第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容:

金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的:

掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好理論知識的準(zhǔn)備第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù)1、晶格

為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個結(jié)點(diǎn)上，這種抽象的、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。第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2、晶胞

由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點(diǎn)，為了便于討論

通常只從晶格中，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，整個晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。3、晶格常數(shù)在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作三個坐標(biāo)軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度和棱面夾角

來表示晶胞的形狀和大小。第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、金屬中常見晶格

由于金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，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、體心立方晶格體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。在晶胞的中心和八個角上各有一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實(shí)際上只占有1／8個原子。而中心的原子為該晶胞所獨(dú)有。故晶胞中實(shí)際原子數(shù)為8×1／8＋1＝2（個）。具有體心立方晶格的金屬有、等。

第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2、面心立方晶格

面心立方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都排一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8×1／8＋6×1／2＝4（個）。具有面心立方晶格的金屬有、等。

第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3、密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，有六個呈長方形的側(cè)面和兩個呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個晶格常數(shù)表示。一個是柱體的高度c，另一個是六邊形的邊長，在晶胞的每個角上和上、下底面的中心都排列一個原子，另外在晶胞中間還有三個原子。密排六方晶胞每個角上的原子為相鄰的六個晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個原子所共有，晶胞中三個原子為該晶胞獨(dú)有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個）。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn。第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）、晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較。

在體心立方晶胞中，含有2個原子。這2個原子的體積為2×（4／3）πr3，式中r為原子半徑。故體心立方晶格的致密度為：2個原子的體積與晶胞體積之比等于0.68。

這表明在體心立方晶格中，有68％的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為0.74。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當(dāng)鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹。第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、合金的晶體結(jié)構(gòu)

（一）、合金的基本概念

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫做組元。組元通常是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。合金的性能一般都是由組成合金的各相成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性能和各相的組合情況——組織所決定的。第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）、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11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(qiáng)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(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實(shí)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(qiáng)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。金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點(diǎn)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(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)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13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（一）、金屬材料都是多晶體

我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體只有經(jīng)過特殊制作才能獲得。實(shí)際上，常使用的金屬材料，由于受結(jié)晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構(gòu)成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為晶界。在一個晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）、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(jī)械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)缺陷

線缺陷

面缺陷

第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、點(diǎn)缺陷——空位和間隙原子在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，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。第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(qiáng)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(yùn)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(yùn)動，是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、線缺陷——位錯晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量通常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強(qiáng)度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯的移動有關(guān)。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強(qiáng)度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度的增加所致。第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3、面缺陷——晶界和亞晶界實(shí)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(shí)際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖2－23、2－24），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(qiáng)度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(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(qiáng)化和固溶強(qiáng)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(shí)際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點(diǎn)缺陷、位錯、晶界和亞晶界。點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)缺陷、晶界和亞晶界也與材料的力學(xué)性能有關(guān)。

第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)純金屬的結(jié)晶凝固與結(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23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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(yuǎn)程有序排列的過程。第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月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)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象過冷度

ΔT=T0–T1過冷是結(jié)晶的必要條件。

第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.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(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二).結(jié)晶的一般規(guī)律形核長大第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月形核、長大第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1.晶核的形成在一定的過冷度下,當(dāng)F體≥F表時,晶核就形成。晶核形成的形式:

*自發(fā)形核△T=200℃

*非自發(fā)形核△T=20℃

第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.晶核的長大方式—樹枝狀第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.晶核的長大方式—樹枝狀第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月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34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1)過冷度的影響第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三）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3）機(jī)械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:第三節(jié)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)二元合金相圖合金(alloy)組元(元)(element)相(phase)顯微組織(microscopicstructure)第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一.基礎(chǔ)知識1.合金系(alloyseries)2.平衡組織(statenchyma)3.相圖(phasediagram)第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二.相圖的建立名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點(diǎn)高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月熱分析法第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

二.相圖的建立時間溫度90705030AB溫度A溫度B溫度第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月abab:液相線ab

:固相線LL+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月TLTSTnbacABabLS溫度第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月100°C時,糖在水中的飽和度為80%。90°C時,糖在水中的飽和度為70%。過飽和體的濃度為含糖量90%。第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1.勻晶相圖第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月TLTSTnbac杠桿定理QS=(bc／ab)100%

QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS溫度QLQs第48頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.共晶相圖溫度成分100%A100%BLSAL+SASBL+SB第49頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.共晶相圖SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SBLX