第二章純金屬與合金的結(jié)晶

1、1第第2 2章章 金屬材料的晶體金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 2材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)表明材料的組元及其排列和運動方式。表明材料的組元及其排列和運動方式。對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)水平的認識：對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)水平的認識：宏觀、微觀宏觀、微觀。3“組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)”4相：相：凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。元素不一定單一。其它部分分開的均勻組成部分。元素不一定單一。廣義的講廣義的講組織結(jié)構(gòu)包括了組織結(jié)構(gòu)包括了成分、相、組織、結(jié)構(gòu)成分、相、組織、結(jié)構(gòu)等概念。等概念。組織：組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌，用肉眼或顯微鏡觀察

2、到的材料的微觀形貌，它可以是單相的，也可以是由一定數(shù)量、形態(tài)、大它可以是單相的，也可以是由一定數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式的多種相組成。小和分布方式的多種相組成。52.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織2.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖62.1 純純金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶2.1.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則、：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則、 周期性排列。周期性排列。非晶體非晶體：材料的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液：材料

3、的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液 體相似，亦稱為體相似，亦稱為“過冷液體過冷液體”或或“無定形體無定形體”。(a)、是否具有周期性、對稱性；、是否具有周期性、對稱性；(b)、是否長程有序；、是否長程有序；(c)、是否有確定的熔點；、是否有確定的熔點；(d)、是否各向異性。、是否各向異性。區(qū)區(qū) 別別72晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 a.理想晶體理想晶體實際晶體的理想化實際晶體的理想化p 三維空間無限延續(xù)，三維空間無限延續(xù)，無邊界無邊界；p 嚴格按周期性規(guī)劃排列，是嚴格按周期性規(guī)劃排列，是完整的、無缺陷完整的、無缺陷；p 原子在其平衡位置原子在其平衡位置靜止不動靜止不動。 b. 理想晶

4、體的晶體學抽象理想晶體的晶體學抽象（見下圖見下圖） 空間規(guī)則排列的空間規(guī)則排列的原子原子剛球剛球模型模型晶格晶格（剛球抽（剛球抽象為象為晶格晶格結(jié)點，構(gòu)成結(jié)點，構(gòu)成空間格架空間格架）晶胞晶胞（具有周期性（具有周期性最小組成單元）最小組成單元）晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。82.1 理想晶體的晶體學抽象示意理想晶體的晶體學抽象示意 92.2 晶胞的描述晶胞的描述 晶體學參數(shù)：晶體學參數(shù)：a, b, c,晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a, b, c晶系晶系軸軸( (棱邊棱邊) )之間的夾角之間的夾角三斜晶系三斜晶系 單斜晶系單斜晶系 斜方

5、晶系斜方晶系 正方晶系正方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 立方晶系立方晶系 cXZYOba七個晶系：七個晶系：10布拉菲空間點陣晶胞布拉菲空間點陣晶胞11晶向晶向(crystal direction):(crystal direction): 在晶格中在晶格中, ,任意兩原子之間的連線所指的方向。任意兩原子之間的連線所指的方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù): : 用密勒用密勒(Miller)(Miller)指數(shù)對指數(shù)對晶格中某一原子排列在空間的位向進晶格中某一原子排列在空間的位向進行標定。行標定。n確定方法確定方法:n設(shè)置坐標設(shè)置坐標; ;n求投影坐標求投影坐標; ;n取最小整數(shù)。取最小整數(shù)。1

6、2晶面晶面(crystal face):(crystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。n確定方法確定方法: n設(shè)置坐標設(shè)置坐標; ;n求截距求截距; ;n取倒數(shù)。取倒數(shù)。晶面指數(shù)晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane ):用密勒用密勒(Miller)(Miller)指數(shù)對晶格中指數(shù)對晶格中 某一晶某一晶面進行標定。面進行標定。 13晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：是指在一個晶胞中所含的原子數(shù)目。：是指在一個晶胞中所含的原子數(shù)目。8*1/8+1=2 原子半徑原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰

7、兩原子間：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個原子間距的一半。平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個原子間距的一半。致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分數(shù)，也稱密：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分數(shù)，也稱密排系數(shù)。排系數(shù)。 致密度致密度=（晶胞中原子所占有的體積（晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積）晶胞的體積）X100%配位數(shù)配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。143三種典型的金屬晶體晶胞三種典型的金屬晶體晶胞(圖圖) 屬于此類結(jié)構(gòu)的屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、金屬有：

8、堿金屬、難溶金屬（難溶金屬（V V、NbNb、TaTa、CrCr、MoMo、W W）a-a-FeFe等等 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬的有：屬的有：Al、貴重金、貴重金屬、屬、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不以及奧氏體不銹鋼等銹鋼等。 屬于此類結(jié)構(gòu)的屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：金屬有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。等。體心立方晶胞體心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp15161、體心立方晶胞、體心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞晶胞 晶體學參數(shù)晶體學參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子

9、數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% 43a17 屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等等182、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube晶胞晶胞 晶體學參數(shù)晶體學參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 42a19FCC剛球模型剛球模型 屬于此類結(jié)構(gòu)屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：的金屬有：Al、貴、貴重金屬、重金屬、-Fe、Ni、Pb、Pd

10、、Pt以及奧以及奧氏體不銹鋼等。氏體不銹鋼等。203、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞晶胞 晶體學參數(shù)晶體學參數(shù) 原子半徑原子半徑 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù) 致密度致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 21 屬于此類結(jié)屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：構(gòu)的金屬有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。等。HCP剛球模型剛球模型22BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞的重要參數(shù) 晶胞 晶體學參數(shù) 原子半徑 晶胞原子數(shù) 配位數(shù) 致密度 BCC a=b

11、=c,a=b=g=90o 2 8 68% FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 23密排面與密排方向密排面與密排方向110, 111, 底面底面, 底面上任底面上任 意相鄰原子的連線意相鄰原子的連線244金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實際晶體結(jié)構(gòu) 理想晶體理想晶體+晶體缺陷晶體缺陷實際晶體實際晶體實際晶體實際晶體單晶體和多晶體單晶體和多晶體單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致各向同性多晶體多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成各向異性晶體缺陷：晶體缺陷：實際晶體中存在著偏離實際晶體中

12、存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分。 a、點缺陷點缺陷b、線缺陷線缺陷（位錯）c、面缺陷面缺陷單晶體單晶體多晶體多晶體晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學特性也不同，這就是晶體的各向異性。25A、 點缺陷點缺陷 晶格結(jié)點處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。晶格結(jié)點處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。 u空位空位 (vacancy )：晶格結(jié)點處無原子晶格結(jié)點處無原子 u置換原子置換原子(gap atom )：晶格結(jié)點處為其它原子占據(jù)晶格結(jié)點處為其它原子占據(jù)u間隙原子間隙原子(substit

13、utional atom )：原子占據(jù)晶格間隙原子占據(jù)晶格間隙 空位、間隙原子、置換原子示意圖空位、間隙原子、置換原子示意圖 空位空位26點缺陷導(dǎo)致晶格畸變點缺陷導(dǎo)致晶格畸變置換原子置換原子引起的晶格畸變引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變27B B、 線缺陷線缺陷( line defect ) 位錯位錯( dislocation )： 二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排。二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排。 u刃型位錯刃型位錯( screw dislocation ) u螺型位錯螺型位錯 ( blade dislocation )28c、 面缺陷面缺陷( surface

14、-defect )一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域。一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域。 晶界晶界( grain boundary ):晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界亞晶界( sub-boundary ):相鄰晶粒位向很小相鄰晶粒位向很小( (一般一般1 12 2) )的小角度晶界。的小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面與內(nèi)部不同。表面與內(nèi)部不同。 區(qū)域：區(qū)域：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2930 Cu-Ni 合金中的亞結(jié)構(gòu)合金中的亞結(jié)構(gòu)312.1.2、純金屬的結(jié)晶、純金屬的結(jié)晶1結(jié)晶與凝固的區(qū)別結(jié)晶與凝固的

15、區(qū)別 凝固凝固：LS S可以是非晶可以是非晶結(jié)晶結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。 一次結(jié)晶：一次結(jié)晶：LS晶態(tài)晶態(tài) 二次結(jié)晶：二次結(jié)晶：SS晶態(tài)晶態(tài)LiquidSolid322結(jié)晶驅(qū)動力結(jié)晶驅(qū)動力F0，而不是過冷度，而不是過冷度T 自然界的自發(fā)過程進行的熱力學條件都是自然界的自發(fā)過程進行的熱力學條件都是F0 體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能U，其中可以對外，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫做功或向外釋放的能量叫自由能自由能F，F(xiàn)=U-

16、TS（熵）（熵）過冷度：過冷度： T=Tm-Tn , F用來克服界面能用來克服界面能Tma 當溫度當溫度TTm時，時，F(xiàn)sFL, 液相穩(wěn)定液相穩(wěn)定b 當溫度當溫度TTm時，時，F(xiàn)sL+初初-L+初初+（ c+ e)- 初初+（ c+ e)- 初初+ II+（ +） 亞共晶合金組織亞共晶合金組織 6162相組成物相組成物：， 室溫下室溫下：組織相對量組織相對量： 在共晶溫度時在共晶溫度時： 室溫下室溫下： 初初-+ II 63L=M+fg64合金合金IV：（：（ 過共晶合金）過共晶合金）-作業(yè)作業(yè) 組織標注相圖組織標注相圖 IVIIII(+ )相（%）組織（%）65四、合金性能與相圖的關(guān)系四、合

17、金性能與相圖的關(guān)系 1、合金的使用性能與相圖的關(guān)系、合金的使用性能與相圖的關(guān)系66p 溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素晶格畸變大晶格畸變大強度、硬度強度、硬度，（，（50%最大）最大）p 復(fù)相組織區(qū)域內(nèi)（如共晶轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)），合金的強度和復(fù)相組織區(qū)域內(nèi)（如共晶轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)），合金的強度和硬度隨成分的變化呈直線關(guān)系，大致是兩相性能的算術(shù)平硬度隨成分的變化呈直線關(guān)系，大致是兩相性能的算術(shù)平均值。均值。HB=HBa a * a a% + HB*%p 對組織較敏感的性能對組織較敏感的性能強度，與組成相或組織組成物的強度，與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細密，強度越高組織組

18、成物越細密，強度越高（共晶點共晶點處，共晶組織呈細小、均勻細密的復(fù)相組織，強處，共晶組織呈細小、均勻細密的復(fù)相組織，強度可達度可達最高值最高值。）。）672、合金的工藝性能、合金的工藝性能 68na. 鑄造性能鑄造性能液態(tài)合金的流動性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的液態(tài)合金的流動性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的傾向性等。液固相線距離愈小，傾向性等。液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小結(jié)晶溫度范圍愈小合合金的流動性好金的流動性好有利于澆注有利于澆注。 液固相線距離大液固相線距離大枝晶偏析傾向愈大，合金流動性枝晶偏析傾向愈大，合金流動性也愈差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，也愈差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使

19、鑄造性能惡化，所以鑄造合金的成分常取所以鑄造合金的成分常取共晶成分共晶成分和和接近共晶成分接近共晶成分或或選選擇結(jié)晶溫度間隙最小擇結(jié)晶溫度間隙最小的成分。的成分。n b.鍛造、軋制性能鍛造、軋制性能u單相固溶體合金單相固溶體合金u單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好69一般要求一般要求u1.晶格的致密度，晶體的各向異性；u2.金屬中的擴散;u3.復(fù)習并進一步熟悉強度，塑性等機械性能指標;u4.金屬鑄錠的組織特征及缺陷；u5.形成穩(wěn)定化合物的相圖；u6.合金相圖與性能的關(guān)系。70重點掌握重點掌握 n1.有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：金屬鍵，晶面，晶向，晶體，晶格，晶粒