第一章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、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)晶教學(xué)目的：教學(xué)目的：1、掌握三種典型金屬晶格的特性和晶胞中晶面、掌握三種典型金屬晶格的特性和晶胞中晶面、晶向的表示方法晶向的表示方法;2、了解金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷的種類、主要、了解金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷的種類、主要形式及其對材料性能的影響；形式及其對材料性能的影響；3 、了解金屬的結(jié)晶規(guī)律；、了解金屬的結(jié)晶規(guī)律；本章重點：本章重點：1、三種典型金屬晶格及其特性、三種典型金屬晶格及其特性2、金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷及其對材料性能的、金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷及其對材料性能的影響影響2本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的實際

2、結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠3晶體的概念晶體的概念三種典型的金屬晶格三種典型的金屬晶格三種典型晶格的晶面和晶向三種典型晶格的晶面和晶向分析分析晶體的各向異性晶體的各向異性第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)4l 物質(zhì)物質(zhì)由原子組成。原子由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。決定了物質(zhì)的性能。l 原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱它們的具體組合狀態(tài)稱為為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。C60第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)為什么要研究結(jié)構(gòu)？什么是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)？為什

3、么要研究結(jié)構(gòu)？什么是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)？5第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)存在形式：存在形式：晶晶 體體非晶體非晶體液體液體原子在三維空間呈規(guī)則排列的固體原子在三維空間呈規(guī)則排列的固體原子在空間呈無序排列的固體。原子在空間呈無序排列的固體。金剛石、金剛石、NaCl、冰、冰 固態(tài)固態(tài)金屬等。金屬等。石蠟、玻璃石蠟、玻璃按照原子在空間的排列方式按照原子在空間的排列方式6（1）結(jié)構(gòu)有序；）結(jié)構(gòu)有序； (1 (1）結(jié)構(gòu)無序；）結(jié)構(gòu)無序；晶體與非晶體的區(qū)別：晶體與非晶體的區(qū)別：液體液體金剛石、金剛石、NaCl、冰、冰 ，固態(tài)固態(tài)金屬等。金屬等。石蠟、玻璃石蠟、玻璃l在一定條件下在一定條件下 晶體晶體 非晶

4、體非晶體（2 2）有固定的熔點）有固定的熔點; ; （3 3）性能表現(xiàn)為各向異性；。）性能表現(xiàn)為各向異性；。（2 2）沒有固定熔點；）沒有固定熔點；(3(3）性能表現(xiàn)為各向同性；）性能表現(xiàn)為各向同性；晶體晶體非晶體非晶體7晶格晶格一、晶體的概念一、晶體的概念 原子（或離子、分子）原子（或離子、分子）剛性的球體剛性的球體 點點點陣點陣晶格晶格晶胞晶胞原子堆積模型原子堆積模型如何探究晶體結(jié)構(gòu)？如何探究晶體結(jié)構(gòu)？晶胞晶胞晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)表示原子表示原子( (離子或分子離子或分子) )在空間規(guī)則排列的方式在空間規(guī)則排列的方式原子堆積模型原子堆積模型8一、晶體的概念 1 1、晶格、晶格 用假想的直線將原

5、子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維的三維 空間格架?？臻g格架。 直線的交點（原子中心）稱直線的交點（原子中心）稱結(jié)點結(jié)點。 由結(jié)點形成的空間點的陣列稱由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣?？臻g點陣。原子堆積模型原子堆積模型晶格晶格原子堆積模型原子堆積模型9晶胞晶胞點陣（晶格）模型2 2 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。晶胞晶胞在三維空間中在三維空間中重復(fù)排列重復(fù)排列便可構(gòu)成便可構(gòu)成晶格和晶體晶格和晶體。 10XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c 3 晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶胞棱邊的尺寸晶胞棱邊的尺寸 用用 a、b、c表示表

6、示各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示表示l晶體中由一系列原子所組晶體中由一系列原子所組成的平面稱成的平面稱晶面。晶面。l原子在空間排列的方向稱原子在空間排列的方向稱晶向。晶向。原子堆積模型原子堆積模型114 4 晶系晶系晶晶 系系棱邊長度與夾角關(guān)系棱邊長度與夾角關(guān)系立立 方方a = b = c, = = = 90 六六 方方a1 = a2 = a3 c, = = 90 , = 120 四四 方方a = b c, = = = 90 菱菱 方方a = b = c, = = 90 正正 交交a b c, = = = 90 單單 斜斜a b c, = = 90 三三 斜斜a b c, 90 根

7、據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。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125 5 原子半徑：原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。6 6 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目7 7 配位數(shù)配位數(shù)及及致密度：致密度： 配位數(shù)：配位數(shù)：是指晶格中與任一是指晶格中與任一 原子距離最近且相原子距離最近且相 等的原子數(shù)目。等的原子數(shù)目。致密度：致密度：晶胞中原子本身所占的晶胞中原子本身所占的 體積百分數(shù)。體積百分數(shù)。K=nV原子原子 / V晶胞晶

8、胞4r13（1）體心）體心立方立方晶格晶格BCC (Body-Centered Cube )（2）面心）面心立方立方晶格晶格FCC (Face-Centered Cube )（3）密排）密排六方六方晶格晶格HCP (Hexagonal Close-Packed )二、二、 三種常見的金屬晶格三種常見的金屬晶格14演示1. 體心立方晶格體心立方晶格(B.C.C.晶格晶格)晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)l體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：晶格常數(shù)晶格常數(shù) a=b=c, =9021818原子模型原子模型 晶胞晶胞 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 常見金屬有常見金屬有 -Fe(1400)、Cr、W、Mo、V15XYZa

9、bc2r2raal體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征：原子半徑：原子半徑： 晶胞中原子密度最大方向上相鄰晶胞中原子密度最大方向上相鄰 原子間距的一半尺寸稱為原子半徑原子間距的一半尺寸稱為原子半徑 a a4 43 3r r 43ra4r16體心立方晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近體心立方晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)的原子數(shù). .配位數(shù)配位數(shù) 4+4=84+4=8配位數(shù)配位數(shù)致密度致密度68. 0/)43(342/343333aaarnKK=nV原子/V晶胞17l體心立方晶格體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度致密度：0.68晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(

10、a=b=c)原子半徑：原子半徑：a a4 43 318演示2. 面心立方晶格面心立方晶格(F.C.C.晶格晶格)晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)l面心立方晶胞特征：面心立方晶胞特征：晶格常數(shù)晶格常數(shù) a = b = c, = 90模型模型 晶胞晶胞 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 11864824r常見金屬：常見金屬： -Fe(912 1394 ) 、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等19原子半徑：原子半徑： 晶胞中原子密度最大方向上晶胞中原子密度最大方向上 相鄰原子間距的一半尺寸稱為原子半徑相鄰原子間距的一半尺寸稱為原子半徑 2 2r ra a4 4l面心立方晶胞特征：面心立方晶胞特征：42ra面心立方晶胞中原子相

11、距最近的方向是面對角線面心立方晶胞中原子相距最近的方向是面對角線4r20 面心立方晶格中每一個原子（面心立方晶格中每一個原子（以面的中心原子為以面的中心原子為例例）在三維方向上各與四個原子接觸且距離相等，）在三維方向上各與四個原子接觸且距離相等，配位數(shù)為：配位數(shù)為：4 43=12 配位數(shù)配位數(shù)致密度致密度K=nV原子/V晶胞74. 0/)42(34433aaK21 ：原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格2 2rara4 422a21r ：原子半徑原子半徑配位數(shù)：配位數(shù)： 6+3+3=12致密度：致

12、密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長底面邊長 a 和高和高 c，c/a=1.633兩相鄰側(cè)面之間的夾角為兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120, 側(cè)面與底面之間的夾角為側(cè)面與底面之間的夾角為90。l 密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：演示23三、立方晶格的晶面和晶向分析三、立方晶格的晶面和晶向分析（一）（一） 晶面及晶向指數(shù)晶面及晶向指數(shù)l晶體中由一系列原子所組成的平面晶體中由一系列原子所組成的平面稱稱晶面。晶面。l原子在空間排列的方向稱原子在空間排列的方向稱晶向。晶向。1. 1. 晶面指數(shù)晶面指數(shù)表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶面

13、指數(shù)晶面指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為：(1) (1) 選坐標選坐標，以晶格中某一原子為，以晶格中某一原子為原點原點（注意不要把注意不要把原點放在所求的晶面上原點放在所求的晶面上），以晶胞的），以晶胞的三個棱邊三個棱邊作為三作為三維坐標的坐標軸。維坐標的坐標軸。24(2)坐標軸的度量單位：坐標軸的度量單位： 晶格常數(shù)晶格常數(shù)a、b、c (3）求截距求截距 求出所需確定的晶面在三坐標軸上的求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距截距。 (5) 將所得數(shù)值化為最小整數(shù)，將所得數(shù)值化為最小整數(shù)， 加圓括弧，加圓括弧， 形式為形式為: (hkl)。u如果是負指數(shù)，則應(yīng)將如果是負指數(shù)，則應(yīng)將負號負號“-”

14、放在相應(yīng)指數(shù)的上方。放在相應(yīng)指數(shù)的上方。 (4) 求三個截距的倒數(shù)。求三個截距的倒數(shù)。25d)c)b)a)練習(xí)：練習(xí)：求出下面晶面的晶面指數(shù)求出下面晶面的晶面指數(shù)(111)(120)(110)(112)26立方晶格中三種立方晶格中三種最重要晶面最重要晶面（100）、（）、（110）、（）、（111）272. 晶向指數(shù)晶向指數(shù)l 表示晶向的符號稱表示晶向的符號稱晶向指數(shù)晶向指數(shù)。l 其確定步驟為：其確定步驟為：(1)確定原點，建立坐標系，確定原點，建立坐標系， 過原點作所求晶向的平行線。過原點作所求晶向的平行線。(2) 求直線上任一點的坐標值。求直線上任一點的坐標值。（或或: 終點坐標終點坐標

15、起點坐標）起點坐標） (3) 按比例化為最小整數(shù)，按比例化為最小整數(shù)， 加方括弧。加方括弧。 形式為形式為: uvw。2829303 3、 晶面族與晶向族晶面族與晶向族應(yīng)該注意的：應(yīng)該注意的：（1）某一晶面指數(shù)）某一晶面指數(shù)(hkl)并不只代表某一并不只代表某一具體晶面具體晶面，而是代表而是代表一組相互平行的晶面一組相互平行的晶面，即所有相互平行的即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。晶面都具有相同的晶面指數(shù)。（2）在同一種晶格中，有些晶面雖然在空間的位向）在同一種晶格中，有些晶面雖然在空間的位向不同，不同，但其原子的排列情況完全相同但其原子的排列情況完全相同，這些，這些晶面稱晶面稱為晶面

16、族為晶面族，用，用大括號大括號hkl表示。表示。131110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY32立方晶系常見的晶面立方晶系常見的晶面為：為：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、10101133應(yīng)該指出：應(yīng)該指出：（1）晶向指數(shù)）晶向指數(shù)uvw所表示的不僅僅是一條直線的所表示的不僅僅是一條直線的 位向，而是一族平行線的位向。位向，而是一族平行線的位向。即所有相互平行即所有相互平行 的晶向，都具有相同的晶向指數(shù)的晶向，都具有相同的晶向指數(shù)。（2

17、）原子排列相同原子排列相同但空間位向不同的所有晶向稱為但空間位向不同的所有晶向稱為 晶向族晶向族，以，以uvw表示。表示。在立方晶系中，在立方晶系中，指數(shù)指數(shù)相同的相同的晶面晶面和和晶向晶向是互是互相相垂直垂直的。的。34111111111111XZY35立方晶系常見的晶向立方晶系常見的晶向為：為：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、10136（二）（二） 晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度晶面的原子密度是指該晶面單位面積中的原子數(shù)；是指該晶面單位面積中的原子數(shù)；晶向的原子密度晶向的原子密度是指該晶向單位

18、長度上的原子數(shù)。是指該晶向單位長度上的原子數(shù)。 373839 三種常見晶格的密三種常見晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格40l原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格 六方底面六方底面1底面對角線底面對角線320104142四、晶體的各向異性四、晶體的各向異性晶體的各向異性：晶體的各向異性：由于晶體中由于晶

19、體中不同晶面不同晶面、晶向上晶向上的的原原子密度不同子密度不同，故晶體在不同方向上的性能也不同，故晶體在不同方向上的性能也不同，呈現(xiàn)呈現(xiàn)各向異性各向異性。晶體的這種晶體的這種“各向異性各向異性”的特點是它區(qū)別于非晶體的重要標志之一。的特點是它區(qū)別于非晶體的重要標志之一。例如：例如：體心立方的鐵體心立方的鐵晶體由于它在不同晶向上的原于密度不同，晶體由于它在不同晶向上的原于密度不同，原子結(jié)合力不同，因而其彈性模量原子結(jié)合力不同，因而其彈性模量E便不同，便不同，在在111方向方向E290000MN/m2，在，在l00方向方向E135000 MN/m2。許多晶體物質(zhì)如金剛石、云母、方解石等常沿一定的晶

20、面易于許多晶體物質(zhì)如金剛石、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是這個道理。破裂，具有一定的解理面，也都是這個道理。43第二節(jié) 金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷單晶體：單晶體：當(dāng)晶體內(nèi)部的原子都按同一規(guī)律同一位向排列，即當(dāng)晶體內(nèi)部的原子都按同一規(guī)律同一位向排列，即晶格位向完全一致時，此晶體稱為晶格位向完全一致時，此晶體稱為的的單晶體單晶體。 如單晶如單晶Si半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)（a）44l 多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)純純Fe 金相組織示意圖金相組織示意圖小晶體之間方位彼此不同小晶體之間方位彼此不同金屬中有許多小晶體金屬中有許多小晶體晶粒晶粒晶界晶界第二節(jié) 金屬

21、的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷201045多晶體材料：多晶體材料：是指一塊金屬材料中包含著許多是指一塊金屬材料中包含著許多小晶小晶體體，每個小晶體內(nèi)的，每個小晶體內(nèi)的晶格位向是一致的晶格位向是一致的，而各小晶，而各小晶體之間體之間彼此方位不同彼此方位不同。 光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖46晶界晶界l 晶粒：晶粒：彼此方位不同、外形不規(guī)彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體。則的小晶體。l 晶界：晶界：晶粒之間的交界面。晶粒之間的交界面。 晶粒越細小，數(shù)量越多，晶界面晶粒越細小，數(shù)量越多，晶界面積越大。積越大。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶

22、體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。多晶體的性能在各個方向基本上是一致的多晶體的性能在各個方向基本上是一致的47 實際金屬中存在著大量的實際金屬中存在著大量的晶體缺陷晶體缺陷 按幾何形態(tài)可分三類：按幾何形態(tài)可分三類： 點、線、面缺陷點、線、面缺陷。二、晶體缺陷 在實際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在在實際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。晶體缺陷：晶體缺陷：實際晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域。實際晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域。201048點缺陷點缺陷 ：空間三維尺寸空間三維尺寸 都很小的缺陷。都很小的缺陷。（一）點缺陷（一

23、）點缺陷l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子49a. 空位：空位：晶格中某些缺晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。排原子的空結(jié)點。b. 間隙原子：間隙原子：擠進晶格擠進晶格間隙中的原子。間隙中的原子?？梢钥梢允腔w金屬原子，也是基體金屬原子，也可以是外來原子?？梢允峭鈦碓?。50c. 置換原子：置換原子： 取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。51點缺陷對性能的影響：點缺陷對性能的影響：點缺陷的存在，破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生點缺陷的存在，破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲（稱為扭曲（稱為晶格畸變晶格畸變），從而引起），從而引起性能變化性能變化，

24、使金屬，使金屬的的電阻率增加，強度、硬度電阻率增加，強度、硬度提高提高，塑性、韌性塑性、韌性下降下降?？瘴豢瘴婚g隙原子間隙原子小小置換原子置換原子大大置換原子置換原子52（二）線缺陷（二）線缺陷( (位錯位錯) )線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯: 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)的移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作交界線稱作位位錯。錯。線缺陷：線缺陷：指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。演示53線缺陷有兩種基本類型：線缺陷有兩種基本類型： 刃型位錯刃型位錯 螺

25、型位錯螺型位錯刃型位錯的形成刃型位錯的形成演示54刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯55刃型位錯：刃型位錯：假設(shè)在一個完整晶體的上半部插入一多余假設(shè)在一個完整晶體的上半部插入一多余的半原子面，它終止于晶體內(nèi)部，好像切入的刀刃的半原子面，它終止于晶體內(nèi)部，好像切入的刀刃一樣，這個多余半原子面的刃邊就是刃型位錯一樣，這個多余半原子面的刃邊就是刃型位錯, , 。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。半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“ ”表示。表示。正刃型位錯正刃型位錯負刃型位錯負刃型位錯56l 位錯密度：位錯密度：

26、單位體積內(nèi)所包含的位錯單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。錯運動是強化金屬的主要途徑。l減少減少或或增加增加位錯密度都可以提高金屬的強度。位錯密度都可以提高金屬的強度。57電子顯微鏡下的位錯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)58（三）面缺陷（三）面缺陷面缺陷：面缺陷：晶體中一維尺寸很小，另兩維尺寸

27、很大的缺陷晶體中一維尺寸很小，另兩維尺寸很大的缺陷主要包括：主要包括：晶界晶界和和亞晶界亞晶界。寬度為寬度為510個原子間距，位向差一般為個原子間距，位向差一般為2040。1.1.晶界晶界: : 晶粒與晶粒之間的交界面晶粒與晶粒之間的交界面59p晶界的特點：晶界的特點： 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則。 熔點低熔點低。 耐蝕性差耐蝕性差。晶界的缺陷比晶內(nèi)多，因而晶界的缺陷比晶內(nèi)多，因而外來原子易在晶界上偏聚，雜質(zhì)多。外來原子易在晶界上偏聚，雜質(zhì)多。對運動位錯有阻礙作用，是金屬中的強化部位。對運動位錯有阻礙作用，是金屬中的強化部位。金屬的晶粒金屬的晶粒越細，晶界總面積就越大，金屬的強度也越高，越細

28、，晶界總面積就越大，金屬的強度也越高，因而因而實際使實際使用的金屬材料力求獲得細晶粒用的金屬材料力求獲得細晶粒。 是是固態(tài)固態(tài)相變的優(yōu)先形核部位相變的優(yōu)先形核部位 60亞晶粒：亞晶粒：是組成晶粒的是組成晶粒的尺寸很小尺寸很小，位向差也很小，位向差也很小(10 2 )的的小晶塊小晶塊。2.亞晶界：亞晶界：亞晶粒亞晶粒之間的之間的交界面交界面。亞晶界亞晶界也可看作也可看作位錯壁位錯壁。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁6162晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性，使晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性，使晶格產(chǎn)生畸變晶格產(chǎn)生畸變，晶格能量增加晶格能量增加。 晶體缺陷盡管它微觀尺寸

29、很小，但它晶體缺陷盡管它微觀尺寸很小，但它對金對金屬性能的影響是相當(dāng)大的屬性能的影響是相當(dāng)大的。晶體缺陷的存在還常常晶體缺陷的存在還常常降低降低金屬的金屬的抗腐蝕抗腐蝕性能性能。在絕大多數(shù)情況下，還會。在絕大多數(shù)情況下，還會增加增加金屬金屬的的電阻電阻。63小小 結(jié)結(jié)本節(jié)重點本節(jié)重點 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：晶體，晶格，晶胞；晶體，晶格，晶胞； 三種常見的金屬晶格：三種常見的金屬晶格：BCC，F(xiàn)CC，HPC 晶體缺陷晶體缺陷（點、線、面缺陷類型）（點、線、面缺陷類型）641、 分別說明以下概念：晶格；晶胞；晶格常數(shù)；致分別說明以下概念：晶格；晶胞；晶格常數(shù)；致密度；晶面；晶向；

30、單晶體；多晶體；晶粒；晶界；密度；晶面；晶向；單晶體；多晶體；晶粒；晶界；各向異性。各向異性。2、簡述金屬常見的三種晶體結(jié)構(gòu)的基本特點。、簡述金屬常見的三種晶體結(jié)構(gòu)的基本特點。3、在立方晶格中，如果晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的數(shù)值、在立方晶格中，如果晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的數(shù)值相同，該晶面與晶向間存在著什么關(guān)系？相同，該晶面與晶向間存在著什么關(guān)系？4、單晶體與多晶體有何差別？為什么單晶體具有各、單晶體與多晶體有何差別？為什么單晶體具有各向異性，而多晶體材料通常不表現(xiàn)出各向異性？向異性，而多晶體材料通常不表現(xiàn)出各向異性？5、晶體缺陷有哪些？對金屬材料有哪些影響？、晶體缺陷有哪些？對金屬材料有哪些影響？復(fù)習(xí)思

31、考題復(fù)習(xí)思考題65第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠結(jié)晶概念：結(jié)晶概念：凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶條件條件純金屬結(jié)晶純金屬結(jié)晶過程過程 形核規(guī)律：形核規(guī)律：均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核 晶核長大規(guī)律晶核長大規(guī)律晶粒大小及控制晶粒大小及控制鑄件組織鑄件組織66一、結(jié)晶概念一、結(jié)晶概念自然界中的物質(zhì)通常具有三種狀態(tài)；自然界中的物質(zhì)通常具有三種狀態(tài)；氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，它們在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換。它們在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換。液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）液體液體 - - 晶體晶體晶體晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶 凝固

32、凝固 結(jié)晶結(jié)晶67結(jié)晶結(jié)晶是由一種是由一種相相（液相）轉(zhuǎn)（液相）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N變?yōu)榱硪环N相相（固相）的過（固相）的過程，因而是程，因而是相變過程相變過程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶一次結(jié)晶：一次結(jié)晶：一是從一是從液態(tài)液態(tài)到到固態(tài)固態(tài)晶體的過程；晶體的過程；二次結(jié)晶：二次結(jié)晶：從固態(tài)從固態(tài)晶體晶體到另一種固態(tài)到另一種固態(tài)晶體晶體的的過程。過程。 l結(jié)晶結(jié)晶68二、純金屬結(jié)晶的條件二、純金屬結(jié)晶的條件l理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度l冷卻曲線冷卻曲線l實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度l過冷度過冷度l純金屬結(jié)晶的必要條件純金屬結(jié)晶的必要條件69液體的液體的結(jié)晶結(jié)晶和固體的和固體的熔化熔化是一對是一對可逆可逆過程過程

33、T T 熔化熔化，T T 結(jié)晶結(jié)晶液體液體結(jié)晶的速度結(jié)晶的速度與與晶體晶體熔化的速度熔化的速度相等時相等時的的溫度溫度稱為稱為理論結(jié)晶溫理論結(jié)晶溫度度（平衡結(jié)晶溫度平衡結(jié)晶溫度）常）常用用T0表示。表示。二、純金屬結(jié)晶的條件二、純金屬結(jié)晶的條件70液體和晶體的自由能液體和晶體的自由能- -溫度曲線溫度曲線液態(tài)、固態(tài)液態(tài)、固態(tài)自由能曲線自由能曲線相交點相交點對對應(yīng)的溫度為應(yīng)的溫度為T T0 0，此時液態(tài)和固態(tài)的，此時液態(tài)和固態(tài)的能量狀態(tài)相等，處于能量狀態(tài)相等，處于動態(tài)平衡動態(tài)平衡，可長期共存，可長期共存，T T0 0稱為理論結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度或熔點或熔點。 熱力學(xué)定律：熱力學(xué)定律：自然界一

34、切自發(fā)轉(zhuǎn)變自然界一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程總是從過程總是從能量較高能量較高的狀態(tài)趨向的狀態(tài)趨向能能量較低量較低的狀態(tài)。的狀態(tài)。1. 1. 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件F = FL FS 071液體和晶體的自由能液體和晶體的自由能- -溫度曲線溫度曲線l結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T0以下的實際以下的實際結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度Tn下才能進行。下才能進行。液態(tài)金屬在液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度以以下開始下開始結(jié)晶結(jié)晶的現(xiàn)象稱的現(xiàn)象稱過冷過冷。理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度與與實際結(jié)晶溫實際結(jié)晶溫度度的差的差 T稱稱過冷度過冷度 T= T0 Tn純金屬結(jié)晶的必要條件：純金屬結(jié)晶的必要條件： 結(jié)晶驅(qū)動力結(jié)晶驅(qū)動力

35、過冷度過冷度 F要有一定的過冷度。要有一定的過冷度。72熱 分 析 法2. 冷卻曲線與過冷冷卻曲線與過冷金屬的冷卻曲線金屬的冷卻曲線 金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線。金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線。732. 冷卻曲線與過冷冷卻曲線與過冷 溫度降低到溫度降低到T0時，由于結(jié)晶速時，由于結(jié)晶速度與熔化速度相等，故度與熔化速度相等，故不會結(jié)不會結(jié)晶晶，只有當(dāng)溫度繼續(xù)下降到，只有當(dāng)溫度繼續(xù)下降到Tn時，才開始結(jié)晶。時，才開始結(jié)晶。 曲線上曲線上水平階段水平階段是由于結(jié)晶時是由于結(jié)晶時放出放出結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱引起的引起的. 曲線上曲線上水平階段水平階段所對應(yīng)的所對應(yīng)的溫度溫度稱稱實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度

36、Tn。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線Tn74Tn不是固定的，不是固定的，與材料的與材料的性質(zhì)性質(zhì)、純度純度以及以及冷卻速冷卻速度度有關(guān)。有關(guān)。時間時間溫度溫度T0v1 v2 v3Tn1Tn2Tn3冷卻速度冷卻速度越快越快，過冷度過冷度越大越大，實際結(jié)晶溫度，實際結(jié)晶溫度越低越低對于給定的材料，對于給定的材料，Tn是否是固定不變的？是否是固定不變的？75三、純金屬的結(jié)晶過程從宏觀角度看結(jié)晶規(guī)律：從宏觀角度看結(jié)晶規(guī)律：（1 1）金屬的結(jié)晶是在一定的）金屬的結(jié)晶是在一定的過冷度過冷度下完成的，下完成的， 即存在過冷現(xiàn)象。即存在過冷現(xiàn)象。（2 2）結(jié)晶過程是在）結(jié)晶過程是在恒溫恒溫下完成的。下完成

37、的。 從微觀的角度看結(jié)晶：從微觀的角度看結(jié)晶：包括包括晶核的晶核的形成形成和和長大長大兩兩個基本過程個基本過程。 l晶核的形成方式晶核的形成方式l晶核的長大方式晶核的長大方式 結(jié)晶過程761、結(jié)晶的基本過程、結(jié)晶的基本過程純金屬結(jié)晶過程示意圖純金屬結(jié)晶過程示意圖在液態(tài)金屬中存在許多在液態(tài)金屬中存在許多有序排列有序排列的的小原子團小原子團，這些，這些小原子團或大或小，時聚時散，稱為小原子團或大或小，時聚時散，稱為晶胚晶胚 而當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到而當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到T0溫度以下后，便處于熱溫度以下后，便處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時間（稱為孕育期），力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時間（稱為孕育期），一些大尺

38、寸的一些大尺寸的晶胚將會長大晶胚將會長大，這些能夠繼續(xù)長大的，這些能夠繼續(xù)長大的晶胚稱為晶胚稱為晶核晶核。 結(jié)晶過程77 晶核形成后便向各方向生長，晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生，同時又有新的晶核產(chǎn)生，晶晶核不斷形成，不斷長大，直核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界兩晶粒接觸后形成晶界結(jié)晶結(jié)晶純金屬結(jié)晶過程示意圖純金屬結(jié)晶過程示意圖782、晶核的形成方式、晶核的形成方式 l 形核有兩種方式，即形核有兩種方式，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。l 均勻形核均勻形核: 晶核完全是由

39、液體中晶核完全是由液體中排列規(guī)則的原子團排列規(guī)則的原子團形成形成均勻形核均勻形核特點：特點：形核均勻，但形核速度慢。形核均勻，但形核速度慢。79l非均勻形核更為普遍。非均勻形核更為普遍。l非均勻形核非均勻形核：晶核完全是依靠晶核完全是依靠容器壁容器壁、金屬液體中的、金屬液體中的未熔顆粒未熔顆粒和和雜質(zhì)雜質(zhì)形核。形核。特點：特點：形核率高，速度快。形核率高，速度快。非均勻形核非均勻形核803、晶核的長大方式、晶核的長大方式晶核的長大方式晶核的長大方式: : 平面長大平面長大和和樹枝狀長大樹枝狀長大。 （1 1）平面長大）平面長大 當(dāng)當(dāng)過冷度很小時過冷度很小時，結(jié)晶以，結(jié)晶以均勻長大方式均勻長大方

40、式進行，晶粒進行，晶粒在結(jié)晶過程中保持著在結(jié)晶過程中保持著規(guī)則規(guī)則的外形的外形，只是在晶?；ハ啵皇窃诰Я；ハ嘟佑|時，規(guī)則的外形才被接觸時，規(guī)則的外形才被破壞。破壞。 平面平面81(2)樹枝狀長大樹枝狀長大當(dāng)當(dāng)冷卻速度較快冷卻速度較快時，晶體的時，晶體的棱角棱角和和棱邊棱邊的的散熱散熱條件比面上的條件比面上的優(yōu)越優(yōu)越，因而長大較快，成為伸入到液，因而長大較快，成為伸入到液體中的體中的晶枝晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸一次晶軸，在一次，在一次晶軸增長和變粗的同時，在其晶軸增長和變粗的同時，在其側(cè)面生出新的晶枝側(cè)面生出新的晶枝，即二次晶軸即二次晶軸三次晶軸、四次晶軸。三次晶軸、四

41、次晶軸。結(jié)晶后得到具有結(jié)晶后得到具有樹枝狀的晶體樹枝狀的晶體。樹枝樹枝82樹枝狀長大的實際觀察樹枝狀長大的實際觀察83四、晶粒大小及其影響因素四、晶粒大小及其影響因素金屬的金屬的晶粒越細晶粒越細，常溫下的，常溫下的機械性能越好機械性能越好, , 既金屬的既金屬的強強度度, , 塑性塑性和和韌性韌性越好。越好。l細化金屬晶粒細化金屬晶粒是提高其常溫性能的最佳手段之一是提高其常溫性能的最佳手段之一。 84形核率形核率愈大，愈大，成成長速率長速率愈小，愈小，則晶粒愈細。則晶粒愈細。 形成率形成率是單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。是單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。成長速率成長速率是單位

42、時間內(nèi)晶核生長的線長度。是單位時間內(nèi)晶核生長的線長度。影響晶粒細化的因素？影響晶粒細化的因素？影響形成率和成長速率最重要的因素是什么？影響形成率和成長速率最重要的因素是什么？形核率和成長速率形核率和成長速率過冷度過冷度85影響形核率和成長速率最重要的因素是過冷度影響形核率和成長速率最重要的因素是過冷度 原因：原因： 過冷度增大，過冷度增大，液相與液相與固相的自由能差固相的自由能差FF越大越大，結(jié)晶的結(jié)晶的推動力增大推動力增大。 過冷度過大，過冷度過大，液體中液體中原子的原子的遷移能力遷移能力或或擴散能擴散能力減小力減小，晶核的形成和成，晶核的形成和成長難。長難。隨著過冷度的增大，二者都增大，并

43、在一定的過冷度時達到最隨著過冷度的增大，二者都增大，并在一定的過冷度時達到最大值；當(dāng)過冷度進一步增大，二者又逐漸減小大值；當(dāng)過冷度進一步增大，二者又逐漸減小 86（一）（一） 影響晶粒大小的因素影響晶粒大小的因素1 過冷度的影響過冷度的影響2 未熔雜質(zhì)的影響未熔雜質(zhì)的影響金屬中的金屬中的高熔點雜質(zhì)高熔點雜質(zhì)，呈固，呈固態(tài)質(zhì)點態(tài)質(zhì)點懸浮懸浮在金屬液體中，在金屬液體中，這些未熔雜質(zhì)在金屬結(jié)晶過這些未熔雜質(zhì)在金屬結(jié)晶過程中能夠起到程中能夠起到天然晶核天然晶核的作的作用，可顯著提高用，可顯著提高晶核的形成晶核的形成率率，使金屬晶粒細化。，使金屬晶粒細化。87（二）（二） 控制晶粒大小的方法控制晶粒大小

44、的方法 1 1 控制過冷度控制過冷度 V V冷冷T TN N晶粒細小晶粒細小采用冷卻能力較強的模子采用冷卻能力較強的模子。例如采用例如采用金屬型鑄模金屬型鑄模, , 比采用比采用砂型鑄模砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要獲得的鑄件晶粒要細小。細小。882. 變質(zhì)處理變質(zhì)處理在液體金屬中加入在液體金屬中加入變質(zhì)劑變質(zhì)劑( (孕育劑孕育劑) )，以細化晶粒和，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。改善組織的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：變質(zhì)劑的作用：變質(zhì)劑的作用在于變質(zhì)劑的作用在于增加晶核的數(shù)量增加晶核的數(shù)量或者或者阻礙晶核的長大阻礙晶核的長大。 在在鋼水鋼水中加入鈦、釩、鋁；中加入鈦、釩、鋁；在在鋁合金液體鋁合金液體中加入鈦、鋯；中加入鈦、鋯；都可使晶粒細化。都可使晶粒細化。893 .3 .振動、攪拌等方法振動、攪拌等方法 機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。振動的作用：