工程材料與機械制造基礎(chǔ)第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第第3 3章章 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 3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念二、常見的金屬晶格類型二、常見的金屬晶格類型一、金屬是多晶體一、金屬是多晶體二、金屬的晶格缺陷二、金屬的晶格缺陷三、金屬結(jié)構(gòu)的致密性三、金屬結(jié)構(gòu)的致密性3-3 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、金屬的結(jié)晶過程一、金屬的結(jié)晶過程二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)⒔饘勹T錠的組織特點三、金屬鑄錠的組織特點物質(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。分為金屬鍵，

2、離子鍵，共價鍵和分子鍵。C60 材料的結(jié)合方式材料的結(jié)合方式以金屬鍵結(jié)合為主 良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤 用量最大、應(yīng)用最廣泛材料的結(jié)合方式材料的結(jié)合方式2 共價鍵如金剛石3 離子鍵如NaCl4 分子鍵（氫鍵）材料的結(jié)合方式材料的結(jié)合方式金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1 1、晶體與非晶體、晶體與非晶體（1 1）晶體）晶體: :是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。（2 2）非晶體）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。3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 晶體結(jié)構(gòu)的基本

3、概念晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣。3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)： 晶胞各邊的尺寸晶胞各邊的尺寸 a a、b b、c c。 各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。 晶格常數(shù)的單位：晶格常數(shù)的單位：A A。3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)的基本概念3 3、晶面與晶向、晶面與晶向 3-1 純金屬的晶

4、體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 晶面：晶面：晶格中由一系列原子組成的平面。（2 2）晶向：）晶向：晶格中任意兩個結(jié)點的連線。 常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 常見的金屬晶格類型常見的金屬晶格類型1 1、體心立方晶格、體心立方晶格 在立方體的八個角上各有一個與相鄰晶胞共有的原子，并在立方體中心有一個原子。1 1、體心立方晶格、體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe-Fe、Cr Cr 、W W、MoMo、V V

5、、NbNb等強金屬性金屬等強金屬性金屬晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a= =b b= =c c原子半徑：原子半徑：3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 常見的金屬晶格類型常見的金屬晶格類型原子個數(shù)：原子個數(shù)：4致密度致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等大部分有色等大部分有色金屬。金屬。 a42r= =：原子半徑原子半徑晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a= =b b= =c c2 2、面心立方晶格、面心立方晶格3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 常見的金屬晶格類型常見的金屬晶格類型a21r= =：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6 6致密度

6、：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長底面邊長 a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.6333 3、密排六方晶格、密排六方晶格3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 常見的金屬晶格類型常見的金屬晶格類型 晶胞中所包含的原子總體積與該晶胞體積之比。1 1、晶體結(jié)構(gòu)的致密度、晶體結(jié)構(gòu)的致密度3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、三、 晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度2 2、常見金屬晶格的致密度、常見金屬晶格的致密度 體心立方晶格k=0.68 面心立方晶格k=0.74 密排六方晶格k=0.743-2 實際金

7、屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 金屬是多晶體金屬是多晶體單晶體：單晶體：原子按照一定的取向規(guī)則排列而成。具有各向具有各向異性異性，如：水晶、食鹽。多晶體：多晶體：由各自取向不同的許多小晶粒所組成。具有各向同各向同性性。（1）單晶體具有各向異性 晶體中不同晶向上的原子排列緊密程度不同、不同晶面的間距不同，所以不同方向上原子的結(jié)合力不同，從而導(dǎo)致晶體在不同方向上的物理、化學(xué)和力學(xué)性能出現(xiàn)一定的差異。1 1、單晶體的各向異性、單晶體的各向異性3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 金屬是多晶體金屬是多晶體 （2） 單晶體具有較高的強度、耐蝕性、導(dǎo)電性和其他性能。2 2、多晶體的

8、各向同性、多晶體的各向同性3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 金屬是多晶體金屬是多晶體 （1） 實際金屬晶體內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個小晶體晶格位向一致，而小晶體之間彼此晶格位向不同。這種外形不規(guī)則的小晶體稱為晶粒，晶粒之間的界面稱為晶界。由于晶界是相鄰兩晶粒不同位向的過渡區(qū)，故晶界上原子排列是不規(guī)則的。 這種由多晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體，多晶體呈各向同性。2 2、多晶體的各向同性、多晶體的各向同性3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 金屬是多晶體金屬是多晶體 （2） 鋼鐵材料的晶粒尺寸一般為10 10 mm左右，須通過顯微鏡放大幾十倍乃至幾百倍以

9、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。（3）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塊，稱為亞晶粒，亞晶粒構(gòu)成的邊界稱為亞晶界。-3-12 2、多晶體的各向同性、多晶體的各向同性3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、一、 金屬是多晶體金屬是多晶體晶粒：這種外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒之間的界面。 （1）空位）空位（2）間隙原子）間隙原子（3）置換原子）置換原子3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷1 1、點缺陷、點缺陷 空間三維尺寸都很小的缺陷。(1)空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。(2)間隙原子：擠進(jìn)晶

10、格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷（3）置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。 點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變格畸變。空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子從而使從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。強度、硬度提高，塑性、韌性下降。3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀

11、刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用“ ”表示。3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷2 2、線缺陷：、線缺陷：空間三維一個方向上尺寸很大的缺陷。 3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷2 2、線缺陷：、線缺陷： 位錯密度：位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為1041012/cm2位錯對性能的影響：位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此

12、阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。3 3、 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為2040。3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁 3 3、 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界 亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1 2 )的小晶塊。 亞晶粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁位錯壁。3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺

13、陷晶界的特點： 原子排列不規(guī)則。 熔點低。 耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。 阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位。 顯微組織的顯示顯微組織的顯示3-2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、二、 金屬的晶格缺陷金屬的晶格缺陷物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶1、 結(jié)晶的概念結(jié)晶的概念3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程2、冷卻曲線金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲

14、線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 3、過冷與過冷度 純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度T0(熔點或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下, 液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。 結(jié)晶只有在T0以下的實際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。 3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度T= T0 T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一

15、、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程3、過冷與過冷度4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時聚時散，稱為晶胚。 在在T T0 0以下以下, , 經(jīng)一段時間后經(jīng)一段時間后( (即孕育期即孕育期), ), 一些大尺一些大尺寸的晶胚將會長大，稱為寸的晶胚將會長大，稱為晶核晶核。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過

16、程金屬的結(jié)晶過程(1)晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形均勻形核核和非均勻形核非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。均勻形核均勻形核3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過程(2)晶核的長大方式 晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。均勻長大均勻長大樹枝狀長大的實際觀察樹枝狀長大的實際觀察3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程4、液態(tài)金屬的結(jié)晶過程3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 實際金屬結(jié)晶

17、主要以樹枝狀長大枝晶長大方式 這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸，樹枝間最后被填充。4、 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程（1 1）影響晶核形成和長大的因素）影響晶核形成和長大的因素表示晶粒大小的尺度叫晶粒度?？捎镁Я５钠骄娣e或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。l標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細(xì)準(zhǔn)晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細(xì)。通過。通過100100倍顯倍顯微鏡

18、下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對照來評級。微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對照來評級。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。過冷度對過冷度對N、G的影響的影響l單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。l單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。lN/G比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制 控制過冷度：控制過冷度：隨過冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。 變質(zhì)處理：變質(zhì)處理：有意向液態(tài)金屬內(nèi)加

19、入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制緩冷緩冷快冷快冷未變質(zhì)未變質(zhì)變質(zhì)變質(zhì)3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制處理前處理前處理后處理后孕育處理使組織細(xì)化。孕育劑為硅鐵或硅鈣合金。3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制 振動、攪拌等振動、攪拌等：對正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖3-2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程5、晶粒的大小及其控制細(xì)晶的熔模鑄件細(xì)晶的熔模鑄件(上上)普通鑄件普通鑄件(下下)3-2 金