晶體學基礎知識

晶體學基礎知識第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日金屬晶體學基礎知識不同的金屬具有不同的力學性能，而同一種金屬在不同條件下其力學性能也是不一樣的，金屬材料這種性能上的差異，從本質上講，是由其內部構造所決定的。因此掌握金屬材料內部結構及對力學性能的影響，對于合理選用和加工金屬材料，具有重要的意義。第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日一金屬的結構與結晶

1金屬的晶體結構

1.1

晶體與非晶體在物質內部，凡是原子呈無規(guī)則排列的，稱為非晶體，凡是原子做有序、有規(guī)則排列的稱為晶體。第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.2晶體結構的概念

1.2.1晶格與晶胞把每個原子看做一個點，這個點代表原子的振動中心，把這些點用直線連接起來，就形成了一個規(guī)則排列的空間格子，叫作晶格。能完整的反應晶格特征的最小幾何單元就叫作晶胞。第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日1.2.2晶格常數不同金屬原子的半徑是不一樣的，在組成晶胞后，晶胞的大小和形狀也是不一樣的。大小可用棱邊長度來表示，而形狀可用棱邊的夾角來表示。它們統稱為晶格常數。1.2.3晶面與晶向晶體中通過三個以上原子中心的平面叫晶面，通過兩個以上的原子中心的直線叫晶向。第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.3

多晶體和單晶體

單晶體是指晶體由一個晶粒組成。單晶體具有各向異性多晶體是指晶體由多個晶粒組成。各向異性彼此互相抵消，故顯示各向同性。第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日晶體的各向異性即沿晶向的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同，這就是晶體的各向異性。晶體的各向異性具體表現在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、熱膨脹系數、導熱性、電阻率、磁化率和折射率等都是不同的。各向異性作為晶體的一個重要特性具有相當重要的研究價值。第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.4金屬晶格類型

1.4.1體心立方晶格它的晶胞是立方體，在它的八個頂點上各有一個原子，中心還有一個原子。屬于這種晶體結構的金屬有：α-FeCrVNbWMo等。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.4.2

面心立方晶格其晶胞是立方體，在八個頂點上各有一個原子，在六個面的中心還各有一個原子。屬于這種晶體結構的金屬有：γ-FeNiCuAlAg等。第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.4.3密排六方晶格屬于這種晶體結構的金屬有BeMgZnα-Ti等。第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.4.4

晶胞原子個數計算第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.5金屬晶體缺陷金屬材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來該有規(guī)律的原子堆積方式受到干擾，使得原子排布過程中出現了不規(guī)則現象，稱為晶體缺陷。第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.5.1

點缺陷點缺陷主要包括空位與間隙原子1空位2間隙原子第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日從圖中可以看到，在空位和間隙原子存在的地方，由于在缺陷處原子之間的張力相對正常時產生了變化，從而導致晶格常數有所改變，這種現象叫作晶格畸變。1空位2間隙原子第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.5.2

線缺陷線缺陷是指位錯。如果在晶體中某處有一列和若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現象叫作位錯。位錯有刃形位錯和螺形位錯。右面為刃形位錯第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日螺形位錯第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1.5.3

面缺陷面缺陷是指晶界和亞晶界。實際晶體多為多晶體，是由大量外形不規(guī)則的小晶體組成的，這些小晶體的晶體結構完全相同，但彼此之間的排布取向不同，稱為位向差（一般為幾度或幾十度）晶粒之間的接觸面稱為晶界。第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日1.5.4金屬晶體缺陷對金屬的強化作用。第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日

2

純金屬的結晶由液態(tài)金屬原子的不規(guī)則排列逐步過渡到規(guī)則排列（晶體狀態(tài)）的過程就是金屬的結晶過程?？刂平饘俳Y晶過程已經成為提高金屬性能的主要手段之一，同時，金屬的結晶過程也是一個重要的相變過程

2.1

純金屬理論結晶溫度和過冷度純金屬在冷卻時開始結晶的溫度與金屬在加熱時的熔點是相同的，通常稱它為理論結晶溫度。在相變過程中金屬結構發(fā)生變化的溫度稱為臨界溫度，簡稱臨界點。金屬的結晶溫度也是臨界點。過冷度在實際生產中，液態(tài)金屬結晶總是低于理論結晶溫度，這種現象叫過冷現象。實際結晶溫度與理論結晶溫度之差叫過冷度。第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日2.2純金屬的結晶過程在冷卻過程中液態(tài)金屬冷卻至結晶溫度時，不斷在液態(tài)金屬內部形成一些極微小的晶體，并吸引周圍的液態(tài)原子進行規(guī)則排列，小晶體不斷地向液態(tài)中長大，直至液態(tài)金屬全部消失為止。第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日

2.3晶粒大小對力學性能的影響及細化晶粒的方法金屬內部晶粒越細小，晶界就越多，晶格畸變越多，則強度硬度越高，同時，塑性和韌性也越好。常用細化晶粒的方法有：

2.3.1增加過冷度

2.3.2變質處理

2.3.3附加振動第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日3金屬的同素異構轉變有些金屬在固態(tài)下具有兩種以上的晶格形式，這種現象叫同素異構現象。此種金屬在固態(tài)下由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現象叫同素異構轉變。具有這種性能的金屬有鐵、鈷、錫、錳等。按溫度由低到高依次用希臘字αβγδ表示。第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日3.1純鐵的同素異構轉變液態(tài)純鐵在1538°時進行結晶，得到了具有體心立方晶格的δ-Fe,繼續(xù)冷卻到1394°時，發(fā)生同素異構轉變，δ-Fe轉變成為體心立方晶格的γ-Fe,再冷卻到912°時，又發(fā)生同素異構轉變，γ-Fe轉變成α-Fe。如再冷卻到室溫，晶格類型不再發(fā)生變化，第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日純鐵冷卻曲線與組織轉變第二十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日

4金屬的鑄態(tài)組織金屬鑄錠的鑄態(tài)組織有三個不同特征的晶粒區(qū)。

4.1

表面細晶粒區(qū)。

4.2柱狀晶粒