金屬晶體結(jié)構(gòu)

1、金屬與合金的金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與晶格固體物質(zhì)按其原子排列的特征，可分為晶體和非晶體。非晶體 原子作不規(guī)則的排列，如松香、玻璃、瀝青等。晶體 原子則按一定次序作有規(guī)則的排列，如金剛石、石墨及固態(tài)金屬等。兩者的性能差異：晶體具有一定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)，非晶體沒有；晶體具有各向異性，非晶體各向同性等。 晶體中原子在空間是按一定規(guī)律堆砌排列的。晶格 為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，有必要把原子抽象化，把每個(gè)原子看成一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)代表原子的振動(dòng)中心。把這些點(diǎn)用直線連接起來(lái)，便形成一個(gè)空間格子，叫做晶格。2.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)點(diǎn) 晶格中每個(gè)點(diǎn)叫結(jié)

2、點(diǎn)。晶胞 晶格的最小單元叫做晶胞，它能代表整個(gè)晶格的原子排列規(guī)律。結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)晶胞晶胞晶格常數(shù) 晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度叫做晶格常數(shù)，其大小用來(lái)度量（1 =10-8cm）。晶格常數(shù)a=b=c，而=90o的晶胞為簡(jiǎn)單立方晶胞 。 2.1.2 最常見的晶格類型1、體心立方晶格a）原子分布在立方晶體的各個(gè)結(jié)點(diǎn)及中心。b）每個(gè)體心立方晶胞中僅包含2個(gè)原子。c）致密度0.68屬于這類晶格的金屬有：-Fe、Cr、V、W、Mo等。2、面心立方晶格a）原子分布在立方晶體的各個(gè)結(jié)點(diǎn)及中心。b）每個(gè)體心立方晶胞中僅包含4個(gè)原子。c）致密度0.74屬于這類晶格的金屬有：-Fe、Al、Cu、Pb等。3、密排六方晶格a）原子分布

3、在各個(gè)結(jié)點(diǎn)及上下兩個(gè)正六方面的中心，另外在六方柱體中心還有三個(gè)原子。b）每個(gè)密排六方晶胞中包含6個(gè)原子。c）致密度0.74屬于這類晶格的金屬有：Mg、Zn等。2.1.3 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬都是由許多小晶體組成的多晶體，每個(gè)小晶體稱為晶粒。如果一整塊金屬僅由一個(gè)晶粒組成，則稱為單晶體。反之則為多晶體。晶界：晶粒與晶粒之間的界面。顯微組織：在顯微鏡下觀察到的晶粒的大小、形態(tài)和分布。1、單晶體和多晶體在實(shí)際金屬晶體中，存在原子不規(guī)則排列的局部區(qū)域，這些區(qū)域稱為晶體缺陷。按缺陷的幾何形態(tài)分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。三種晶體缺陷都會(huì)造成晶格畸變，使變形抗力增大，從而提高材料的強(qiáng)度、硬

4、度。 2、晶體缺陷1）點(diǎn)缺陷：空位和間隙原子 晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位；某個(gè)晶格間隙擠進(jìn)了原子，稱為間隙原子?？瘴慌c間隙原子周圍的晶格偏離了理想晶格，即發(fā)生了“晶格畸變”。點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度。 2）線缺陷：即位錯(cuò) 在晶體中，有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。 位錯(cuò)對(duì)金屬的性能有著重要影響3）面缺陷：晶界和亞晶界 晶界是晶粒與晶粒之間的界面，另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，亞晶粒的交界稱為亞晶界。2.2 金屬的結(jié)晶液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。液態(tài)金屬的凝固過

5、程就稱為結(jié)晶。 1、結(jié)晶2、冷卻曲線與過冷度1)冷卻曲線：是溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，可用來(lái)描述金屬的結(jié)晶規(guī)律。通過熱分析法測(cè)量繪制，即使熔化后的液體金屬緩慢冷卻，每隔一定時(shí)間記錄下溫度值，將溫度T和對(duì)應(yīng)時(shí)間t繪制成T-t曲線。 時(shí)間t溫度TT0Tn 2)過冷度 圖中T0為理論結(jié)晶溫度，金屬實(shí)際結(jié)晶溫度(Tn)總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象。而 過冷度T=T0TnT=T0Tn2、結(jié)晶的過程晶核的形成和長(zhǎng)大過程3、金屬結(jié)晶后的晶粒大小一般來(lái)說，晶粒愈細(xì)，強(qiáng)度和硬度愈高，同時(shí)塑性和韌性也愈好。晶粒大小控制: 晶核數(shù)目: 多細(xì)(晶核長(zhǎng)得慢也細(xì))冷卻速度: 快細(xì)(因冷卻速度受限,故多加外來(lái)質(zhì)點(diǎn))

6、晶粒粗細(xì)對(duì)機(jī)械性能有很大影響,若晶粒需細(xì)化,則從上述兩方面入手.細(xì)化晶粒的方法細(xì)化晶粒的方法 1、過冷度大：冷卻速度愈大，過冷度愈大，晶 粒愈細(xì)。2、變質(zhì)處理：在實(shí)際生產(chǎn)中，有意向金屬液中加入某些物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發(fā)晶核，從而獲得細(xì)小的鑄造晶粒，這種處理方法稱為變質(zhì)處理。3、振動(dòng)：對(duì)正在結(jié)晶的金屬施以機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)，均可使樹枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒細(xì)化。2.3 二元合金相圖二元合金相圖一、基本概念 1、合金 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的、具有金屬特征的物質(zhì)稱為合金。 2、組元 組元是指組成合

7、金的最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)。根據(jù)組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三元合金等。 3、顯微組織 在顯微鏡下觀察到的組成相的種類、大小、形態(tài)和分布稱為顯微組織，簡(jiǎn)稱組織，因此相是組成組織的基本物質(zhì)。金屬的組織對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響。 3、合金系 合金系是指有相同組元，而成分比例不同的一系列合金。4、相 相是指在合金中，凡成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。二、合金中的相結(jié)構(gòu) 合金中常見的相有： 液相 純金屬 固溶體 金屬化合物。1、固溶體 溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的合金。 特點(diǎn)：其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仍保持溶劑金屬的結(jié)構(gòu)，只是由于溶質(zhì)原子的溶入引起晶格參數(shù)發(fā)生改變。

8、固溶強(qiáng)化由于各原子大小不一，化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，無(wú)論組成置換固溶體還是間隙固溶體，都造成固溶體的晶格扭曲。結(jié)果，固溶體的強(qiáng)度和硬度升高。置換固溶體置換固溶體 當(dāng)合金中的二組元的原子半徑相近時(shí)，更易形成這種置換固溶體。有些置換固溶體的溶解度有限，稱有限固溶體，但當(dāng)溶劑與溶質(zhì)原子的半徑相當(dāng)，并具有相同的晶格類型時(shí)，它們可以按任意比例溶解，這種置換固溶體稱為無(wú)限固溶體。溶劑結(jié)點(diǎn)上的部分原子被溶質(zhì)原子替代所形成的固溶體溶劑結(jié)點(diǎn)上的部分原子被溶質(zhì)原子替代所形成的固溶體間隙固溶體： 溶質(zhì)原子在固溶體中處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置。 溶質(zhì)原子不占據(jù)正常的晶格結(jié)點(diǎn)，而是嵌入晶格間隙中，由于溶劑的間隙尺寸和數(shù)量有

9、限，所以只有原子半徑較小的溶質(zhì)（如碳、氮、硼等非金屬元素）才能溶入溶劑中形成間隙固溶體，且這種固溶體的溶解度有限。固溶體的性能：固溶體與純金屬相比，不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，還有良好的塑性與韌性。一般合金都是以固溶體作為基體相。 固溶強(qiáng)化：無(wú)論形成哪種固溶體，都將破壞原子的規(guī)則排列，使晶格發(fā)生畸變，隨著溶質(zhì)原子數(shù)量的增加，晶格畸變?cè)龃?。晶格畸變?dǎo)致變形抗力增加，使固溶體的強(qiáng)度增加，所以獲得固溶體可提高合金的強(qiáng)度、硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料性能的重要途徑之一。 2、金屬化合物 合金元素間相互作用而形成的新相。 特點(diǎn)： 1）其晶格類型和性能不同于任一組元； 2）一般具有更復(fù)雜

10、的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆； 3）能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。 4）它的組成一般可用分子式來(lái)表示 如碳素鋼中的Fe3C、銅鋁合金中的CuAl2、合金鋼中的Cr23C6及Fe4W2C等都是金屬化合物。 二、二元合金相圖相圖測(cè)定方法：相圖測(cè)定方法：最常用的相圖測(cè)定方法為熱分析法，即對(duì)合金系中不同成分的合金進(jìn)行加熱熔化，觀察在極其緩慢加熱和冷卻過程中內(nèi)部組織的變化，測(cè)出其相變臨界點(diǎn)，并標(biāo)于“溫度成分”坐標(biāo)中，繪成相圖。1、二元合金相圖的建立1）配置各種成分的合金；2）測(cè)定每一種合金在緩冷條件下的冷卻曲線，得到臨界點(diǎn)；3）建立坐標(biāo)系。作出臨界點(diǎn)4）連接開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)并標(biāo)注

11、數(shù)字、字母和各區(qū)內(nèi)的相或組織名稱。以以Cu-Ni合金為例合金為例,說明二元合金相圖的建立說明二元合金相圖的建立時(shí)間時(shí)間溫度溫度I合金成分Cu:100%Ni:0%CuNi80604020IIIIIIVVVI合金成分Cu:0%Ni:100%合金成分Cu:80%Ni:20%合金成分Cu:60%Ni:40%合金成分Cu:40%Ni:60%合金成分Cu:20%Ni:80%溫度溫度二元合金相圖分析二元合金相圖分析一個(gè)液相區(qū)，位于相圖的最上方，常用L表示；一個(gè)固相區(qū)，位于相圖的下方，用表示；1、相圖分析、相圖分析位于兩個(gè)區(qū)之間的區(qū)域則是液、固共存區(qū)。用 + L 表示該點(diǎn)表示純Cu的熔點(diǎn)該點(diǎn)表示純Ni的熔點(diǎn)現(xiàn)以含Ni 40%的合金為例來(lái)分析其結(jié)晶過程當(dāng)合金溫度高于A點(diǎn)溫度時(shí)，合金處于液態(tài)當(dāng)合金由高溫緩