第三章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三物質(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。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C60第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。晶體具有固定的熔點(diǎn)。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

在金屬晶體中，原子是按一定的幾何規(guī)律周期性規(guī)則排列的。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)想為剛性小球，并在三維空間中緊密堆積，然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點(diǎn)的中心連接起來，便構(gòu)成了一個(gè)三維的幾何格架。這個(gè)抽象出來的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式的幾何格架，稱為晶格。晶格中各線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三晶胞

從晶格中取一個(gè)最小的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加，晶胞是構(gòu)成晶格的最基本幾何單元。晶胞的選擇原則：①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對稱性。②晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，且具有盡可能多的直角。③體積要最小。

第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三晶格常數(shù)在晶胞中取某一點(diǎn)為原點(diǎn)（通常取在左下角后面一結(jié)點(diǎn)），建立坐標(biāo)系，以晶胞的三個(gè)棱邊作為坐標(biāo)軸x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長度a，b，c及相互間夾角α，β，γ六個(gè)參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長度a，b，c稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三晶向與晶面的概念晶向：在晶胞中，通過若干原子中心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同空間方位的直線——晶向任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成一個(gè)晶向。晶面：在晶胞中，通過若干原子中心構(gòu)成的二維平面——晶面第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三二、常見的晶格類型體心立方BCCBody-centeredcubic面心立方FCCFace-centeredcubic密堆六方CPHClose-packedhexagonal第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)構(gòu)特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,體心中有一個(gè)原子a=b=c，α=β=γ＝90°每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為1+8×1/8=2個(gè)常見金屬：α-Fe，V，Ta，Nb，

Cr，Mo，W等第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,各個(gè)面中心有一個(gè)原子。

a=b=c，α=β=γ＝90°每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4個(gè)常見金屬：Ag，Au，Ni，CuPd，Pt，γ-Fe等第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三特征：12個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)3個(gè)原子（位于對稱中心處）a=bc,==90，=120

通常：c/a=1.633每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為(1/6)×12+2×(1/2)+3=6個(gè)。常見金屬：Mg，Zn，Ti，Zr，等第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三三、晶格的致密度致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶格的致密度是指晶胞中所含原子的體積與該晶胞的體積之比。

金屬晶體的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其原子趨于最緊密的排列，因而金屬晶格中原子排列的緊密程度是反映金屬晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。晶體中原子排列的緊密程度常用晶格的致密度表示。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三表3-1三種常見金屬晶格的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

第二節(jié)實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三⑴單晶體結(jié)構(gòu)單晶體：結(jié)晶位向完全一致的晶體。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”。如單晶硅，水晶石，金剛石。單晶體在不同的晶面和晶向的的力學(xué)性質(zhì)不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。一、多晶體結(jié)構(gòu)第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三多晶體：由眾多外觀不規(guī)則，位向不同的單晶體（晶粒）組成的晶體結(jié)構(gòu)。一般實(shí)際材料均為多晶體。晶粒：實(shí)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，這些小晶體稱為晶粒。晶界：晶粒之間的交界面。晶界上原子排列是不規(guī)則的，晶界不一定是平整的。第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三沿晶斷口鉛錠宏觀組織多晶體結(jié)構(gòu)中，一般晶粒尺寸小，如鋼鐵材料晶粒尺寸一般為10-3～10-1mm左右，必須通過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。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三同一顆晶粒內(nèi)還存在著許多尺寸更小、位向差也很小的小晶快，稱為亞晶粒，亞晶粒構(gòu)成的邊界成為亞晶界。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三晶體缺陷：正常晶體中原子排列受到破壞——缺陷。

實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，缺陷會(huì)引起材料性能的巨大變化，如：理想完整晶體的強(qiáng)度通常是實(shí)際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。晶體缺陷的類型：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷是指長、寬、高三個(gè)方向上尺寸都很小(原子尺寸范圍內(nèi))的缺陷。點(diǎn)缺陷的類型：空位在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。間隙原子在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。置換原子在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。置換原子第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三空位間隙原子大置換原子小置換原子點(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。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三線缺陷：線缺陷是指晶體內(nèi)部一個(gè)方向尺寸較大，在另外兩個(gè)方向上尺寸較小的缺陷，呈線狀分布的缺陷，常見的是各種類型的位錯(cuò)（Dislocation）。位錯(cuò)的形式：刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三刃型位錯(cuò)：在晶體的某一個(gè)晶面的上、下兩部分的原子面產(chǎn)生錯(cuò)排，就好像沿著某方位的晶面插入的一個(gè)多余原子面，但又未插到底，猶如插入刀刃一般，故稱為刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)。多余原子列位于滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“┴”表示。多余原子列位于滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“┬”表示。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級)，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷，是指金屬的晶界和亞晶界。面缺陷的形式：晶界面亞晶界面相界面第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三一、金屬的結(jié)晶

結(jié)晶：液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)溫度時(shí)，原子由無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢◣缀涡螤钭饔行蚺帕械倪^程，稱為結(jié)晶。一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)，則稱為結(jié)晶。結(jié)晶可以是液—固轉(zhuǎn)變，也可以是固—固相變。第三節(jié)金屬的結(jié)晶第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三1、通過熱分析法測定冷卻曲線將純金屬加熱熔化成液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，每隔一段時(shí)間測量液體的溫度，可得到純金屬的溫度—時(shí)間曲線(又稱冷卻曲線)，

第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三1、通過熱分析法測定冷卻曲線純金屬冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度ΔT過冷度ΔT=T0-Tn}第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三1）、

冷卻曲線分析純金屬結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平臺(tái)階的原因，是由于金屬在結(jié)晶過程中，釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了向外界散失的熱量，使溫度并不隨冷卻時(shí)間的增加而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，已沒有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償散失的熱量，故溫度又重新下降。2）、

過冷現(xiàn)象金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象，稱為過冷。過冷度ΔT=T0－Tn，過冷是結(jié)晶的必要條件。同一金屬，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三2、純金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬的結(jié)晶是由晶核的形成和晶核的長大兩個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)晶時(shí)，首先在液體中形成一些極微小的晶體(稱為晶核)，然后再以它們?yōu)楹诵牟粩嚅L大。在這些晶體長大的同時(shí)，又出現(xiàn)新的晶核并逐漸長大，直至液態(tài)金屬全部消失。第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)液體金屬冷到實(shí)際結(jié)晶溫度后，液體中存在著許多類似于晶體的小集團(tuán)，這些小集團(tuán)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。（1）

形核第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三形核和核長大方式晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液—固界面向液體中推移的過程。長大方式：樹枝狀生長（2）

晶核長大第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三（3）影響晶核形成和長大的因素1）過冷度：從金屬的結(jié)晶過程可知，一定體積的液態(tài)金屬中，形成的晶核數(shù)目越多，則結(jié)晶后的晶粒越多，晶粒就越細(xì)小。隨著過冷度的增大，晶核的數(shù)目增加，因此提高過冷度可以增加單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目，使晶粒細(xì)化。（但過冷度過大或溫度過低時(shí)，原子的擴(kuò)散能力降低，形核的速率反而減少。）實(shí)際生產(chǎn)中，增大過冷度的主要辦法是提高液體金屬的冷卻速度以增加形核數(shù)目。如在鑄造生產(chǎn)中，金屬型比砂型有更大的冷卻速度，可以獲得更細(xì)的晶粒。

第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

2）變質(zhì)處理：金屬結(jié)晶時(shí)，向液體金屬中加入微量某種難熔雜質(zhì)，以求細(xì)化金屬晶粒的工藝方法。變質(zhì)處理使結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細(xì)化晶粒的處理方法。3）振動(dòng)或攪拌——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三3、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。這是因?yàn)椋壕ЯＴ郊?xì)，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越??；晶粒越細(xì)，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好。強(qiáng)度和晶粒尺寸的關(guān)系Hall-Petch公式

第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三晶粒度

(晶粒數(shù)/mm2)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5純鐵的晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固體下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又稱為重結(jié)晶。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。鐵是典型的具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變過程同樣遵循形核、長大規(guī)律。第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

正因?yàn)榧冭F具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，才使鋼和鑄鐵通過熱處理來改變其組織和性能成為可能。圖3-13純鐵的冷卻曲線第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三三、金屬鑄錠的組織特點(diǎn)第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三1-表面細(xì)晶區(qū)；2-柱狀晶區(qū)；3-中心等軸晶區(qū)第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三金屬的結(jié)晶