第三章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第3章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)§3-2

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念二、常見(jiàn)的金屬晶格類型一、金屬是多晶體二、金屬的晶格缺陷三、金屬結(jié)構(gòu)的致密性§3-3

金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、金屬鑄錠的組織特點(diǎn)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。分為金屬鍵，離子鍵，共價(jià)鍵和分子鍵。C60

材料的結(jié)合方式1金屬鍵以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應(yīng)用最廣泛材料的結(jié)合方式2共價(jià)鍵如金剛石3離子鍵如NaCl4分子鍵（氫鍵）材料的結(jié)合方式金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體（1）晶體:是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。（2）非晶體:是指原子呈無(wú)序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。2、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)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?！?-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念⑶晶格常數(shù)：●晶胞各邊的尺寸a、b、c?！窀骼忾g的夾角用、、表示?！?-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念3、晶面與晶向

§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念⑴晶面：晶格中由一系列原子組成的平面。（2）晶向：晶格中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的連線。常見(jiàn)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。§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見(jiàn)的金屬晶格類型1、體心立方晶格在立方體的八個(gè)角上各有一個(gè)與相鄰晶胞共有的原子，并在立方體中心有一個(gè)原子。1、體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2致密度：0.68常見(jiàn)金屬：-Fe、Cr

、W、Mo、V、Nb等強(qiáng)金屬性金屬晶格常數(shù)：a=b=c原子半徑：§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見(jiàn)的金屬晶格類型

a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等大部分有色金屬。晶格常數(shù)：a=b=c2、面心立方晶格§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見(jiàn)的金屬晶格類型a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.6333、密排六方晶格§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、常見(jiàn)的金屬晶格類型晶胞中所包含的原子總體積與該晶胞體積之比。1、晶體結(jié)構(gòu)的致密度§3-1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、晶體結(jié)構(gòu)的致密度2、常見(jiàn)金屬晶格的致密度體心立方晶格k=0.68

面心立方晶格k=0.74

密排六方晶格k=0.74§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬是多晶體單晶體：原子按照一定的取向規(guī)則排列而成。具有各向異性，如：水晶、食鹽。多晶體：由各自取向不同的許多小晶粒所組成。具有各向同性。（1）單晶體具有各向異性

晶體中不同晶向上的原子排列緊密程度不同、不同晶面的間距不同，所以不同方向上原子的結(jié)合力不同，從而導(dǎo)致晶體在不同方向上的物理、化學(xué)和力學(xué)性能出現(xiàn)一定的差異。1、單晶體的各向異性§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬是多晶體（2）單晶體具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性、導(dǎo)電性和其他性能。2、多晶體的各向同性§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬是多晶體（1）實(shí)際金屬晶體內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體晶格位向一致，而小晶體之間彼此晶格位向不同。這種外形不規(guī)則的小晶體稱為晶粒，晶粒之間的界面稱為晶界。由于晶界是相鄰兩晶粒不同位向的過(guò)渡區(qū)，故晶界上原子排列是不規(guī)則的。這種由多晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體，多晶體呈各向同性。2、多晶體的各向同性§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬是多晶體（2）鋼鐵材料的晶粒尺寸一般為10～10mm左右，須通過(guò)顯微鏡放大幾十倍乃至幾百倍以上才能觀察到各種晶粒的形態(tài)、大小和分布情況，叫做顯微組織。（3）同一顆晶粒內(nèi)還存在著許多尺寸更小、位向差也很小的小晶塊，稱為亞晶粒，亞晶粒構(gòu)成的邊界稱為亞晶界。-3-12、多晶體的各向同性§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬是多晶體晶粒：這種外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒之間的界面。

（1）空位（2）間隙原子（3）置換原子§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷1、點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷。(1)空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。(2)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(lái)原子。體心立方的四面體和八面體間隙§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷（3）置換原子：

取代原來(lái)原子位置的外來(lái)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，稱晶格畸變?？瘴婚g隙原子小置換原子大置換原子從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降?！?-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷刃型位錯(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?！?-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷2、線缺陷：空間三維一個(gè)方向上尺寸很大的缺陷。

§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷2、線缺陷：

位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/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。3、面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°?！?-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁3、面缺陷—晶界與亞晶界亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1~2)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?！?-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷晶界的特點(diǎn)：①原子排列不規(guī)則。②熔點(diǎn)低。③

耐蝕性差。④易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚。⑤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。⑥是相變的優(yōu)先形核部位。

顯微組織的顯示§3-2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶格缺陷物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過(guò)程稱為相變。因而結(jié)晶過(guò)程是相變過(guò)程。玻璃制品水晶1、結(jié)晶的概念§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程2、冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。

純金屬的冷卻曲線§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程

3、過(guò)冷與過(guò)冷度

純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。

§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過(guò)冷度T=T0–T1過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程3、過(guò)冷與過(guò)冷度4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。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，稱為晶胚。

在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程(1)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§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程(2)晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即均勻長(zhǎng)大和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。均勻長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的實(shí)際觀察§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程

實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大——枝晶長(zhǎng)大方式

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(shù)枝間最后被填充。4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程樹(shù)

枝

狀

結(jié)

晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程（1）影響晶核形成和長(zhǎng)大的因素表示晶粒大小的尺度叫晶粒度?？捎镁Я５钠骄娣e或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過(guò)100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大速度。過(guò)冷度對(duì)N、G的影響單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度叫長(zhǎng)大速度(G)。單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制(2）鑄態(tài)金屬晶粒細(xì)化的方法●

控制過(guò)冷度：隨過(guò)冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)?！褡冑|(zhì)處理：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?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制Al-Si合金組織緩冷快冷未變質(zhì)變質(zhì)§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制鑄鐵孕育處理前后的組織處理前處理后孕育處理使組織細(xì)化。孕育劑為硅鐵或硅鈣合金?！?-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制●振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細(xì)晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)§3-2金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過(guò)程5、晶粒的大小及其控制§3-2金屬的結(jié)晶二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1、金屬的同素異構(gòu)性

一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)。2、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）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。如：鐵、鈷、錫、錳等。§3-2金屬的結(jié)晶二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）§3-2金屬的結(jié)晶二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3、純鐵的同素轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變遵循結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的平衡轉(zhuǎn)變溫度(相變點(diǎn))；轉(zhuǎn)變時(shí)需要過(guò)冷度；轉(zhuǎn)變過(guò)程也是由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大來(lái)完成的。但是這種轉(zhuǎn)變是