第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶教學目的及要求通過本章的學習，使學生掌握常用純金屬的結(jié)構(gòu)特點和性能特點，建立金屬材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。主要內(nèi)容1 材料的結(jié)合方式2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學時安排講課2學時。教學重點1金屬的三種典型的晶體結(jié)構(gòu)2晶體缺陷及其對性能的影響3純金屬的結(jié)晶過程教學難點1 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)2 各類缺陷對結(jié)構(gòu)及性能的影響第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)：指在晶體內(nèi)部，原子、離子或原子集團規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。晶格：為了便于分析研究，通常把將晶體中實際存在的原子、離子或原子集團等物質(zhì)質(zhì)點，抽象為空間中純粹的幾何點，而完全忽略它

2、的物質(zhì)性，這些抽象的幾何點稱為陣點。用假想的直線把這些陣點連接起來，得到周期性規(guī)則排列的三維空間格子稱為晶格。晶胞：組成晶格的能反映其特征和規(guī)律的最基本幾何單元，稱為晶胞。晶格可以看作是由許多大小和形狀完全相同的晶胞緊密地堆垛在一起而成的。晶格常數(shù)：晶胞各棱邊的長度用a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)或點陣常數(shù)，其大小通常以埃為計量單位。晶胞各邊之間的相互夾角分別以、表示。a、b、c、稱為晶胞的六個參數(shù)。 在研究晶體結(jié)構(gòu)時，通常以晶胞作為代表來考查。配位數(shù)和致密度 ：表示晶格中原子排列的緊密程度。配位數(shù)：指晶格中與任一原子處于相距最近并距離相等的原子數(shù)目；致密度（K）：指晶胞中原子排列的致密程度，即

3、晶胞中原子所占的體積與晶胞體積（V）的比值，比值K越大，致密度越大。二、金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)類型 三種典型晶體結(jié)構(gòu)特征：特征晶格晶胞內(nèi)原子數(shù)r與a的關(guān)系配位數(shù)致密度最密排原子面最密排原子方向典型金屬體心立方（bcc）2r=a/480.68110< 111>a-Fe,W ,Cr,Mo,V面心立方（fcc）4r=a/4120.74111< 110>Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pb、gFe密排六方（hcp）6r=a/2120.740001< 110>Ti、Zr、Mg、Zn晶體結(jié)構(gòu)與材料性能： （一般規(guī)律）面心立方的金屬塑性最好，體心立方次之，密排六方的金屬較差。

4、第二節(jié) 實際金屬中的晶體缺陷一、常見晶體缺陷及分類晶體缺陷：實際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。分類：按空間尺寸分為三種。1點缺陷。不規(guī)則區(qū)域在空間三個方向上的尺寸都很小，主要是空位、置換原子、間隙原子。2線缺陷。不規(guī)則區(qū)域在一個方向的尺寸很大，在另外兩個方向的尺寸都很小，主要是位錯。3面缺陷：不規(guī)則區(qū)域在兩個方向的尺寸很大，在另外一個方向的尺寸很小，主要是晶界和亞晶界。二、晶體缺陷對晶體性能的影響 1點缺陷周圍晶格發(fā)生畸變，材料的屈服強度提高，塑性韌性下降，電阻增加。2線缺陷附近的晶格畸變，對強度影響顯著。強度的變化與位錯密度有關(guān)。位錯密度很低或者很高時，晶體的強度比較高。3面缺陷：晶格

5、發(fā)生畸變，晶界增多能顯著提高材料的強度，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。細晶強化：通過細化晶粒而使材料強度提高的方法稱為細晶強化，是強化材料的方法之一。第三節(jié) 金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的概念凝固：是物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶：是物質(zhì)由液態(tài)凝固為固態(tài)晶體的過程。金屬的結(jié)晶：是指液態(tài)金屬凝固成固態(tài)金屬晶體的過程。一次結(jié)晶：一是從液態(tài)到固態(tài)晶體的過程；二次結(jié)晶：從固態(tài)晶體到另一種固態(tài)晶體的過程。二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的特點是：“近程有序，遠程無序”。在液態(tài)金屬中，近程規(guī)則排列的原子集團處于時聚時散、此起彼伏的變化狀態(tài)，為金屬結(jié)晶提供了重要的結(jié)構(gòu)條件。三、純金屬的

6、結(jié)晶過程1從宏觀角度看結(jié)晶規(guī)律：（1）金屬的結(jié)晶是在一定的過冷度下完成的，即存在過冷現(xiàn)象。（2）結(jié)晶過程是在恒溫下完成的。 過冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實際結(jié)晶溫度T1之差。2從微觀的角度：包括晶核的形成和長大兩個基本過程。 液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時，首先形成晶核，在繼續(xù)冷卻的過程中，晶核吸收周圍的原子而長大成小的晶粒，與此同時，又有新的晶核不斷形核和長大，直至相鄰晶粒彼此接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶成金屬晶體。大多數(shù)金屬為多晶體。（1）形核方式自發(fā)形核：液態(tài)金屬中時聚時散的原子集團是自發(fā)形核的核心，形核均勻，但形核速度慢。非自發(fā)形核：依靠容器壁、金屬液體中的未熔顆粒和雜質(zhì)形核，形核率高，速度快。（2）長大方式：過冷度較小時，以平面方式長大；過冷度較大時，以樹枝晶形式長大。四、晶粒大小的控制1晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的指標。工業(yè)上，通常采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標準晶粒度一般分為八級，一級最粗，八級最細。晶粒度級別越高，晶粒越細。工業(yè)中常用的細晶粒是78級，晶粒尺寸為0.022mm。2.晶粒大小對力學性能的影響一般地，金屬的晶粒越細，常溫下的力學性能越好。3晶粒大小的控制形核率（N）：單位時間單位體積內(nèi)形成