合金晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

合金晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第1頁/共53頁一、晶體的基本知識

（一）、晶體與非晶體

固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第2頁/共53頁1、晶格

抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。2、晶胞

只從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞（二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù)第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第3頁/共53頁

3、晶格常數(shù)以棱邊長度和棱面夾角來表示晶胞的形狀和大小。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第4頁/共53頁（三）、金屬中常見晶格

由于金屬鍵結(jié)合力較強，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。1、體心立方晶格(bbc)

第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第5頁/共53頁晶胞原子數(shù)2原子半徑：晶胞體積為a3，晶胞內(nèi)含有2個原子所以它的致密度是：已知：體心立方結(jié)構(gòu)的原子半徑第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第6頁/共53頁原子個數(shù)：2致密度：0.68屬于該類晶格的常見金屬有α-Fe(<912oC)、δ-Fe(>1400oC)、Cr、W、Mo、V等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第7頁/共53頁2、面心立方晶格（fcc）

第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第8頁/共53頁晶胞原子數(shù)4原子半徑：致密度：0.74第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第9頁/共53頁

3、密排六方晶格第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第10頁/共53頁a21r=：原子半徑原子個數(shù)：6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密排六方晶格第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第11頁/共53頁第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第12頁/共53頁二、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)晶粒：實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.第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第13頁/共53頁單晶體的各向異性同一晶體的不同晶面和晶向上的性能不同鐵的單晶體及其各方向上彈性模量（E）示意圖第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第14頁/共53頁第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第15頁/共53頁三、晶體的缺陷

晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：點缺陷、線缺陷和面缺陷。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第16頁/共53頁

1、點缺陷——空位和間隙原子

在實際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子?？瘴婚g隙原子置換原子第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第17頁/共53頁

由于空位和間隙原子的存在，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度和電阻增加。晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運動和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第18頁/共53頁2、線缺陷——位錯

線缺陷是指在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸很小的缺陷，呈線狀分布，其具體形式是各種類型的位錯。較簡單的一種是“刃型位錯”.第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第19頁/共53頁刃位錯的形成刃位錯滑移_立體圖第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第20頁/共53頁第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第21頁/共53頁地毯挪動第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第22頁/共53頁第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第23頁/共53頁3、面缺陷——晶界和亞晶界

實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域，該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第24頁/共53頁四、合金的相結(jié)構(gòu)

由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。1、固溶體合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。

第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第25頁/共53頁

不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第26頁/共53頁

固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。

2、金屬化合物金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第27頁/共53頁金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。

絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。

第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第28頁/共53頁總結(jié)1、金屬的晶格有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)，由于致密度的不同，從一種晶格到另一種的變化會引起體積的變化。2、合金的相結(jié)構(gòu)有固溶體和化合物。彌散強化和固溶強化可以提高金屬材料的力學(xué)性能，所以，合金化是提高金屬性能的方法之一。3、實際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點缺陷、位錯、晶界和亞晶界。點缺陷對金屬材料的熱處理過程極為重要。位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位錯密度的增加所致。點缺陷、晶界和亞晶界也與材料的力學(xué)性能有關(guān)。

第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第29頁/共53頁凝固與結(jié)晶的概念結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第30頁/共53頁一、凝固與結(jié)晶的概念1.凝固物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。

物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠程有序排列的過程。第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第31頁/共53頁To

二、結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律

一）.結(jié)晶的一般過程1.純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺第二節(jié)純金屬的結(jié)晶時間第32頁/共53頁2.過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象

金屬的實際結(jié)晶溫度T1低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。過冷度

金屬實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷.過冷是結(jié)晶的必要條件。第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第33頁/共53頁3.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶遠程有序結(jié)構(gòu)第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第34頁/共53頁二).結(jié)晶的一般規(guī)律形核長大第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第35頁/共53頁第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第36頁/共53頁1.晶核的形成當(dāng)液體金屬冷到實際結(jié)晶溫度后，液體中存在著許多類似于晶體的小集團，這些小集團中的一部分就成為穩(wěn)定的結(jié)晶核心，稱為晶核。形核有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種方式。自發(fā)形核是在一定條件下，從液態(tài)金屬中直接產(chǎn)生，原子呈規(guī)則排列的結(jié)晶核心；非自發(fā)形核是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發(fā)形核所需能量較少，它比自發(fā)形核容易得多。

第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第37頁/共53頁2.晶核的長大方式—樹枝狀霧凇第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第38頁/共53頁2.晶核的長大方式—樹枝狀第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第39頁/共53頁金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第40頁/共53頁3.影響晶核的形核率和晶體長大率的因素過冷度的影響未熔雜質(zhì)的影響第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第41頁/共53頁過冷度的影響過冷度：ΔT大，形核率N和長大速度G都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細(xì)。當(dāng)過冷度很大時，金屬不再通過結(jié)晶方式凝固，而是形成了非晶態(tài)的金屬——激冷凝固工藝第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第42頁/共53頁三）細(xì)化晶粒的途徑1）提高冷卻速度V冷△TN晶粒細(xì)小2）變質(zhì)處理工業(yè)生產(chǎn)中，常向液體金屬中加入難熔雜質(zhì)來細(xì)化晶粒，這種方法叫做變質(zhì)處理，如在鋁中加入微量的鈦；鑄鐵中加入硅、鈣等。3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。第43頁/共53頁第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第44頁/共53頁純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:1394°C912°Cbccfccbcc

δ-Feγ-Feα-Fe第三節(jié)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變第45頁/共53頁純鐵的冷卻曲線第三節(jié)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變第46頁/共53頁-Fe、-Fe為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的同素異構(gòu)體。-Fe-Fe第三節(jié)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變第47頁/共53頁合金(alloy)組元(元)(element)相(phase)顯微組織(microscopicstructure)第四節(jié)二元合金相圖第48頁/共53頁

1、合金

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金2、組元

組成合金的基本的物質(zhì)稱為組元。3、合金系給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個合金系。如：Cu-Ni,Fe-Fe3C,Cu-Zn等。

第四節(jié)二元合金相圖第49頁/共53頁名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點高低合金1100%0%合金290%10%合金38