第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶n知識目標(biāo)：知識目標(biāo)：q了解三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及常見金屬。q了解金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷。q掌握純金屬的結(jié)晶的條件、基本過程和細(xì)化晶粒的主要方法。q掌握純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。n技能目標(biāo)：技能目標(biāo)：q能運(yùn)用金屬晶體結(jié)構(gòu)的知識分析典型金屬的性能差異。q能運(yùn)用細(xì)化晶粒的措施提高鑄件的力學(xué)性能。 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2.2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第第2章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n2.1.1 晶體與非晶體n2.1.2 晶體結(jié)構(gòu)的概念

2、n2.1.3 金屬晶格的類型2.1.1 晶體與非晶體 晶體晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子（或分子）在三維空間呈有序、有規(guī)則排列的物體。 非晶體非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子（離子或分子）在三維空間呈無序堆積狀況的物體。 晶體晶體金剛石、NaCl、冰 等。非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。2.1.1 晶體與非晶體項(xiàng) 目晶晶 體體非非 晶晶 體體定義 凡原子（或分子）在三維空間呈有序、有規(guī)則排列的物體 凡原子（離子或分子）在三維空間呈無序堆積狀況的物體性能特點(diǎn) 具有規(guī)則的幾何形狀 有一定的熔點(diǎn)，性能呈各向異性 沒有規(guī)則的幾何形狀 有固定的熔點(diǎn)，性能呈各向同性 典型物質(zhì) 石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、糖、味精

3、玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠 晶體和非晶體的對比2.1.2 金屬的晶格類型金屬的晶格類型2.1.2.1晶格和晶胞晶格和晶胞 為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似看做是一個(gè)個(gè)剛性小球，則金屬晶體就是由這些剛性小球按一定幾何規(guī)則緊密堆垛而成的物體。 晶體內(nèi)部原子排列示意圖晶體中原子的排列2.1.2 金屬的晶格類型金屬的晶格類型2.1.2.1晶格和晶胞晶格和晶胞 晶格：晶格：為了清楚地表示晶體中原子排列的規(guī)律，將原子簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再用假想的線將它們連接起來，形成一個(gè)能反映原子排列規(guī)律的空間格架。晶 格2.1.2 金屬的晶格類型金屬的晶格類型晶胞晶胞：晶格中能夠完整地反映晶體晶格特征的最小幾何單

4、元。晶 胞2.1.2 金屬的晶格類型金屬的晶格類型2.1.2.2 晶格常數(shù)晶格常數(shù) zxy a ab bc c圖23 簡單立方晶格的晶胞的表示方法棱邊長度都相等（a=b=c） 三個(gè)晶軸之間的夾角也相等=90 晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度稱為晶格常數(shù) 2.1.2 金屬的晶格類型金屬的晶格類型2.1.2.3 晶面和晶向晶面和晶向晶面晶面：在晶體中由一系列原子中心所構(gòu)成的平面稱為晶面。晶向晶向：通過兩個(gè)或兩個(gè)以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向。2.1.3 金屬晶格的類型金屬晶格的類型每個(gè)晶胞原子數(shù)每個(gè)晶胞原子數(shù)n=8n=81/8+1=1/8+1=2(2(個(gè)個(gè)) )屬于屬于

5、體心立方晶格體心立方晶格類型的金屬有類型的金屬有-Fe-Fe（912912以下的鈍鐵）、鉻、以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢鉬、鎢等。等。2.1.3.1 體心立方晶格體心立方晶格2.1.3 金屬晶格的類型金屬晶格的類型2.1.3.2 面心立方晶格面心立方晶格每個(gè)晶胞中的原子數(shù)為每個(gè)晶胞中的原子數(shù)為n=8n=81/8+61/8+61/2=1/2=4(4(個(gè)個(gè)) )屬于屬于面心立方晶格面心立方晶格類型的金屬有類型的金屬有-Fe-Fe（13941394912912的鈍的鈍鐵）、鋁、銅、銀鐵）、鋁、銅、銀等。等。2.1.3 金屬晶格的類型金屬晶格的類型2.1.3.3 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶胞中的原

6、子數(shù)密排六方晶胞中的原子數(shù)n=12n=121/6+21/6+21/21/23=3=6(6(個(gè)個(gè)) )有有密排六方晶格密排六方晶格的金屬有的金屬有鎂（鎂（MgMg）、鋅（）、鋅（ZnZn）、鈹（）、鈹（BeBe）、鎘（）、鎘（CdCd）等。等。 金屬材料是如何得到的？冶煉冶煉礦石礦石金屬材料金屬材料凝固凝固液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)2.2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶煉鐵2.2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶2.2.1 純金屬的冷卻曲線及過冷度2.2.2 純金屬的結(jié)晶過程2.2.3 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響2.2.4 金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷2.2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶液體液體固體固體 結(jié)晶結(jié)晶：金屬由原子不規(guī)則聚集不規(guī)則聚

7、集的液體轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列規(guī)則排列的固體的過程。結(jié)晶結(jié)晶2.2.1 純金屬的冷卻曲線及過冷度純金屬的冷卻曲線及過冷度 研究方法：熱分析法。研究方法：熱分析法。1 1、純金屬的冷卻曲線、純金屬的冷卻曲線結(jié)晶潛熱：結(jié)晶潛熱：結(jié)晶的過程中放出的熱量。 2.2.1 純金屬的冷卻曲線及過冷度純金屬的冷卻曲線及過冷度 金屬結(jié)晶的條件:必須有一定的過冷度T1T理論結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T = T0 T1t tT TT0過冷度過冷度: :理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）之間存在的溫度差（T= T0 T1）。 金屬結(jié)晶時(shí)，冷卻速度越快，其實(shí)際結(jié)晶的溫度就越低，過冷度T也就越大。 液態(tài)金屬必須冷卻到理論結(jié)晶溫度T

8、0以下某一個(gè)溫度T時(shí)才開始結(jié)晶，這個(gè)現(xiàn)象稱為過冷。2 2、過冷現(xiàn)象和過冷度、過冷現(xiàn)象和過冷度純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程晶核長大晶核長大形核形核2.2.2 純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程2.2.2 純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程1.1.形核形核長大長大形 核長 大自發(fā)形核：自發(fā)形核：在一定過冷條件下，僅依靠自身原子有規(guī)則排列而形成晶核 非自發(fā)形核：非自發(fā)形核：液態(tài)金屬中常存在著各種固態(tài)的雜質(zhì)微粒，依附于這些固態(tài)微粒而形成晶核形核形核2.2.長大長大按樹枝狀長大的方式長大按樹枝狀長大的方式長大冰花枝晶純金屬結(jié)晶過程示意圖純金屬結(jié)晶過程示意圖液態(tài)金屬的結(jié)晶條

9、件：一定過冷度的條件下液態(tài)金屬的結(jié)晶條件：一定過冷度的條件下2.2.2 純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程2.2.3 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響 實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。 形核率越高，長大速度越小，結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。因此，細(xì)化晶粒的根本途徑是提高形核率及降低晶核長大速度。 表表21 晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響晶體平均直徑/mRm/MPaReL/MPaA/%701843430.6252164539.52.02685848.81.62706650.72.2.3 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小

10、對金屬力學(xué)性能的影響在長大速率相同的情況下，形核越多，晶粒越細(xì)。形核率（形核率（N）：）：單位時(shí)間單、位體積內(nèi)形成晶核的數(shù)目。長大速率（長大速率（G）：）：晶核在單位時(shí)間內(nèi)生長的長度。 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 細(xì)化晶粒的方法：細(xì)化晶粒的方法： 1.增加過冷度 2.變質(zhì)處理 3.振動(dòng)處理 2.2.4 金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷n晶體缺陷：晶體缺陷：晶體中原子（或分子）周期性排列受到干擾而破壞的現(xiàn)象2.2.4.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：指在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷 置換原子 2.2.4金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷2.2.4.2 線缺陷線缺陷 線缺陷線缺陷：指晶體內(nèi)

11、部呈線狀分布的缺陷即位錯(cuò)位錯(cuò)刃型刃型位錯(cuò)位錯(cuò)：是晶格中有一列或若干列原子發(fā)生了某些有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 刃刃型位錯(cuò)型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)2.2.4金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷2.2.4.2 線缺陷線缺陷 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)：晶體右邊的上部原子相對于下部的原子向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距，即右邊上部相對于下部晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，若將錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連起來，則具有螺旋型特征2.2.4金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷2.2.4.3 面缺陷面缺陷 面缺陷面缺陷：是指晶體中的晶界和亞晶界 2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 1394912-FeFeFe 體心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程有許多相似之處：有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時(shí)有過冷現(xiàn)象；放出和吸收潛熱；轉(zhuǎn)變過程是一個(gè)形核和晶核長大的過程。 2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變，又具有本身的特點(diǎn)。在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，新晶格的晶核優(yōu)先在原來晶粒的晶界處形核，轉(zhuǎn)變后形成的晶粒較細(xì)??；轉(zhuǎn)變需要較大的過冷度，一般液體金屬結(jié)晶的過冷度為幾度到幾十度，而固態(tài)相變時(shí)的過冷度可達(dá)