晶體金屬工藝學大工

1、晶體與非晶體晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類體兩大類 晶體晶體：原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列：原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列. 鋼和鑄鐵等固態(tài)金屬一般都是晶體。鋼和鑄鐵等固態(tài)金屬一般都是晶體。 非晶體非晶體：這些質(zhì)點是無規(guī)則地堆積在一起，如普通玻璃、松：這些質(zhì)點是無規(guī)則地堆積在一起，如普通玻璃、松香、石蠟等香、石蠟等 晶體與非晶體在性能上也有區(qū)別，晶體具有固定的熔點，且晶體與非晶體在性能上也有區(qū)別，晶體具有固定的熔點，且在不同方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。

2、在不同方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。各向異性: 晶體的導熱、導電、光的透射、折射、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異。如:石墨在與平行的方向上具有導電性，而在與層垂直的方向上就不具有導電性。若在水晶的柱面上涂一層蠟，用紅熱的針接觸蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓形，這是由于水晶柱面長軸方向與短軸方向傳熱速度不同。再如：從不同方向觀察紅寶石或藍寶石，會發(fā)現(xiàn)寶石顏色不同，這是由于方向不同，晶體對光的吸收性質(zhì)不同。按照晶格上質(zhì)點的種類和質(zhì)點間作用力的實質(zhì)（化學健的健按照晶格上質(zhì)點的種類和質(zhì)點間作用力的實質(zhì)（化學健的健型）不同，晶體可分為四種基本類型。型）不同，晶體可分為四種

3、基本類型。1 1、離子晶體離子晶體：晶格上的結(jié)點是正、負離子。：晶格上的結(jié)點是正、負離子。2 2、原子晶體原子晶體；晶格上的結(jié)點是原子。；晶格上的結(jié)點是原子。3、分子晶體分子晶體：晶格結(jié)點是極性分子或非極性分子：晶格結(jié)點是極性分子或非極性分子4、金屬晶體金屬晶體：晶格上結(jié)點是金屬的原子或正離子。：晶格上結(jié)點是金屬的原子或正離子。+-+-+-+-+晶晶 體體二、晶格、晶胞和晶格常數(shù)二、晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶格晶格 為了便于理解和描述晶體中原子排列的情況，可以近為了便于理解和描述晶體中原子排列的情況，可以近似地把晶體中的原子看成是固定不動的剛性小球，并用一似地把晶體中的原子看成是固定不動的剛性小球

4、，并用一些假想的幾何線條將晶體中各原子的中心連接起來，構(gòu)成些假想的幾何線條將晶體中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，各原子的中心就處在格架的各個結(jié)點上的一個空間格架，各原子的中心就處在格架的各個結(jié)點上的幾何空間格架。幾何空間格架。晶胞：晶格中具有代表性的最小重復單位，稱為晶胞：晶格中具有代表性的最小重復單位，稱為單元晶胞單元晶胞（簡稱（簡稱晶胞晶胞）。晶胞在三維空間無限重復就產(chǎn)生晶體。故晶）。晶胞在三維空間無限重復就產(chǎn)生晶體。故晶體的性質(zhì)是由晶胞的大小、形狀和質(zhì)點的種類以及質(zhì)點間的體的性質(zhì)是由晶胞的大小、形狀和質(zhì)點的種類以及質(zhì)點間的作用力所決定的。作用力所決定的。 acb晶胞中各棱邊的長

5、度稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)，以(埃)為單位，一般金屬為（1-7 )。各種金屬晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同，其物化及力學性能也不相同。晶面：晶格中各個方位的原子面。晶向：晶格中由原子所組成的任一直線都能代表晶體空間的一個方向。晶面晶向晶晶 格格晶晶 面面晶晶 向向晶晶 胞胞體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格體心立方晶格體心立方晶格：晶胞是一個個晶格常數(shù)相等的立方體，：晶胞是一個個晶格常數(shù)相等的立方體，八頂角各有八頂角各有1 原子，中心有原子，中心有1原子原子。屬于這種晶格的常見屬于這種晶格的常見金屬有：鉻金屬有：鉻(Cr)、鎢、鎢(W)、鉑、鉑(Mo)、釩、釩(V)、

6、鐵鐵(aFe)等。等。面心立方晶格面心立方晶格：在立方晶胞的八個頂角和六個面的中心各有一個：在立方晶胞的八個頂角和六個面的中心各有一個原子。屬于這種晶格常見金屬有：鋁原子。屬于這種晶格常見金屬有：鋁(Al)、銅、銅(Cu)、鎳、鎳(Ni)、鐵鐵(-Fe)等。等。密排六方晶格密排六方晶格：正六棱柱體，除每個頂角和上下底面中心各何一個：正六棱柱體，除每個頂角和上下底面中心各何一個原子外，在兩底面之間還有三個原子，屬于這種晶格常見金屬有：原子外，在兩底面之間還有三個原子，屬于這種晶格常見金屬有：鎂鎂(Mg)、鋅、鋅(Zn)等。等。不同類型的晶格，其原子排列的緊密程度不同。三種不同類型的晶格，其原子排

7、列的緊密程度不同。三種晶格中，面心立方和密排六方晶格的原子排列最緊晶格中，面心立方和密排六方晶格的原子排列最緊密（晶胞體積的密（晶胞體積的74%為原子占據(jù)，為原子占據(jù)，26%為空隙）；為空隙）；體心立方晶格的原子排列密度較小（晶胞體積的體心立方晶格的原子排列密度較?。ňОw積的68%為原子占據(jù)，為原子占據(jù)，32%為空隙）。為空隙）。 金屬的晶格形式和晶格常數(shù)等不同，則其物理、化金屬的晶格形式和晶格常數(shù)等不同，則其物理、化學性能和力學性能也不同。學性能和力學性能也不同。 1. 結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度金屬結(jié)晶金屬結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程，亦即金屬原子：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程，亦即金屬原子由無

8、序到有序的排列過程。結(jié)晶過程是一個晶核的形成（由無序到有序的排列過程。結(jié)晶過程是一個晶核的形成（成核）和成長的過程成核）和成長的過程1. 結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度過冷現(xiàn)象：實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象過冷現(xiàn)象：實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象 過冷度：金屬材料的理論結(jié)晶溫度過冷度：金屬材料的理論結(jié)晶溫度(T0) 與其實際結(jié)晶溫度與其實際結(jié)晶溫度T1之差之差 T= T1T0 過冷結(jié)晶潛熱過冷度與結(jié)晶潛熱過冷度與結(jié)晶潛熱金屬結(jié)晶時放出金屬結(jié)晶時放出的的結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱使溫使溫度不再下降，溫度不再下降，溫度為水平線段。度為水平線段。2. 結(jié)晶過程結(jié)晶過程（1）結(jié)晶的基本過程：形核長大（見示意圖）結(jié)晶

9、的基本過程：形核長大（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進程的兩個參數(shù)）描述結(jié)晶進程的兩個參數(shù)形核率形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。表示。長大速度長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內(nèi)遷移的距離，用內(nèi)遷移的距離，用G表示。表示。晶 粒晶 界形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織 影響成核率影響成核率N和長大率和長大率G最主要的因素，是結(jié)晶最主要的因素，是結(jié)晶時的過冷度和液體中的不熔雜質(zhì)。時的過冷度和液體中的不熔雜質(zhì)。 (1) 過冷度的影響過冷度的影響實驗證明，金屬結(jié)晶

10、時的冷卻速實驗證明，金屬結(jié)晶時的冷卻速度愈大，其過冷度也愈大，結(jié)晶度愈大，其過冷度也愈大，結(jié)晶后金屬的晶粒便愈細小。晶粒大后金屬的晶粒便愈細小。晶粒大小對金屬的力學性能影響：晶粒小對金屬的力學性能影響：晶粒愈細小，金屬的強度愈高，塑性愈細小，金屬的強度愈高，塑性和韌性愈好。和韌性愈好。(2) 液體中不熔雜質(zhì)的影響液體中不熔雜質(zhì)的影響研究證明，液體金屬中多少含有一些雜質(zhì)，呈固體質(zhì)點懸之浮于研究證明，液體金屬中多少含有一些雜質(zhì)，呈固體質(zhì)點懸之浮于金屬液中，可顯著加速晶核的形成，使金屬的晶粒細化，其作用金屬液中，可顯著加速晶核的形成，使金屬的晶粒細化，其作用有時甚至遠大于增大過冷度的影響。孕育處理：

11、在生產(chǎn)中，向液有時甚至遠大于增大過冷度的影響。孕育處理：在生產(chǎn)中，向液體金屬中有意加入一些金屬或合金，起到體金屬中有意加入一些金屬或合金，起到“人工晶核人工晶核”作用，使作用，使晶核顯著增加，從而使結(jié)晶后金屬的晶粒細化的方法。晶核顯著增加，從而使結(jié)晶后金屬的晶粒細化的方法。晶粒細化的途徑：晶粒細化的途徑：(1)(1)提高冷卻速度；提高冷卻速度；(2)(2)加入變質(zhì)液加入變質(zhì)液( (孕育液孕育液) )，增加外來晶核，增加外來晶核; ;如在鋁合金如在鋁合金 中加入鈦、鋯等；鋼水中加入鈦、釩、鋁等；中加入鈦、鋯等；鋼水中加入鈦、釩、鋁等；(3)(3)熱處理或塑性變形；熱處理或塑性變形；( (4) 振動：振動： 機械振動、超聲波振動等，破碎正生長中樹機械振動、超聲波振動等，破碎正生長中樹 狀晶體，形成更多結(jié)晶核心；狀晶體，形成更多結(jié)