工程材料金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶7/13/20221對材料的認(rèn)識： 宏觀（表現(xiàn)）；微觀（納，微米）微觀認(rèn)識。 如：晶體結(jié)構(gòu)（上海光源視頻）7/13/202221863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的7/13/202231912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。 Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀7/13/20224結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過X-射線衍射或透射電鏡研究。Al的高分辨透射

2、電鏡象純鐵晶體的X-射線衍射譜透射電鏡衍射斑點7/13/202251932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m） 透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡 光鏡下電鏡下7/13/202261934年位錯理論的提出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識材料的力學(xué)性能及設(shè)計高強度材料具有劃時代的意義。 金屬鈦中的位錯7/13/20227第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、什么（非）晶體？1、晶體。 如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2、非晶體。 如玻璃、瀝青等。 金屬的結(jié)構(gòu)晶 態(tài)非晶態(tài)7/13/20228二、晶格與晶胞 空間規(guī)則排列的原子剛

3、球模型 晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點，構(gòu)成空間格架） 晶胞（具有周期性最小組成單元）7/13/20229晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺寸 a、b、c；棱間的夾角用、表示。7/13/202210三、常見的三種金屬晶體結(jié)構(gòu) 1. 體心立方晶格7/13/2022117/13/202212體心立方晶格原子個數(shù)：2配位數(shù)： 8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：7/13/2022132.面心立方晶格7/13/202214面心立方晶格的參數(shù)7/13/202215a42r=：原子半徑原子個數(shù)：4配位數(shù)： 12致密度：0.74常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu

4、、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格7/13/2022163. 密排六方晶格7/13/202217密排六方晶格的參數(shù)7/13/202218a21r=：原子半徑原子個數(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 a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格7/13/202219 實際晶體：理想晶體+晶體缺陷 晶體缺陷：實際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。按空間尺寸分為三種： 1 點缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子。 2 線缺陷。主要是位錯。 3 面缺陷：主要是晶界和亞晶界第二節(jié) 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)7/13/2022201點缺陷。主要是空

5、位、置換原子、間隙原子?？瘴婚g隙原子大置換原子小置換原子 點缺陷與性能： 點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。7/13/202221 2線缺陷。主要是位錯。位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。7/13/202222電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）7/13/2022233、面缺陷。主要是晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為2040。亞晶界亞晶粒之間的交界面。亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差

6、也很小(10 2 )的小晶塊。大角度晶界-晶界小角度晶界-亞晶界7/13/202224晶界與性能：（1） 原子排列不規(guī)則， 熔點低， 耐蝕性差， 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。（2） 阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。顯微組織的顯示7/13/202225實際金屬晶體結(jié)構(gòu)分類 單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組，各向異性。 實際金屬多晶體 偽各向同性純鐵組織晶粒示意圖7/13/202226第三節(jié) 金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶概念（凝固和結(jié)晶區(qū)別？） 凝固： L（液態(tài)）S（固態(tài)）， S可以是非晶體 結(jié)晶： 一次結(jié)晶：LS晶態(tài) 二次

7、結(jié)晶：SS晶態(tài) 近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)7/13/202227二、冷卻曲線和過冷現(xiàn)象（宏觀）冷卻曲線：曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的。過冷現(xiàn)象：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差T T= T0 T1 純金屬的冷卻曲線7/13/202228三、純金屬的結(jié)晶過程（微觀）1、結(jié)晶的基本過程 結(jié)晶由晶核的形成和長大兩個基本過程組成。 7/13/2022292、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。7/13/202230四、金屬晶粒的大小及影響因素 1.晶粒度7/13/2022312.晶粒大小對力學(xué)性能的影響 金屬的

8、晶粒越細(xì)，常溫下的力學(xué)性能越好？ 15:49:1332 晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。 N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。過冷度 T，N，GN/G增大，細(xì)化晶粒。3.控制晶粒度的因素提高過冷度7/13/202233變質(zhì)處理又稱孕育處理。 即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而 細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫 變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。振動，攪拌等 對正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動或攪動，一方面可 靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可 使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。7/13/202234同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：純鐵的冷卻曲線1394153410006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe7/13/202235純鐵的同素異晶( allomorph )