第二章材料

1、2.1金屬的晶體結構金屬的晶體結構2.2合金的晶體結構合金的晶體結構2.3實際金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構2.4純金屬的結晶與同素異晶轉(zhuǎn)變純金屬的結晶與同素異晶轉(zhuǎn)變第第2章章 金屬與合金的晶體結構金屬與合金的晶體結構2.1 金屬的晶體結構n2.1.1晶體的基礎知識晶體的基礎知識n1.晶體和非晶體晶體和非晶體n晶體晶體內(nèi)部原子、離子、分子和其他原子內(nèi)部原子、離子、分子和其他原子集團的排列有對稱性、周期性、有序性的集團的排列有對稱性、周期性、有序性的規(guī)律，如金屬材料、光學材料等。規(guī)律，如金屬材料、光學材料等。n非晶體非晶體-內(nèi)部原子的排列不十分規(guī)則，甚至內(nèi)部原子的排列不十分規(guī)則，甚至毫無規(guī)則，

2、如松香、玻璃等毫無規(guī)則，如松香、玻璃等晶體與非晶體晶體與非晶體1. 1. 晶體晶體：指原子呈規(guī)則、周期性排列的固體指原子呈規(guī)則、周期性排列的固體。常態(tài)下金屬主要常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。以晶體形式存在。晶體具有各向異性。 非晶體：原子呈無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為非晶體：原子呈無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液過冷液體體”或或“無定形體無定形體”。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。2. 2. 區(qū)別區(qū)別(a)(a)是否具有周期性、對稱性是否具有周期性、對稱性(b)(b)是否長程有序是否長程有序(c)(c)是否有確定的熔點是否有確定

3、的熔點(d)(d)是否各向異性是否各向異性金屬的結構金屬的結構晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結構的結構晶面晶向晶晶 格格晶晶 面面晶晶 向向晶晶 胞胞返回主頁2.晶格、晶胞、晶格常數(shù)晶格、晶胞、晶格常數(shù)2. 2. 金屬的結晶：原子由金屬的結晶：原子由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。有晶體形成變的過程。有晶體形成。1. 1. 三種常見的金屬的晶格三種常見的金屬的晶格類型：類型： 體心立方體心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架間格架。直線的交點（即原子中心）稱。直線的交

4、點（即原子中心）稱結點結點。由結點形成由結點形成的空間的陣列稱的空間的陣列稱空間點陣空間點陣。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元. .3 3）晶胞的描述）晶胞的描述 晶體學參數(shù)：晶體學參數(shù)：a,b,c,a,b,c,晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a,b,ca,b,c4)4)晶系：晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，根據(jù)晶胞參數(shù)不同， 將晶體分為七種晶系。將晶體分為七種晶系。90%90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=ca=b=c， = = = = =90=90 六方晶系六方晶系：a1=a2=a3a1=a2=

5、a3 c, c, = = =90=90 , , =120=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜2.2.三種典型的金屬晶體晶胞三種典型的金屬晶體晶胞( (1 1）體心立方晶胞）體心立方晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a( (a a= =b b= =c c) )ar43 原子半徑：原子半徑：原子個數(shù)原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等等（2 2）面心立方晶胞）面心立方晶胞 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a aa42r ：原原子子半半徑徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：4 4配位數(shù)：配位數(shù)： 1212致密度：致密度：0.

6、740.74常見金屬：常見金屬： -Fe-Fe、NiNi、 AlAl、CuCu、PbPb等等(3)(3)密排六方晶胞密排六方晶胞 晶格常數(shù)：底面邊長晶格常數(shù)：底面邊長 a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.633a21r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6 6配位數(shù)：配位數(shù)： 1212致密度：致密度：0.740.74常見金屬：常見金屬： MgMg、ZnZn、Be、Cd等等 1.合金合金是指由一種金屬元素與另一種或幾種其他元素，是指由一種金屬元素與另一種或幾種其他元素，通過一定方法結合在一起的具有通過一定方法結合在一起的具有金屬特性金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。Al-Cu兩相

7、合金兩相合金2.2 2.2 合金合金的晶體結構的晶體結構 2.組元組元合金的最基本的、合金的最基本的、穩(wěn)定的組成部分。穩(wěn)定的組成部分。分為分為二元合金、三元合金及二元合金、三元合金及多元合金。多元合金。n3.相相是合金組織的基本組成部分。是合金組織的基本組成部分。n組織組織實質(zhì)上是指用肉眼或在顯微實質(zhì)上是指用肉眼或在顯微鏡所觀察到的不同相或相的鏡所觀察到的不同相或相的形態(tài)、形態(tài)、分布及各相之間分布及各相之間的組合狀態(tài)。的組合狀態(tài)。n2.2.2合金的晶體結構合金的晶體結構n鐵碳鐵碳合金中的合金中的組織組織分為分為固溶體固溶體、金屬化合物金屬化合物和和機械混合物機械混合物三三類。類。1 1、固溶體

8、、固溶體合金組元通過溶解形成一種成分均勻、性能穩(wěn)定的，合金組元通過溶解形成一種成分均勻、性能穩(wěn)定的，且晶格類型與其中某一組元的晶格類型相同的固態(tài)相且晶格類型與其中某一組元的晶格類型相同的固態(tài)相稱為固溶體稱為固溶體A A（B B）。）。A A：溶劑：溶劑 B B：溶質(zhì)：溶質(zhì)分類分類1 1）按溶質(zhì)原子的位置分）按溶質(zhì)原子的位置分置換固溶體置換固溶體 其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子點陣位置的其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子點陣位置的 固溶體。晶格類型相同固溶體。晶格類型相同, ,原子半徑相差原子半徑相差 不大不大, ,電化學性質(zhì)相近電化學性質(zhì)相近. .間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子位于溶劑原子點陣的間隙位溶質(zhì)原子

9、位于溶劑原子點陣的間隙位 置中的固溶體，置中的固溶體， 原子半徑較小。原子半徑較小。2 2）按溶解度分）按溶解度分 有限固溶體有限固溶體 無限固溶體無限固溶體3 3）按分布有序度分）按分布有序度分 有序固溶體有序固溶體 無序固溶體無序固溶體 固溶強化固溶強化 由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。 溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入晶格畸變晶格畸變位錯運動阻力上升位錯運動阻力上升金屬金屬塑性變形困難塑性變形困難強度、硬度升高。強度、硬度升高。 金屬化合物金屬化合物 定義：定義：合金相

10、中，組成合金的幾種原子有固定的比例，而且合金相中，組成合金的幾種原子有固定的比例，而且晶體結構與組成組元均不同，則這種合金相稱晶體結構與組成組元均不同，則這種合金相稱金屬化合物金屬化合物。 金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。示其組成。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，但提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3C機械混合機械混合物物 機械混合物機械混合物是各組元在固態(tài)下

11、既互不溶解，又不形成金屬化合物是各組元在固態(tài)下既互不溶解，又不形成金屬化合物，而是按照一定的重量比例，以混合的方式存在著，形成各組元，而是按照一定的重量比例，以混合的方式存在著，形成各組元晶體的機械混合物。晶體的機械混合物。它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。間的混合。機械混合物各相保持原有的晶格，因此，機械混合物的性能介于機械混合物各相保持原有的晶格，因此，機械混合物的性能介于各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還于各相的形各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還于各相的形狀、大小和分布有關。

12、狀、大小和分布有關。如：青銅、鋼、生鐵等如：青銅、鋼、生鐵等 2.3實際金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構 理想晶體理想晶體+ +晶體缺陷晶體缺陷實際晶體實際晶體 實際晶體實際晶體單晶體和多晶體單晶體和多晶體 單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶體多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，各向：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，各向 異性異性 1 1晶體缺陷晶體缺陷實際晶體中存在著偏離（破壞實際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分）晶格周期性和規(guī)則性的部分(1)(1)點缺陷點缺陷晶格結點處或晶格結點處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的間隙處

13、，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化變化 空位空位 晶格結點處無原子晶格結點處無原子 置換原子置換原子 晶格結點處為其它原子占據(jù)晶格結點處為其它原子占據(jù) 間隙原子間隙原子 原子占據(jù)晶格間隙原子占據(jù)晶格間隙 空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變晶格畸變。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。 刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯(2)(2)線缺陷線缺陷( (位錯位錯) ) 二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排

14、位錯位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。有。有刃型位錯刃型位錯和和螺型螺型位錯位錯兩種類型。兩種類型。n刃型位錯：刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是是刃型位錯刃型位錯。n半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的稱半原

15、子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“”表示。表示。電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)(3)(3)面缺陷面缺陷 一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域。分為晶一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域。分為晶界、亞晶界、表面等界、亞晶界、表面等 晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5 5- -1010個原子間距，個原子間距，位位向差一般為向差一般為2020- -4040。位向差很小（。位向差很?。?0 10 - -2 2 ) )的小晶塊為的小晶塊為亞晶粒亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱。亞晶粒之間的交界面稱

16、亞晶界亞晶界。亞晶界也可看作。亞晶界也可看作位錯壁位錯壁。2.4.1金屬的結晶過程金屬的結晶過程結晶結晶是金屬由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體是金屬由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的現(xiàn)象的現(xiàn)象1.1.冷卻曲線與過冷度冷卻曲線與過冷度1 1）冷卻曲線）冷卻曲線金屬結晶時溫度與時間的關系曲線金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上水平階段所對曲線上水平階段所對應的溫度稱應的溫度稱實際結晶溫度實際結晶溫度T1T1。曲線上水平階段是由于結晶時放出曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。結晶潛熱引起的。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線2.4 2.4 純金屬的結晶與同素異晶轉(zhuǎn)變純金屬的結晶與同素異晶轉(zhuǎn)

17、變2）過冷與過冷度過冷與過冷度液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象稱過液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象稱過冷冷。理論結晶溫度與實際結晶溫度的差理論結晶溫度與實際結晶溫度的差 T稱稱過冷過冷度度。 T= T0 T1過冷度大小與冷卻速過冷度大小與冷卻速度有關，度有關，冷速越大，冷速越大， 過冷度越大。過冷度越大。2.純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程1 1）結晶的基本過程結晶的基本過程 結晶由結晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的長大的長大兩個基本過程組成兩個基本過程組成。 液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為時聚時散

18、，稱為晶坯晶坯。在。在T0以下，經(jīng)一段時間后以下，經(jīng)一段時間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，稱（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為為晶核晶核。界面自由能界面自由能體積自由能體積自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能變化自由能變化G 晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶核產(chǎn)生。核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。觸后形成晶界。晶粒晶粒晶界晶界實際的金屬材料基本都是多晶體實際的金屬材料基本都是多晶體樹枝狀結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金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶n3.鑄件晶粒組織1.表面細晶粒區(qū)表面細晶粒區(qū)2.柱狀晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)3.中心等軸晶粒區(qū)中心等軸晶粒區(qū)n金屬鑄錠三種晶粒區(qū)金屬鑄錠三種晶粒區(qū)n1、表面細晶粒區(qū)、表面細晶粒區(qū)n晶粒細小、區(qū)域厚度較小、組織致密、成分均勻、力學性能較好。n2、柱狀晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)n這種組織在鍛造和軋制時，容易使金屬沿接合面開裂。n3、中心等軸晶粒區(qū)