金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、. .金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 按原子排列的特征，可將固按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為體金屬物質(zhì)分為晶體晶體和和非晶體非晶體兩大類。兩大類。晶體晶體： 物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序的次序有規(guī)律排列有規(guī)律排列的。如金剛的。如金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。于晶體。非晶體非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)則排列的，如玻璃、松香無規(guī)則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。和瀝青等。非晶體非晶體晶體晶體固體固體物質(zhì)物質(zhì)1.2.1 1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶格晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列

2、的規(guī)律，為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個原子看成是一個點，并可以近似地將晶體中每一個原子看成是一個點，并將各點用假想的線連接起來，就得到一個空間骨架，將各點用假想的線連接起來，就得到一個空間骨架，簡稱晶格，如圖簡稱晶格，如圖1-4b)1-4b)所示。所示。 晶胞晶胞：即晶格中最小的幾何單元。即晶格中最小的幾何單元。圖圖4 4 晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞晶胞 常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類型。晶格和密排六方晶格等三種類型。. .體心立方晶格體心立方晶格 體

3、心立方的晶格是一個體心立方的晶格是一個立方體立方體，其中心和八個角上各有一，其中心和八個角上各有一個原子，如圖個原子，如圖1 15 5所示。所示。 屬于這類晶格的金屬有屬于這類晶格的金屬有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它們都具有較好的塑性和較大的強度。等。它們都具有較好的塑性和較大的強度。圖圖5 5 體心立方球體模型及其晶格體心立方球體模型及其晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞面心立方晶格的晶胞也是一個也是一個立方體立方體，其六個，其六個面中心和八個角上各有一面中心和八個角上各有一個原子，如圖個原子，如圖1 15 5所示。所示。屬于這類晶格的金屬有屬于這類晶格的

4、金屬有 -Fe -Fe 、CuCu、AlAl、NiNi等。等。它們都具有較好的塑性。它們都具有較好的塑性。 圖圖1 16 6 面心立方球體模型及其晶胞面心立方球體模型及其晶胞. .密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是密排六方晶格的晶胞是一個一個六方柱體六方柱體，其上下底面，其上下底面的中心和十二個角上各有一的中心和十二個角上各有一個原子，且在六方柱體的中個原子，且在六方柱體的中間還有三個原子，如圖間還有三個原子，如圖1 17 7所示。屬于這類晶格的金屬所示。屬于這類晶格的金屬有有g(shù) g 、n n 、d d 、e e等。等。這類金屬塑性較差。這類金屬塑性較差。圖圖1 17 7 密排六方

5、球體模型及其晶胞密排六方球體模型及其晶胞1.2.21.2.2金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程. .金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶 即液態(tài)金屬凝固時原子即液態(tài)金屬凝固時原子占據(jù)占據(jù)晶格的規(guī)定位置形成晶格的規(guī)定位置形成晶體的過程。晶體的過程。 純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實驗法得到的溫純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實驗法得到的溫度與時間的關(guān)系曲線，即度與時間的關(guān)系曲線，即冷卻曲線冷卻曲線來表示，如圖來表示，如圖1-81-8所示。所示。圖圖1-8 1-8 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線 T T0 0 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度 T Tn n實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度 TT過冷度過冷度T溫度溫度T0Tn時間時間2.2.

6、過冷過冷 過冷過冷：即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點以下即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點以下 而沒有發(fā)生凝固的現(xiàn)象。而沒有發(fā)生凝固的現(xiàn)象。 過冷度過冷度: 理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值 稱為過冷度。稱為過冷度。 即：即： T=TT=T0 0-T-Tn n式中式中 TT過冷度（過冷度（）；）； T T0 0 金屬的理論結(jié)晶溫度（金屬的理論結(jié)晶溫度（）；）； T Tn n 金屬的實際結(jié)晶溫度（金屬的實際結(jié)晶溫度（）。）。 金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。 冷卻速度越快過冷度也越大。冷卻速度越快過冷度也越大。 3. 3.

7、金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 動畫演示動畫演示金屬的金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶過程包括包括形核形核和和晶核長大晶核長大兩個階段，兩個階段，并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。金屬的結(jié)晶過程動畫金屬的結(jié)晶過程動畫 演示了金屬從形核、晶體長大直至結(jié)晶演示了金屬從形核、晶體長大直至結(jié)晶 完畢整個過程。完畢整個過程。(1)(1)形核形核 形核形核：又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。均質(zhì)形核兩種方式。 1 1）均質(zhì)形核）均質(zhì)形核：又稱自發(fā)形核，是

8、熔融金屬內(nèi)又稱自發(fā)形核，是熔融金屬內(nèi) 僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷 度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一 起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。 2 2）非均質(zhì)形核）非均質(zhì)形核：又稱非自發(fā)形核，是以熔融又稱非自發(fā)形核，是以熔融 金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點作為晶核或金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點作為晶核或 晶核襯底的形核過程。晶核襯底的形核過程。形核形核(2)(2)晶核長大晶核長大 晶核長大晶核長大：即金屬結(jié)晶時，晶粒長大成為晶體的過程。即金屬結(jié)晶時，晶粒長大成為晶體的過程。結(jié)晶過程

9、中，已經(jīng)形成的晶核不斷長大，同時液結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直至態(tài)金屬中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直至液態(tài)金屬全部消失、長大的液態(tài)金屬全部消失、長大的晶體互相接觸晶體互相接觸為止。為止。 晶粒晶粒：多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的 位向）基本相同的小晶體稱為晶粒。位向）基本相同的小晶體稱為晶粒。 晶界晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。4.4.晶粒度及其控制晶粒度及其控制 晶粒度晶粒度：指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號、晶指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號、晶

10、粒平均直徑、單位面積或單位體積的晶粒數(shù)目來定粒平均直徑、單位面積或單位體積的晶粒數(shù)目來定量表征。量表征。（1 1）晶粒度對金屬力學(xué)性能的影響）晶粒度對金屬力學(xué)性能的影響 通常，金屬的通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶。晶粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯，相互楔合，從粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯，相互楔合，從而加強了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。而加強了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。（2 2）細(xì)化晶粒的方法）細(xì)化晶粒的方法 生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度 、動、動力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。1)1)加入形

11、核劑加入形核劑 2 2）增大過冷度）增大過冷度 形核率和晶核長大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核形核率和晶核長大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率的增長比長大速率的增加要快，過冷度率的增長比長大速率的增加要快，過冷度TT越大，單位體積中越大，單位體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就越大，故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。越大，故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。）動力學(xué)法）動力學(xué)法通過機械振動、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對流，從而使通過機械振動、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對流，從而使生長中的晶核

12、折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化晶粒。生長中的晶核折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化晶粒。）其它方法）其它方法熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。1.2.3 1.2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其 晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 如純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缂冭F的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。二次結(jié)晶二次結(jié)晶:金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬 的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和

13、過冷 度，同樣包括晶核的形成和晶核的長大兩個過程，度，同樣包括晶核的形成和晶核的長大兩個過程， 故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變液態(tài)純鐵冷卻到1538時結(jié)晶成體心立方晶格的Fe,繼續(xù)冷卻1394時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變成立方晶格的-Fe,再繼續(xù)冷卻到912時又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變成體心立方晶格的-1.2.4 1.2.4 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元 素所組成的金屬材料。素所組成的金屬材料。組元組元：組成合金的最基本的、獨立的單元稱為組元。

14、：組成合金的最基本的、獨立的單元稱為組元。 按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。 合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物固溶體、金屬化合物和和機械混合物機械混合物三種結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)。組元組元1 1組元組元2 2組元組元3 3合合 金金 1.1.固溶體固溶體(1)(1)固容體的類型固容體的類型 間隙固溶體間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時，只能處于溶劑原子的小時，只能處于溶劑原子的間隙中，稱為間隙固

15、溶體。間隙中，稱為間隙固溶體。如圖如圖1-10a1-10a所示。如所示。如C C、HH、OO等原子易形成間隙固溶體。等原子易形成間隙固溶體。 置換固溶體置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直徑較接近時，只能的原子直徑較接近時，只能替代一部分溶劑原子而占據(jù)替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點位置，溶劑晶格中的某些結(jié)點位置，稱為置換固溶體。稱為置換固溶體。 如圖如圖1-10b 1-10b 所示。所示。 如如Fe-NiFe-Ni、Cu-NiCu-Ni等。等。(2)(2)固溶強化固溶強化 固溶強化固溶強化：通過溶入某：通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強度、硬

16、度而使金屬的強度、硬度升高的現(xiàn)象。升高的現(xiàn)象。如圖如圖1-10c1-10c、1-10d1-10d所示。所示。1-10c 1-10c 間隙固溶體晶格畸變間隙固溶體晶格畸變1-10d 1-10d 置換固溶體晶格畸變置換固溶體晶格畸變2.2.金屬化合物金屬化合物 金屬化合物金屬化合物：即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)?；セ隙纬傻囊环N新的具有金屬特性的物質(zhì)。 金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點和硬度，且脆性較大。結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點和硬度，且脆性較大。碳

17、鋼中的碳鋼中的FeFeC C、合金鋼中的、合金鋼中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均等均屬于金屬化合物。屬于金屬化合物。 FeFeC C的晶格如圖的晶格如圖1-11b1-11b所示。所示。圖圖1-11a 1-11a 石墨的晶格石墨的晶格圖圖1-11b 1-11b 滲碳體的晶格滲碳體的晶格3.3.機械混合物機械混合物 機械混合物機械混合物：即由純金屬、固溶體或化合物按一定：即由純金屬、固溶體或化合物按一定 的重量比組成的物質(zhì)。的重量比組成的物質(zhì)。 機械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶機械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組成物的晶粒。成物的晶粒。 機械混合物的機械混合物的力學(xué)性能力學(xué)性能通常介于各組成物之間，通常介于各組成物之間，并取決于各組成物的并取決于各組成物的含量含量、性能性能、分布分布和和形態(tài)形態(tài)。 如碳鋼中的珠光體就是