最新工程材料金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

1、1:31:55金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶1:31:55l對(duì)材料的認(rèn)識(shí)：對(duì)材料的認(rèn)識(shí)： 宏觀（表現(xiàn)）；微觀（納，微米）宏觀（表現(xiàn)）；微觀（納，微米）l微觀認(rèn)識(shí)。微觀認(rèn)識(shí)。 如：晶體結(jié)構(gòu)（上海光源視頻如：晶體結(jié)構(gòu)（上海光源視頻）1:31:56l18631863年，年，光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來(lái)。觀組織聯(lián)系起來(lái)?；诣T鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡pb-sn共晶組織共晶組織人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的1:31:56si表面的重構(gòu)

2、圖象表面的重構(gòu)圖象x-射線衍射儀射線衍射儀1:31:56結(jié)構(gòu)：材料中各原子結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。的具體組合狀態(tài)。一般通過(guò)一般通過(guò)x-射線衍射線衍射射或透射電鏡研究?；蛲干潆婄R研究。al的高分辨透射電鏡象的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的純鐵晶體的x-射線衍射譜射線衍射譜1:31:56透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 光鏡下光鏡下電鏡下電鏡下1:31:56l1934年年位錯(cuò)理論位錯(cuò)理論的提的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的對(duì)于人們認(rèn)識(shí)

3、材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的度材料具有劃時(shí)代的意義。意義。 金屬鈦中的位錯(cuò)金屬鈦中的位錯(cuò)1:31:56第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)l一、什么（非）晶體一、什么（非）晶體？1 1、晶體。、晶體。 如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2 2、非晶體。、非晶體。 如玻璃、瀝青等。如玻璃、瀝青等。 金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶晶 態(tài)態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)1:31:56l二、晶格與晶胞二、晶格與晶胞 空間規(guī)則排列的原子空間規(guī)則排列的原子剛球模型剛球模型 晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架） 晶胞（具有

4、周期性最小組成單元）晶胞（具有周期性最小組成單元）1:31:56l晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊：晶胞個(gè)邊的尺寸的尺寸 a、b、c；棱；棱間的夾角用間的夾角用 、 、 表表示。示。1:31:56 1. 1:31:561:31:56l體心立方晶格體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -fe、cr、w、mo、v、nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑：1:31:561:31:561:31:57 a42r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬

5、： -fe、ni、al、cu、pb、au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格1:31:571:31:571:31:57a21r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： mg、zn、 be、cd等等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng) a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格1:31:57 實(shí)際晶體實(shí)際晶體：理想晶體：理想晶體+ +晶體缺陷晶體缺陷 晶體缺陷晶體缺陷：實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺：實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。按空間尺寸分為三種：陷。按空間尺寸分為三種：

6、1 1 點(diǎn)缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子。點(diǎn)缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子。 2 2 線缺陷。主要是位錯(cuò)。線缺陷。主要是位錯(cuò)。 3 3 面缺陷：主要是晶界和亞晶界面缺陷：主要是晶界和亞晶界1:31:571點(diǎn)缺陷。點(diǎn)缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子。主要是空位、置換原子、間隙原子。空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子 點(diǎn)缺陷與性能：點(diǎn)缺陷與性能： 點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭點(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。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌曲，稱晶格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。性下降。1:31:57 2線缺陷

7、。線缺陷。主要是位錯(cuò)。主要是位錯(cuò)。位錯(cuò)對(duì)性能的影響：位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。途徑。1:31:57電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線黑線)1:31:57l3、面缺陷。、面缺陷。主要是晶界與亞晶界主要是晶界與亞晶界l晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為510個(gè)原子間距，個(gè)原子間距，位向差一般為位向差一般為2040。l亞晶界亞晶界亞晶粒之間的交界面亞晶粒之間的交界面。亞晶粒。亞晶粒是組成晶粒的

8、尺寸很小，是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界1:31:57l晶界與性能：晶界與性能：（1） 原子排列不規(guī)則，原子排列不規(guī)則， 熔點(diǎn)低，熔點(diǎn)低， 耐蝕性差，耐蝕性差， 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚。來(lái)原子易在晶界偏聚。（2） 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。獲得細(xì)晶粒。顯微組織的顯示顯微組織的顯示1:31:57l實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)分類實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)分類 單晶體：?jiǎn)尉w：內(nèi)部晶格位向完全一致，

9、各內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。向同性。 多晶體：多晶體：由許多位向各不相同的單晶由許多位向各不相同的單晶體塊組，各向異性。體塊組，各向異性。 實(shí)際金屬實(shí)際金屬多晶體多晶體 偽各向同性偽各向同性純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖1:31:57l一、結(jié)晶概念一、結(jié)晶概念（凝固和結(jié)晶區(qū)別？） 凝固：凝固： l（液態(tài)）s（固態(tài)） ， s可以是非晶體 結(jié)晶：結(jié)晶： 一次結(jié)晶：ls晶態(tài) 二次結(jié)晶：ss晶態(tài) 近程有序結(jié)構(gòu)近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)晶結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)1:31:58二、冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象（宏觀）二、冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象（宏觀）l冷卻曲線：冷卻曲線：曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的

10、。l過(guò)冷現(xiàn)象：過(guò)冷現(xiàn)象：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。l過(guò)冷度過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差t t= t0 t1 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線1:31:581 1、結(jié)晶的基本過(guò)程、結(jié)晶的基本過(guò)程 結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和長(zhǎng)大長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。兩個(gè)基本過(guò)程組成。 1:31:582 2、晶核的形成方式、晶核的形成方式 形核有兩種方式，即形核有兩種方式，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。1:31:58四、金屬晶粒的大小及影響因素四、金屬晶粒的大小及影響因素 1.晶粒度晶粒度1:31:582.2.晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響

11、金屬的晶粒越細(xì)，常溫下的力學(xué)性能越好？金屬的晶粒越細(xì)，常溫下的力學(xué)性能越好？ 1:31:58 晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度。 n/g比值越大，晶粒越細(xì)小。比值越大，晶粒越細(xì)小。過(guò)冷度 t，n，gn/g增大，細(xì)化晶粒。增大，細(xì)化晶粒。3.控制晶粒度的因素控制晶粒度的因素提高過(guò)冷度提高過(guò)冷度1:31:58變質(zhì)處理變質(zhì)處理又又稱孕育處理稱孕育處理。 即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而 細(xì)化晶粒的方法。細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫所加入的非均勻形核物質(zhì)叫 變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或（或稱孕育劑稱孕育劑）。）。振動(dòng)，攪拌等振動(dòng)，攪拌等 對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可 靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可 使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。1:31:581394153410006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - fe - fe - fe1:31:59l純鐵的純鐵的同素異晶同素異晶( allomorph )