dòng)態(tài)演示體心立方晶胞體心立方晶胞%6868. 0433423423333aaarVn

6、vK（二）面心立方晶格（二）面心立方晶格 【fcc】八個(gè)原子占據(jù)立方體八個(gè)角，在立八個(gè)原子占據(jù)立方體八個(gè)角，在立方體各面中心還有一個(gè)。（如下圖）方體各面中心還有一個(gè)。（如下圖）1晶胞內(nèi)原子數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)： 1/88+1/26=42原子半徑原子半徑： a3配位數(shù)配位數(shù)： 12 4致密度致密度：動(dòng)態(tài)演示動(dòng)態(tài)演示42r面心立方晶胞面心立方晶胞%7474. 0423443443333aaarVnvK（三）密排六方晶格（三）密排六方晶格【cph】以以12個(gè)原子為頂點(diǎn)構(gòu)成簡(jiǎn)單六方柱體個(gè)原子為頂點(diǎn)構(gòu)成簡(jiǎn)單六方柱體 ， 在柱體上下兩個(gè)底面中心還各有一個(gè)原子，在柱體上下兩個(gè)底面中心還各有一個(gè)原子，另在兩個(gè)底面之

7、間還有另在兩個(gè)底面之間還有3個(gè)原子（如下圖）。個(gè)原子（如下圖）。理論計(jì)算表明：理論計(jì)算表明：c/a=1.633 1晶胞內(nèi)原子數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)： 1/612+1/22+3=62原子半徑原子半徑：a/23配位數(shù)配位數(shù)： 12 4致密度致密度：當(dāng)：當(dāng) c/a=1.633時(shí)，時(shí)，K0.74=74%密排六方晶胞密排六方晶胞三種典型金屬晶格所對(duì)應(yīng)的常見金屬的例子如下：三種典型金屬晶格所對(duì)應(yīng)的常見金屬的例子如下：晶格類型晶格類型常見金屬例子常見金屬例子體心立方體心立方-Fe、Cr、W、Mo、V面心立方面心立方Cu、Au、Ag、Al、-Fe密排六方密排六方Mg、Zn、-Ti由上表可以看出，由上表可以看出， Mg

8、、Zn等最難以變形的具等最難以變形的具有密排六方晶格；有密排六方晶格； -Fe、Cr等也是比較等也是比較“硬硬”的的具有體心立方晶格；具有體心立方晶格； Cu、Au、Ag等很等很“軟軟”，容，容易變的形而具有面心立方晶格。這也從一個(gè)角度說易變的形而具有面心立方晶格。這也從一個(gè)角度說明，明，晶體的晶格類型對(duì)晶體的性能的影響是非常大晶體的晶格類型對(duì)晶體的性能的影響是非常大的。的。四、晶面和晶向四、晶面和晶向晶格中原子中心所構(gòu)成的平面。晶格中原子中心所構(gòu)成的平面。晶面、晶向指數(shù)晶面、晶向指數(shù)：晶向晶向：晶面晶面：晶體中穿過兩個(gè)以上原子中心的方向（直）線晶體中穿過兩個(gè)以上原子中心的方向（直）線表示各種

9、晶面和晶向位向的統(tǒng)一標(biāo)號(hào)表示各種晶面和晶向位向的統(tǒng)一標(biāo)號(hào)（一）（一） 立方晶體中晶面指數(shù)的確定立方晶體中晶面指數(shù)的確定及表示方法及表示方法1. 確定坐標(biāo)系：確定坐標(biāo)系：2. 求截距：求截距：3. 取倒數(shù)：取倒數(shù)：確定三要素：原點(diǎn)、坐標(biāo)軸、單位長(zhǎng)度確定三要素：原點(diǎn)、坐標(biāo)軸、單位長(zhǎng)度求出待定晶面在三個(gè)軸上的截距求出待定晶面在三個(gè)軸上的截距取這些截距的倒數(shù)取這些截距的倒數(shù) 4. 化簡(jiǎn)：化簡(jiǎn)：將上述倒數(shù)化為最小的整數(shù)，并加上園括號(hào)將上述倒數(shù)化為最小的整數(shù)，并加上園括號(hào)“( )”，即為晶面指數(shù)。如（，即為晶面指數(shù)。如（110）在立方晶體晶格中在立方晶體晶格中最常用有三個(gè)晶面，最常用有三個(gè)晶面，如右圖所示

10、，分別如右圖所示，分別為：為：晶面指數(shù)一般可記為晶面指數(shù)一般可記為 。如果晶面得到負(fù)截距。如果晶面得到負(fù)截距則在所得到指數(shù)上方冠以負(fù)號(hào)，如（則在所得到指數(shù)上方冠以負(fù)號(hào)，如（ ）111(hkl) （110）、）、（111）、）、 （100）最常用有三個(gè)晶面，最常用有三個(gè)晶面，YZXB1/2ACO1/2（二）（二） 立方晶體中晶向指數(shù)的確定立方晶體中晶向指數(shù)的確定及表示方法及表示方法1. 確定坐標(biāo)系：確定坐標(biāo)系：確定三要素：原點(diǎn)、坐標(biāo)軸、單位長(zhǎng)度確定三要素：原點(diǎn)、坐標(biāo)軸、單位長(zhǎng)度2. 引平行線：引平行線：3. 求坐標(biāo)：求坐標(biāo)：通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線平行于所求的晶向通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線平行于所求的晶向

11、求出該直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)求出該直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)4. 化簡(jiǎn)：化簡(jiǎn)：按比例化為最小整數(shù)，按比例化為最小整數(shù)，加一方括號(hào)，加一方括號(hào)，“ ”，即為所求晶向指數(shù)。即為所求晶向指數(shù)。如如112晶向指數(shù)一般可記為晶向指數(shù)一般可記為 。如果晶向得到負(fù)坐標(biāo)。如果晶向得到負(fù)坐標(biāo)值則在所得到指數(shù)上方冠以負(fù)號(hào)，如值則在所得到指數(shù)上方冠以負(fù)號(hào)，如 111注意注意：一個(gè)晶面指數(shù)或一個(gè)晶面指數(shù)或晶向指數(shù)是代表晶向指數(shù)是代表一組相互平行的一組相互平行的另外另外：在立方晶格中，具有相同指數(shù)的晶面與晶向在立方晶格中，具有相同指數(shù)的晶面與晶向之間是相互垂直的之間是相互垂直的。在立方晶體晶格中在立方晶體晶格中最常用有三個(gè)晶向，最

12、常用有三個(gè)晶向，如右圖所示，分別為：如右圖所示，分別為：、110111、100最常用有三個(gè)晶向，最常用有三個(gè)晶向，晶面或晶向（在其上原子的排列方式是相同的）晶面或晶向（在其上原子的排列方式是相同的）uvw（三）（三） 晶面族晶面族hkl及晶向族及晶向族晶面族晶面族hkl ：表示位向不同但其原子排列相同的一組晶面表示位向不同但其原子排列相同的一組晶面晶向族晶向族:表示方向不同但其原子排列相同的一組晶向表示方向不同但其原子排列相同的一組晶向如：表示如：表示(100)、(010)、(001)等一組晶面等一組晶面 表示表示100、010、001等一組晶向等一組晶向在立方晶體的晶格中：在立方晶體的晶格中

13、：最有實(shí)用意義晶面為最有實(shí)用意義晶面為111、110)、100所包含的晶面所包含的晶面最有實(shí)用意義晶向?yàn)樽钣袑?shí)用意義晶向?yàn)?、所包含的晶向所包含的晶向?四）晶面及晶向的原子密度四）晶面及晶向的原子密度晶向原子密度該長(zhǎng)度上的原子數(shù)晶向長(zhǎng)度由公式可知：即使在同一晶體晶格中，不同晶面由公式可知：即使在同一晶體晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度也是不同的和晶向上的原子密度也是不同的以體心立方晶格為例：其中三種主要晶面和晶向以體心立方晶格為例：其中三種主要晶面和晶向的原子密度示于表的原子密度示于表1-2中中晶面原子密度該面積上的原子數(shù)面積 晶面面積規(guī)律規(guī)律：原子間彼此相接觸的晶面和晶向?yàn)樽蠲芘诺木婧途?/p>

14、原子間彼此相接觸的晶面和晶向?yàn)樽蠲芘诺木婧途?。我們也稱之為向。我們也稱之為“密排面密排面”和和“密排方向密排方向”表格表格1-2 體心立方晶格中三種主要晶面和晶向的原子密度體心立方晶格中三種主要晶面和晶向的原子密度晶晶面面指指數(shù)數(shù)晶晶面面示示意意圖圖晶晶面面原原子子密密度度晶晶面面間間距距晶晶向向指指數(shù)數(shù)晶晶向向原原子子密密度度晶晶向向間間距距100221441aaaa5 . 02100aa1221aa7 . 022110224 . 121441aaaa7 . 022110aa7 . 02221aa5 . 021112258.023361aaaa29. 063111aa16. 131221

15、aa82. 036110類似也可以得出面心立方及密排六方晶格的密排類似也可以得出面心立方及密排六方晶格的密排面和密排方向，歸納結(jié)果見下表：面和密排方向，歸納結(jié)果見下表：表表格格 1 1- -3 3 三三種種典典型型晶晶格格的的密密排排面面和和密密排排方方向向晶晶格格類類型型密密排排面面密密排排方方向向體體心心立立方方1 1面面心心0 0密密排排六六方方底底面面底底面面對(duì)對(duì)角角線線以后我們將看到，金屬晶格的密排面及密排方向以后我們將看到，金屬晶格的密排面及密排方向的確定，對(duì)我們研究金屬的特性是有重要意義的。的確定，對(duì)我們研究金屬的特性是有重要意義的。五、晶體的各向異性五、晶體的各向異性對(duì)于同一個(gè)

16、完整的晶體，當(dāng)我們從不同方向?qū)τ谕粋€(gè)完整的晶體，當(dāng)我們從不同方向上測(cè)量某些量時(shí)，上測(cè)量某些量時(shí)，(如彈性模量如彈性模量E、強(qiáng)度極限、強(qiáng)度極限 b、屈服極限屈服極限 s、電阻率、磁導(dǎo)率、線脹系數(shù)、耐蝕、電阻率、磁導(dǎo)率、線脹系數(shù)、耐蝕性等性等)，將得到不同的數(shù)值。如鐵，將得到不同的數(shù)值。如鐵( Fe)111方向方向E=2.80105MNm2100方向方向E=1.30105MNm2這就引出一個(gè)新的概念：這就引出一個(gè)新的概念：由于晶體中不同晶面和晶向上的由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，導(dǎo)致了晶體在不原子密度不同，導(dǎo)致了晶體在不同方向上的性能不同的現(xiàn)象。同方向上的性能不同的現(xiàn)象。各向異性是晶

17、體區(qū)別于非晶體所特有的一個(gè)重要標(biāo)志各向異性是晶體區(qū)別于非晶體所特有的一個(gè)重要標(biāo)志晶體的各向異性晶體的各向異性：1-2 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、單晶體與多晶體一、單晶體與多晶體（一）（一）單晶體單晶體：其內(nèi)部的晶格位向完全一致的一塊晶體其內(nèi)部的晶格位向完全一致的一塊晶體晶粒晶粒： （這些）金屬中晶格位向一致的顆粒狀小晶體（這些）金屬中晶格位向一致的顆粒狀小晶體稱稱為晶粒。為晶粒。 (尺寸為尺寸為10-110-3mm)晶界晶界： 晶粒之間的邊界。晶粒之間的邊界。 （如圖）（如圖） （二）（二）多晶體多晶體：其內(nèi)部由多個(gè)晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)其內(nèi)部由多個(gè)晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)多晶體多晶體晶粒

18、示晶粒示意圖意圖多晶體多晶體晶粒顯晶粒顯微照片微照片多晶體內(nèi)相鄰的兩個(gè)晶粒之間的原子排列取向一多晶體內(nèi)相鄰的兩個(gè)晶粒之間的原子排列取向一般存在著大于般存在著大于15的位向差。的位向差。實(shí)際上在每個(gè)晶粒的內(nèi)部的不同區(qū)域晶格位向也實(shí)際上在每個(gè)晶粒的內(nèi)部的不同區(qū)域晶格位向也可能存在著小差別（可能存在著小差別（102012）（三）（三）亞晶粒亞晶粒：（這些）在晶格位向上彼此有微小差別（這些）在晶格位向上彼此有微小差別的晶內(nèi)小區(qū)域稱為的晶內(nèi)小區(qū)域稱為亞晶粒亞晶粒；與之對(duì)應(yīng)的；與之對(duì)應(yīng)的亞晶粒間的界面稱為亞晶粒間的界面稱為亞晶界亞晶界。二、實(shí)際金屬晶體的缺陷二、實(shí)際金屬晶體的缺陷晶體缺陷晶體缺陷： 實(shí)際晶

19、體中原子排列不規(guī)律的地方。在這實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)律的地方。在這里晶格失去了完整性。里晶格失去了完整性。晶體缺陷按幾何形狀分為晶體缺陷按幾何形狀分為三類三類： （點(diǎn)、線、面）（點(diǎn)、線、面）（一）（一）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：其幾何特征是在其幾何特征是在x、y、z三方向上尺寸三方向上尺寸都很?。ㄔ映叽纾?。都很?。ㄔ映叽纾?。常見的：常見的：空空 位位：在晶格結(jié)點(diǎn)的正常位置上沒在晶格結(jié)點(diǎn)的正常位置上沒有原子（因熱振動(dòng)等離去）。有原子（因熱振動(dòng)等離去）。間隙原子間隙原子：在晶格間隙處有多余的原子。在晶格間隙處有多余的原子?？瘴缓烷g隙原子示意圖空位和間隙原子示意圖點(diǎn)缺陷的存在使周圍晶格點(diǎn)缺陷的存在使周圍晶格

20、發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部?jī)?nèi)應(yīng)發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部?jī)?nèi)應(yīng)力，對(duì)晶體的性能產(chǎn)生影力，對(duì)晶體的性能產(chǎn)生影響。響。其中：間隙原子僅產(chǎn)生正畸變其中：間隙原子僅產(chǎn)生正畸變（原子受壓應(yīng)力）；而空位只（原子受壓應(yīng)力）；而空位只產(chǎn)生負(fù)畸變（原子受拉應(yīng)力）。產(chǎn)生負(fù)畸變（原子受拉應(yīng)力）。 空空 位位間隙原子間隙原子（二）（二）線缺陷線缺陷位錯(cuò)（線）位錯(cuò)（線）：其幾何特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，另一方向上其幾何特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，另一方向上尺寸很大（像一條線）也稱一維缺陷。尺寸很大（像一條線）也稱一維缺陷。位錯(cuò)（位錯(cuò)線）：在晶格中，有規(guī)律錯(cuò)排的原子列位錯(cuò)（位錯(cuò)線）：在晶格中，有規(guī)律錯(cuò)排的原子列。最基本位錯(cuò)之一是最基本位

21、錯(cuò)之一是刃型位錯(cuò)（如圖刃型位錯(cuò)（如圖1-10），），以符號(hào)以符號(hào)“”形象地表形象地表示。示。位錯(cuò)還有其它類型位錯(cuò)還有其它類型的。的。圖圖1-10 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝痪w中位單位晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。位錯(cuò)線可以借助位錯(cuò)線可以借助于電鏡觀察到，呈一于電鏡觀察到，呈一黑線（如圖黑線（如圖1-11）。）。圖圖1-11 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)線實(shí)際晶體中的位錯(cuò)線（三）（三）面缺陷面缺陷晶界和亞晶界晶界和亞晶界：其幾何特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，在另兩個(gè)方其幾何特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，在另兩個(gè)方向上尺寸很大。向上尺寸很大。由于位錯(cuò)存在，將產(chǎn)生畸變（管狀畸變），位錯(cuò)由于位錯(cuò)存

22、在，將產(chǎn)生畸變（管狀畸變），位錯(cuò)在金屬中的密度通常為在金屬中的密度通常為 的存在的存在 放映錄像放映錄像 1041012 cm/cm3，位錯(cuò)，位錯(cuò)對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響。這種晶體缺陷的存在，是晶體中不同晶格位向相這種晶體缺陷的存在，是晶體中不同晶格位向相鄰晶粒之間的過渡所形成的面缺陷（如圖鄰晶粒之間的過渡所形成的面缺陷（如圖1-12a）。）。而而亞晶界亞晶界這種晶體缺陷，是亞晶粒間所存在的微小這種晶體缺陷，是亞晶粒間所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如圖晶格位向差形成的面缺陷（如圖1-12b）?？梢园眩？梢园阉醋魇且环N位錯(cuò)的堆積或稱它看作是一種位錯(cuò)的堆積

23、或稱“位錯(cuò)墻位錯(cuò)墻”。（a）（b）晶界晶界圖圖112 晶界（晶界（a）及亞晶界（及亞晶界（b）示意圖示意圖圖圖112 晶界（晶界（a）及）及亞晶界（亞晶界（b）示意圖）示意圖三、晶體缺陷對(duì)金屬性能的影響三、晶體缺陷對(duì)金屬性能的影響（一）產(chǎn)生偽各向同性：（一）產(chǎn)生偽各向同性：由于金屬是由很多晶粒組成，每個(gè)晶粒雖然有由于金屬是由很多晶粒組成，每個(gè)晶粒雖然有各向異性，但不同位向的各晶粒的綜合作用結(jié)果，各向異性，但不同位向的各晶粒的綜合作用結(jié)果，使實(shí)際金屬的各方向上性能一樣，好象是各向同性使實(shí)際金屬的各方向上性能一樣，好象是各向同性的，所以稱為偽各向同性。的，所以稱為偽各向同性。原因：原因：晶粒平均直

24、徑晶粒平均直徑 =10-110-3mm，1cm3有晶粒有晶粒數(shù)數(shù)106（個(gè)）。（個(gè)）。所以：所以：各晶粒間采長(zhǎng)補(bǔ)短、使性能各向同性，掩蓋各晶粒間采長(zhǎng)補(bǔ)短、使性能各向同性，掩蓋了各向異性。了各向異性。由于在金屬晶體中存在著上述的晶體缺陷，破壞了晶格由于在金屬晶體中存在著上述的晶體缺陷，破壞了晶格原子排列的規(guī)律性和完整性，并導(dǎo)致晶格的局部畸變，從而原子排列的規(guī)律性和完整性，并導(dǎo)致晶格的局部畸變，從而對(duì)金屬的性能、特別是機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響。對(duì)金屬的性能、特別是機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響。（二）對(duì)機(jī)械性能的影響：（二）對(duì)機(jī)械性能的影響：缺陷缺陷晶格發(fā)生畸變晶格發(fā)生畸變畸變能畸變能 提高提高強(qiáng)度（點(diǎn)線缺

25、陷降低韌性）。強(qiáng)度（點(diǎn)線缺陷降低韌性）。晶界晶界細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 晶界面積晶界面積 面缺面缺陷陷 強(qiáng)度并強(qiáng)度并韌性（綜合機(jī)械性能韌性（綜合機(jī)械性能）當(dāng)然缺陷也影響理、化性能當(dāng)然缺陷也影響理、化性能 等等等等耐蝕性耐蝕性電電 阻阻通常情況下，位錯(cuò)密度越高，金屬的強(qiáng)度越大。通常情況下，位錯(cuò)密度越高，金屬的強(qiáng)度越大。通過后面的學(xué)習(xí)我們會(huì)知道，通過劇烈的冷變形可通過后面的學(xué)習(xí)我們會(huì)知道，通過劇烈的冷變形可使晶體的位錯(cuò)密度達(dá)到很高（使晶體的位錯(cuò)密度達(dá)到很高（1012cm/cm3）。）。 提 高 位提 高 位錯(cuò)密度是目前提高金屬?gòu)?qiáng)度的常用手段之一。錯(cuò)密度是目前提高金屬?gòu)?qiáng)度的常用手段之一。通過細(xì)化晶粒提高金

26、屬材料強(qiáng)度和韌性的的方通過細(xì)化晶粒提高金屬材料強(qiáng)度和韌性的的方法稱為法稱為“細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化”1-3 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的基本概念一、結(jié)晶的基本概念（一）凝固與結(jié)晶：（一）凝固與結(jié)晶：凝固凝固 LS 的過程的過程 （由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程）（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程）結(jié)晶結(jié)晶 LS晶晶的過程的過程 （由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體 的過程）的過程）（二）（二）理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度：凡是純?cè)兀ń饘俜彩羌冊(cè)兀ń饘?非金屬）都有一個(gè)嚴(yán)格不變的溫非金屬）都有一個(gè)嚴(yán)格不變的溫度點(diǎn)，在這溫度下，液體與晶體永遠(yuǎn)共存，這個(gè)溫度點(diǎn)，在這溫度下，液體與晶體永遠(yuǎn)共存，這個(gè)溫度就稱為度就稱

27、為 。符號(hào)。符號(hào) 。理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度 T0理論上，上述溫度理論上，上述溫度 就是液態(tài)和晶態(tài)的分界線：就是液態(tài)和晶態(tài)的分界線：當(dāng)當(dāng)TT0時(shí)時(shí)SL （由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)）（由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)）當(dāng)當(dāng)TT0時(shí)時(shí)LS （由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）當(dāng)當(dāng)TT0時(shí)時(shí)LS （液態(tài)、固態(tài)平衡共存）（液態(tài)、固態(tài)平衡共存）（三）自由能：（三）自由能：物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的或能夠物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@部分能量（對(duì)外作功的這部分能量（F）稱為）稱為自由能自由能。任何物體都具有釋放能量，降低能量使其趨于任何物體都具有釋放能量，降低能量使其趨于穩(wěn)定平衡的趨勢(shì)，如高處的

28、物質(zhì)，不同溫度的兩物穩(wěn)定平衡的趨勢(shì)，如高處的物質(zhì)，不同溫度的兩物體接觸，而結(jié)晶或凝固的過程就是一個(gè)降低能量的體接觸，而結(jié)晶或凝固的過程就是一個(gè)降低能量的過程，其驅(qū)動(dòng)力，就是過程，其驅(qū)動(dòng)力，就是 ?！白杂赡懿钭杂赡懿睢保‵）T0FSTTTnT0FLFFL FS溫度溫度T自自由由能能F如右圖，液體、晶體的原如右圖，液體、晶體的原子結(jié)構(gòu)不同，所以，其自由能子結(jié)構(gòu)不同，所以，其自由能F隨溫度隨溫度T的變化也不同。的變化也不同。T F；但但FLFS， 交點(diǎn)交點(diǎn)T0當(dāng)當(dāng)TnT0時(shí)時(shí) F=FL-FS L S晶晶當(dāng)當(dāng)TnT0時(shí)時(shí) F=FS-FL S晶晶L當(dāng)當(dāng)TnT0時(shí)時(shí) F=0 S晶晶L可見，可見，自由能差自

29、由能差F是靠是靠T=T0Tn來獲得的，來獲得的，所以，所以，T是結(jié)晶過程中的一個(gè)重要參數(shù)。是結(jié)晶過程中的一個(gè)重要參數(shù)。無驅(qū)動(dòng)力，如平面上無驅(qū)動(dòng)力，如平面上的球、等溫的兩物體的球、等溫的兩物體說明：說明：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn總是要低于理論結(jié)晶總是要低于理論結(jié)晶溫度溫度T0。（四）過冷度：（四）過冷度：實(shí)際結(jié)晶溫度（實(shí)際結(jié)晶溫度（Tn）與平衡結(jié)晶溫度（）與平衡結(jié)晶溫度（T0）之差：）之差： T=T0-Tn過冷度過冷度T越大則越大則F越大、則結(jié)晶驅(qū)動(dòng)越大、則結(jié)晶驅(qū)動(dòng)越大，結(jié)晶傾向也越大。越大，結(jié)晶傾向也越大。一般情況下，一般情況下，結(jié)晶潛熱：結(jié)晶潛熱：在液體向晶體結(jié)晶過程中，自由

30、能差所產(chǎn)在液體向晶體結(jié)晶過程中，自由能差所產(chǎn)生的剩余能量將以熱的形式向外界釋放，生的剩余能量將以熱的形式向外界釋放，我們稱之為我們稱之為“結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱”。過冷度越大，則自由能差越大，結(jié)晶潛熱也越大；另外，過冷度越大，則自由能差越大，結(jié)晶潛熱也越大；另外，結(jié)晶時(shí)的潛熱析出將補(bǔ)償晶體物質(zhì)向環(huán)境散熱引起的溫度下降，結(jié)晶時(shí)的潛熱析出將補(bǔ)償晶體物質(zhì)向環(huán)境散熱引起的溫度下降，使過冷度減小。其結(jié)果將形成一種動(dòng)態(tài)平衡，可使過冷度使過冷度減小。其結(jié)果將形成一種動(dòng)態(tài)平衡，可使過冷度T保持不變，換句話說，在一定的環(huán)境條件下，晶體的結(jié)晶溫度保持不變，換句話說，在一定的環(huán)境條件下，晶體的結(jié)晶溫度是不變的，結(jié)晶過程是

31、在恒溫下進(jìn)行的，直至結(jié)晶結(jié)束。是不變的，結(jié)晶過程是在恒溫下進(jìn)行的，直至結(jié)晶結(jié)束。利用上述現(xiàn)象，我們可以進(jìn)行晶體實(shí)際結(jié)晶溫度利用上述現(xiàn)象，我們可以進(jìn)行晶體實(shí)際結(jié)晶溫度的測(cè)量，這種測(cè)量方法稱為的測(cè)量，這種測(cè)量方法稱為“ ”。此法是將。此法是將被測(cè)定的晶體先加熱融化，然后以緩慢的速度進(jìn)行冷被測(cè)定的晶體先加熱融化，然后以緩慢的速度進(jìn)行冷卻，冷速越慢，過冷度卻，冷速越慢，過冷度T就越小，測(cè)得的實(shí)際結(jié)晶就越小，測(cè)得的實(shí)際結(jié)晶溫度就越接近理論結(jié)晶溫度。在冷卻過程中，將溫度溫度就越接近理論結(jié)晶溫度。在冷卻過程中，將溫度隨時(shí)間的變化記錄下來，對(duì)純?cè)鼐w，就可得到如隨時(shí)間的變化記錄下來，對(duì)純?cè)鼐w，就可得到如

32、下圖所示的下圖所示的“冷卻曲線冷卻曲線”。熱分析法熱分析法TTT0 Tn純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖（五）（五）冷卻曲線冷卻曲線：物體在液態(tài)冷卻結(jié)晶過程中所物體在液態(tài)冷卻結(jié)晶過程中所作出的作出的-T曲線。（如右圖）曲線。（如右圖）冷卻曲線中出現(xiàn)的水平臺(tái)階的冷卻曲線中出現(xiàn)的水平臺(tái)階的溫度就是溫度就是實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度。二、金屬結(jié)晶的基本過程二、金屬結(jié)晶的基本過程基本過程基本過程：晶核的形成與晶核：晶核的形成與晶核的長(zhǎng)大。的長(zhǎng)大。(如左圖所示如左圖所示)（一）晶核的形成（一）晶核的形成金屬結(jié)晶時(shí)金屬結(jié)晶時(shí)1. 均勻形核或自發(fā)形核：均勻形核或自發(fā)形核：形核時(shí)由該金屬本身在液

33、形核時(shí)由該金屬本身在液體中直接產(chǎn)生晶核。體中直接產(chǎn)生晶核。形核方式有兩種：形核方式有兩種：液體金屬中原子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，因此原子排列是混亂的。但在接近液體金屬中原子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，因此原子排列是混亂的。但在接近結(jié)晶溫度時(shí)，液體金屬中也會(huì)出現(xiàn)一些小范圍規(guī)則排列的原子集團(tuán)。結(jié)晶溫度時(shí)，液體金屬中也會(huì)出現(xiàn)一些小范圍規(guī)則排列的原子集團(tuán)。當(dāng)這種原子集團(tuán)的半徑大于某一個(gè)臨界值當(dāng)這種原子集團(tuán)的半徑大于某一個(gè)臨界值rc時(shí)，它們繼續(xù)長(zhǎng)大會(huì)造成系時(shí)，它們繼續(xù)長(zhǎng)大會(huì)造成系統(tǒng)自由能的降低，因而能自發(fā)的長(zhǎng)大，這些原子集團(tuán)就會(huì)成為結(jié)晶核統(tǒng)自由能的降低，因而能自發(fā)的長(zhǎng)大，這些原子集團(tuán)就會(huì)成為結(jié)晶核心。心。rc稱為晶核的稱為晶核的臨

34、界半徑臨界半徑，它隨過冷度的增大而減小。在過冷度較大，它隨過冷度的增大而減小。在過冷度較大時(shí)，原來不能成為結(jié)晶核心的小原子團(tuán)也可能成為結(jié)晶核心。時(shí)，原來不能成為結(jié)晶核心的小原子團(tuán)也可能成為結(jié)晶核心。2. 不均勻形核或非自發(fā)形核：不均勻形核或非自發(fā)形核：形核時(shí)以已有的模壁或液體中未熔的高熔形核時(shí)以已有的模壁或液體中未熔的高熔點(diǎn)雜質(zhì)顆粒等外來質(zhì)點(diǎn)作為結(jié)晶的核心。點(diǎn)雜質(zhì)顆粒等外來質(zhì)點(diǎn)作為結(jié)晶的核心。晶核：晶核：就是能真正成長(zhǎng)為晶體的原子集團(tuán)。就是能真正成長(zhǎng)為晶體的原子集團(tuán)。（二）晶核的長(zhǎng)大（二）晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式： 金屬的長(zhǎng)大形式通常是金屬的長(zhǎng)大形式通常是枝晶長(zhǎng)大枝晶長(zhǎng)大（如圖）

35、（如圖）三、金屬鑄錠及金屬鑄件三、金屬鑄錠及金屬鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬通常是在鑄模或鑄型中凝固成在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬通常是在鑄模或鑄型中凝固成固態(tài)的，可分別得到固態(tài)的，可分別得到金屬鑄錠金屬鑄錠（具有一定形狀的金屬塊，通（具有一定形狀的金屬塊，通常需經(jīng)一定的塑性加工變形后再使用）或常需經(jīng)一定的塑性加工變形后再使用）或鑄件鑄件（具有特定產(chǎn)（具有特定產(chǎn)品形狀的金屬部件，通?？山?jīng)過一定的切削加工或不加工而品形狀的金屬部件，通?？山?jīng)過一定的切削加工或不加工而直接使用）。這個(gè)過程可稱為直接使用）。這個(gè)過程可稱為鑄造鑄造。對(duì)于金屬鑄錠，一般由表層細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶對(duì)于金屬鑄錠，一般由表層細(xì)晶粒區(qū)、柱狀

36、晶粒區(qū)和中心等軸晶粒區(qū)粒區(qū)和中心等軸晶粒區(qū) 。（一）（一） 表面細(xì)晶粒區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)模壁模壁T冷卻速度冷卻速度+人工晶核（模壁）人工晶核（模壁）晶粒等軸、細(xì)小、均勻。晶粒等軸、細(xì)小、均勻。三個(gè)部分組成三個(gè)部分組成（二）柱狀晶區(qū)（二）柱狀晶區(qū)隨 時(shí) 間 推 移隨 時(shí) 間 推 移 模型模型T冷卻速度冷卻速度T形核率下形核率下降降向模壁定向散熱向模壁定向散熱 晶粒定向長(zhǎng)大晶粒定向長(zhǎng)大 柱柱狀狀晶晶（三）中心等軸晶區(qū)（三）中心等軸晶區(qū)隨 時(shí) 間 進(jìn) 一 步 推 移隨 時(shí) 間 進(jìn) 一 步 推 移 散 熱 能 力散 熱 能 力 散熱方向性散熱方向性均勻冷卻且冷卻速度均勻冷卻且冷卻速度又：雜質(zhì)聚集，枝晶折斷又：雜質(zhì)聚集，枝晶折斷 晶核晶核 各向均長(zhǎng)大各向均長(zhǎng)大粗等軸晶粗等軸晶金屬鑄錠示意圖金屬