第二章結(jié)構(gòu)與結(jié)晶熱

第二章結(jié)構(gòu)與結(jié)晶熱第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日

晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°；原子半徑：晶胞所含原子數(shù)：2個原子。具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。

二、常見的金屬晶格

1.體心立方晶格（bcc晶格）體心立方晶格的晶胞如圖所示。

第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日

晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°；原子半徑：晶胞所含原子數(shù)：4個原子。具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

2.面心立方晶格（fcc晶格）面心立方晶格的晶胞如圖所示。

第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日

晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞所含原子數(shù)：6個原子。具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

3.密排六方晶格（hcp晶格）密排六方晶格的晶胞如圖所示。

第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

三、單晶體的各向異性

金屬晶體不同方向上性能不同，這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。

1.晶面和晶向的概念

在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。2.晶面及晶向的原子密度

不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。

3.多單晶體的偽各向同性第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日

第二節(jié)實際金屬結(jié)構(gòu)

一塊晶體內(nèi)部晶格位向完全一致，稱該晶體為單晶體。由多晶粒構(gòu)成的晶體稱為多晶體。

實際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為以下三種：

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1.點缺陷

點缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個原子直徑的缺陷。⑴空位；⑵間隙原子；⑶置換原子，如圖所示。

點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生了扭曲—晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強(qiáng)度增加，金屬的密度發(fā)生變化。

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2.線缺陷

線缺陷是指二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。它包括各種類型的位錯。所謂位錯是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。最典型為刃型位錯。

第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日

位錯密度可用單位體積中位錯線總長度來表示，即式中，ρ為位錯密度（m-2）；ΣL為位錯線的總長度（m）；V為體積（m3）。位錯的存在極大地影響金屬的力學(xué)性能，如圖所示。

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3.面缺陷

面缺陷是指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界。

晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。如圖（a)所示。亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。如圖(b)所示。晶界、亞晶界處具有許多特殊性能。第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日

第三節(jié)非金屬晶體

一、離子晶體正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的晶體。如NaCl晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。

離子晶體的硬度高、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大，具有很好的絕緣性。典型的離子晶體是無色透明的。第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日

二、共價晶體鍵以共價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合的晶體。如金剛石，硅酸鹽等共價晶體的強(qiáng)度、硬度高、脆性大，熔點、沸點高，揮發(fā)度低。

第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日三、結(jié)晶型高分子聚合物

高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu),也稱超分子結(jié)構(gòu)。依分子在空間排列的規(guī)整性可將高聚物分為結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和無定型(非晶態(tài))三類。

第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的概念

金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)固體的過程稱為結(jié)晶。通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結(jié)晶。而把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。

理論結(jié)晶溫度T0或熔點是固態(tài)和液態(tài)的能量相等的溫度。第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度Tn之差叫做過冷度，用ΔT表示。ΔT=T0—Tn冷卻速度越大，則開始結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。過冷是結(jié)晶的必要條件第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日

二、金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個密切聯(lián)系的基本過程來實現(xiàn)的。

⑴晶核的形成1）自發(fā)形核從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。2）非自發(fā)形核依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。

圖2-5金屬結(jié)晶示意圖第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日

⑵晶體的長大1）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大。

2）樹枝狀長大。當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負(fù)溫度梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大。

樹枝狀長大第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日

三、影響形核和長大的因素

成核速率N為單位時間單位體積形成的晶核數(shù)（個/m3·s),長大速度G為單位時間晶體長大的長度（m/s)。（1）過冷度的影響隨著過冷度的增加,形核速率和長大速度均會增大。當(dāng)過冷度進(jìn)一步增大時，成核速率增大更快，因而比值N/G也增大,結(jié)果使晶粒細(xì)化。（2）難熔雜質(zhì)的影響增加晶核的數(shù)量，使晶粒細(xì)化。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日3.晶粒大小及控制

（1）晶粒度的概念晶粒度是晶粒大小的確量度。用單位體積中晶粒的數(shù)目Zv或單位面積上晶粒的數(shù)目Zs表示，也可以用晶粒的平均線長度（直徑）來表示。Zv=0.9(N/G)3/4Zs=1.1(N/G)1/2在一般情況下,形核速率越大,長大速度越小，晶粒越小,則金屬的強(qiáng)度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細(xì)化,是提高金屬機(jī)械性能的重要途徑之一。這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日（2）晶粒大小的控制1）增大過冷度2）變質(zhì)處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。晶粒度晶粒數(shù)/mm2σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)6.32374635.3512747044.819429410847.5晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日

四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理改性的內(nèi)因和依據(jù)。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下完成的，也是通過形核、長大來完成的。稱為重結(jié)晶。第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日

五、鑄錠結(jié)構(gòu)及其控制

把金屬熔化注入鑄模，冷卻后獲得一