工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)Dalian University of Technology第三章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶*1 主 要 內(nèi) 容金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體的概念 常見的金屬晶格 晶體結(jié)構(gòu)的致密度 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu) 多晶體結(jié)構(gòu) 晶格缺陷金屬的結(jié)晶 金屬的結(jié)晶過程 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬鑄錠的組織特點(diǎn)*2 晶體與非晶體晶體 是指原子（原子團(tuán)或離子）按一定的幾何形狀呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。鉆石氯化鈉雪花-冰的晶體3 晶體與非晶體金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)非晶體 是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。非晶體是各向同性的。4 金

2、屬的晶體結(jié)構(gòu)*物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C605 晶格與晶胞* 晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣6a 原子堆垛模型b 空間點(diǎn)陣c 結(jié)晶格子晶格zxyabcd 晶胞固定-抽象-連接-取最小的幾何單元-晶胞 晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。7* 晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=1

3、20立方六方四方菱方正交單斜三斜 晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸 a、b、c。各棱間的夾角用、表示。8 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*七大晶系立方四方正交棱方六方單斜三斜9 金屬的晶體結(jié)構(gòu)* 原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。 晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。 致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。10 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：11 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。 取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比

4、例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。12例一.求截距為、1、晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、 晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（112）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距13 金屬的晶體結(jié)構(gòu)* 晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：14 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的平行線。 求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為uvw。15 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*例一、已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、

5、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得234。例二、已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。11023416 金屬的晶體結(jié)構(gòu)* 晶面族與晶向族(hkl)與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用hkl和表示。17 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*立方晶系常見的晶面為：18*110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY19 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*立方晶系常見的晶向?yàn)椋?0111111111111XZY21 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*說明： 在立方晶系中，指

6、數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。 遇到負(fù)指數(shù)，“-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。- 晶向具有方向性， 如110與110方 向相反。XZY(221)22111011022 金屬的晶體結(jié)構(gòu)*純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。23 體心立方晶格 常見的金屬晶格24體心立方晶格 常見的金屬晶格25體心立方晶格的參數(shù) 常見的金屬晶格26體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)： 8致密度：0.68常見金屬

7、：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑： 常見的金屬晶格27 面心立方晶格 常見的金屬晶格28面心立方晶格 常見的金屬晶格29面心立方晶格的參數(shù) 常見的金屬晶格30a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)： 12致密度：0.74常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格 常見的金屬晶格31 密排六方晶格 常見的金屬晶格32密排六方晶格的參數(shù) 常見的金屬晶格33a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)： 12致密度：0.74常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng) a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格 常見的金

8、屬晶格3435三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。 常見的金屬晶格36三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對(duì)角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格37體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面382、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖 單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶39沿晶

9、斷口鉛錠宏觀組織 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)40晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)41 晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)42 點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都很小的缺陷。空位間隙原子置換原子43a. 空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b. 間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙44c. 置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲

10、，稱晶空位間隙原子小置換原子大置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。45空位和間隙原子引起的晶格畸變 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)46 線缺陷晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。47刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的形成48刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“ ”表示。 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)49位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)

11、度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為1041012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 50電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子） 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)51電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)52 面缺陷晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過渡部位，寬度為510個(gè)原子間距，位向差一般為2040。 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)53亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁亞晶

12、粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。54晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則。 熔點(diǎn)低。 耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)55 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶*金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)過渡到固態(tài)的過程稱為凝固。由于液態(tài)金屬凝固后一般都為晶體，所以液態(tài)金屬到固態(tài)金屬的過程也稱為結(jié)晶，或一次結(jié)晶。金屬從一種固體晶態(tài)過渡到另一種固體晶態(tài)的過程稱為再結(jié)晶（二次結(jié)晶）。56 金屬的結(jié)晶*液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 近程有

13、序遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)； 存在著能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。結(jié)晶 液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)溫度時(shí)，原子從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢◣缀涡螤钭饔行蚺帕械倪^程。將金屬加熱熔化后進(jìn)行冷卻，用測(cè)量液態(tài)金屬冷卻過程的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線。57 金屬的結(jié)晶*冷卻曲線的測(cè)定冷卻曲線結(jié)晶潛熱結(jié)晶溫度58 金屬的結(jié)晶*過冷現(xiàn)象純金屬在熔點(diǎn)溫度時(shí)，液態(tài)中的原子結(jié)晶進(jìn)入固態(tài)的速度與固態(tài)晶格上的原子溶入液體的速度處于動(dòng)態(tài)平衡，液體和固體共存，稱為理論結(jié)晶溫度。實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象，它們的溫度差稱為過冷度。純金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度大小與其本性、純度和冷卻速度等有關(guān)。59 金屬的結(jié)晶*純金

14、屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬的結(jié)晶過程分為兩個(gè)階段： 形成晶核， 晶核長(zhǎng)大。60晶核的形成過程液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯。在T0以下, 經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。T0T1T液體和晶體自由能隨溫度變化晶核半徑與G關(guān)系 純金屬的結(jié)晶過程61晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。均勻形核非均勻形核示意圖 純金屬的結(jié)晶過程62 純金屬的結(jié)晶過程*形核長(zhǎng)大形成多晶體兩個(gè)過程重疊交織63晶核的長(zhǎng)大方式晶核形成以后就會(huì)

15、立刻長(zhǎng)大，晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是液態(tài)金屬原子向晶核表面堆砌的過程，也是固液界面向液體中遷移的過程。晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即均勻長(zhǎng)大和樹枝狀長(zhǎng)大。均勻長(zhǎng)大 純金屬的結(jié)晶過程64在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。正溫度梯度 純金屬的結(jié)晶過程65實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大.這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸，樹枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度 純金屬的結(jié)晶過程66樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶67 金屬的結(jié)晶*晶核長(zhǎng)大用形核速度N晶核數(shù)/(mm3s)，每秒鐘在每立方毫米內(nèi)形成的晶核數(shù)和晶核長(zhǎng)大速度G（mm/min，

16、單位時(shí)間內(nèi)晶體生長(zhǎng)的線速度）兩個(gè)參數(shù)來描述結(jié)晶速度的快慢。形成的晶核越多，生成的晶粒就越細(xì)，所以可以通過控制過冷度來調(diào)整晶粒的大小。形核速度N和晶核長(zhǎng)大速度G與過冷度T的關(guān)系68 金屬的結(jié)晶*金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)性 一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)時(shí)隨著溫度的改變，而改變其晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，又稱重結(jié)晶。它同樣遵循著形成晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶基本規(guī)律。69鑄錠(件)組織與缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。 純金屬的結(jié)晶過程70 鑄錠的組織與缺陷*金屬

17、鑄錠的組織特點(diǎn)鑄錠組織示意圖（1）細(xì)等軸晶 （2）柱狀晶區(qū) （3）粗等軸晶區(qū)71 表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。 鑄錠的組織與缺陷72 柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。 鑄錠的組織與缺陷73中心粗等軸晶區(qū): 由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。 鑄錠的組織與缺陷74 縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的?？赏ㄟ^改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除.鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能是有害的.縮孔 鑄錠的組織與缺陷75偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠(件)在結(jié)晶時(shí),由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果 鑄錠的組織與缺陷76氣孔: 氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而