《工程材料》第二章

主編：東南大學(xué)戴枝榮張遠(yuǎn)明主講：張建學(xué)時(shí)：54工程材料

（工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)Ⅰ）第二章晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體概念晶體：指原子按一定的幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的物體。非晶體：指原子無(wú)規(guī)律、無(wú)次序地堆聚在一起的物體。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)晶格：把晶體中的原子假想為幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線從原子的中心連接起來(lái)形成的表示晶體中原子排列形式的空間格子晶面：晶格中各種方位的原子面晶向：晶格中由原子組成的任何一直線所代表的方向晶胞：構(gòu)成晶格的最基本幾何單元晶格常數(shù)：用以表示晶胞大小和形狀的參數(shù)（基本尺寸為A°,1A°=10-8cm）特點(diǎn)：晶格類型、晶格常數(shù)不同，則呈現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)、機(jī)械性能。二、常見(jiàn)的金屬晶格(一)體心立方晶格組成：由八個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)立方體，并在立方體的體積中心有一個(gè)原子。晶胞：如圖致密度：68%(組成晶胞原子所占晶胞體積的比例)此類金屬：α-Fe、Cr、MO、W、V(二)面心立方晶格組成：由八個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)立方體，并在立方體的六個(gè)側(cè)面的中心各一個(gè)原子。晶胞：如圖致密度：74%

此類金屬：γ-Fe、Cu、Al、Ni(三)密排六方晶格組成：由上、下底面六個(gè)角及中心各有一個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)六方柱體，并在六方柱體的三個(gè)側(cè)面的中心各有一個(gè)原子。晶胞：如圖致密度：74%此類金屬：Be、Mg、Zn、Cd三、單晶體的各向異性各向異性：在同一晶體的不同晶面和晶向上的各種性能不同的現(xiàn)象。形成原因：各晶面、晶向上的原子排列密度不同。單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體，具有各向異性的特征.單晶體示意圖多晶體示意圖單晶的制備備：垂直提提拉法和尖尖端形核法法。第二節(jié)實(shí)實(shí)際際金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)一、多晶體體結(jié)構(gòu)晶粒：具有有不規(guī)則顆顆粒形狀的的小晶體晶界：晶粒粒之間界面面特點(diǎn)：晶界界上原子排排列總是不不規(guī)則的多晶體：由由多種位向向不同的晶晶粒組成的的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)特點(diǎn)：多晶晶體不顯示示各向異性性（原因：：在多晶體體中各個(gè)晶粒粒的位向紊紊亂）晶粒尺寸:鋼鐵為0.1～0.001mm；有色金屬較較大顯微組織：：在顯微鏡鏡下觀察到到各種晶體的的形態(tài)、大小和分布布性況二、晶格缺缺陷晶格缺陷：：是由于晶晶體中的某某些原子偏偏離正常位位置而造成的晶格格畸變(一)點(diǎn)缺缺陷點(diǎn)缺陷：是是晶體體中在X,Y,Z三三維方向上上尺寸都很很小的晶體缺陷陷。包括：：晶格空位位、置換原原子、間隙隙原子形成原因：：原子在各各自平衡位位置做不停停的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：：如圖空位間隙原子小置換原子大置換原子(二)線缺缺陷線缺陷：晶晶體中呈線線狀分布的的缺陷典型結(jié)構(gòu)：：刃型位錯(cuò)錯(cuò)、螺型位位錯(cuò)影響：金屬屬的塑性變變形主要由由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)引起，阻阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是是強(qiáng)化金屬屬的主要途途徑。從-關(guān)系看出，，減少或增增加位錯(cuò)密密度都可以以提高金屬的強(qiáng)度度。電子顯微鏡鏡下的位錯(cuò)錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃型位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）(三)面缺缺陷面缺陷：一一維尺度很很小，而二二維尺度較較大的原子子錯(cuò)排區(qū)域。分分為晶界、、亞晶界、、表面等。。晶界：：不同位向向晶粒的過(guò)過(guò)度部位。。寬度為5～10個(gè)原子間距距，位向差差一般為20～40°。亞晶粒：位位向差很小?。?0’’～2°°)的小晶晶塊。亞晶界：亞亞晶粒之間間的交界面面稱。亞晶晶界也可看看作位錯(cuò)壁。結(jié)論：金屬屬存在晶格格缺陷，其其性能會(huì)發(fā)發(fā)生改變。。①實(shí)際金屬屬是由很多多晶粒組成成，金屬內(nèi)內(nèi)部存在著著點(diǎn)缺陷、位位錯(cuò)、晶界界和亞晶界界。②點(diǎn)缺陷對(duì)對(duì)金屬材料料的熱處理理過(guò)程極為為重要。③位錯(cuò)的存存在以及位位錯(cuò)密度的的變化，對(duì)對(duì)金屬的性性能如強(qiáng)度、、塑性、疲疲勞等都起起著重要影影響。金屬冷變形加加工后的加加工硬化，，就是由于于位錯(cuò)密度的增加所所致。④點(diǎn)缺陷、、晶界和亞亞晶界也與與材料的力力學(xué)性能有有關(guān)。第三節(jié)非非金金屬晶體晶體的分類類：金屬晶晶體、離子子晶體、共共價(jià)晶體、、分子晶體(一)離子子晶體離子晶體：：以離子鍵鍵的靜電引引力形成的的晶體，基基本為面心立方方晶格性能：硬度度高、強(qiáng)度度大、脆（（離子鍵合合力較大））(二)共價(jià)價(jià)晶體共價(jià)晶體：：以共價(jià)鍵鍵的電子共共有形成的的晶體，基基本為面心立方方晶格(三)高分分子晶體（（高分子聚聚合物）(四)金屬屬晶體金屬晶體：：如前所述述第四節(jié)金金屬屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的的概念結(jié)晶：金屬屬由液態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)態(tài)，原子由由不規(guī)則排排列轉(zhuǎn)變有規(guī)規(guī)則的排列列，形成晶晶體的過(guò)程程。熱分析法測(cè)測(cè)定：將液液態(tài)金屬放放在坩鍋中中緩慢冷卻卻，在冷卻過(guò)程程中記錄溫溫度隨時(shí)間間變化的數(shù)據(jù)并并將其繪成成曲線，即即得冷卻曲線。。結(jié)晶特點(diǎn)：金金屬的結(jié)晶是是在恒溫下進(jìn)進(jìn)行的，此時(shí)時(shí)的溫度即為金金屬的理論熔熔點(diǎn)。過(guò)冷度ΔT：：是實(shí)際結(jié)晶晶溫度T1、、理論結(jié)晶溫溫度T0之差，即△T=T0-T1二、金屬的結(jié)結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程：①形核：溫降降活動(dòng)能力降降，局部原子子形成小晶體（晶核）②核長(zhǎng)：晶核核按自方向吸吸附周?chē)幼幼杂砷L(zhǎng)大③兩者同時(shí)并并行圖純金屬屬結(jié)晶過(guò)程示示意圖枝晶的形成：：晶核各方向向的長(zhǎng)大速度度不一致，棱棱角處以較大的速度長(zhǎng)長(zhǎng)成主干，主主干不斷生成成分枝（棱角散熱好好）冰的樹(shù)枝枝晶三、影響響生核長(zhǎng)長(zhǎng)大的因因素形核率ΝΝ：在單單位時(shí)間間內(nèi)、單單位體積積中所產(chǎn)產(chǎn)生的晶核數(shù)長(zhǎng)大速度度G：?jiǎn)螁挝粫r(shí)間間內(nèi)晶核核長(zhǎng)大(一)過(guò)過(guò)冷度的的影響影響:如如圖2--19圖2-19過(guò)過(guò)冷度對(duì)對(duì)晶粒大大小的影影響(二)難難溶雜質(zhì)質(zhì)的影響響影響：難難溶雜質(zhì)質(zhì)越多、、形核率率越大(三)晶晶粒大小小及控制制(1)晶晶粒度的的概念晶粒度:是晶粒粒大小的的度量評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo):單位位體積中中晶粒的的數(shù)目ZV單位面積積中晶粒粒的數(shù)目目ZS晶粒的平平均線長(zhǎng)長(zhǎng)度(或或直徑)影響因素素:形核核率N、、長(zhǎng)大速速度GZV=0.9(N/G)3/4ZS=1.1(N/G)1/2(2)晶晶粒大小小的控制制1)增大大過(guò)冷度度影響：過(guò)過(guò)冷度越越大，N/G愈大，晶晶粒愈細(xì)細(xì)措施：①①提高液液態(tài)金屬屬的冷卻卻速度②提高液液態(tài)金屬屬的過(guò)冷冷能力2)變質(zhì)質(zhì)處理變質(zhì)處理理:是有有意地向向液態(tài)金金屬中加加入某些些變質(zhì)劑劑以細(xì)化晶晶粒和改改善組織織，提高高材料性性能的方法。。措施:①①孕育處處理:在在液態(tài)金金屬中加加入孕育育劑，直直接增加形核核核心的的處理②變質(zhì)處處理:在在液態(tài)金金屬中加加入變質(zhì)質(zhì)劑，改改善晶核的生生長(zhǎng)條件件，強(qiáng)烈烈地阻礙礙晶核的長(zhǎng)大大或改善善組織形形態(tài)的處處理.四、金屬屬的同素素異構(gòu)性性同素異構(gòu)構(gòu)性：一一種金屬屬具有兩兩種或兩兩種以上上的晶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)現(xiàn)象同素異構(gòu)構(gòu)轉(zhuǎn)變：：金屬的的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)隨著著溫度的的變化而改變的的現(xiàn)象鐵的同素素異構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變：如如圖1394°C912°°Cδ-Fe≒γγ–Fe≒≒α--F體心立方方面面心心立方體體心立立方五、金屬屬鑄錠的的組織特特點(diǎn)(一)表表面細(xì)晶晶粒層特點(diǎn):①①過(guò)冷度度大、形形核率高高，形成成細(xì)晶粒粒；②無(wú)方向向性、致致密、力力學(xué)性能能好、熱熱加工性能好(二)柱柱狀晶粒粒層特點(diǎn):①①過(guò)冷度度小、垂垂直于型型壁方向向散熱，，相部晶粒之間間的長(zhǎng)大大余地小小，形成成粒狀；；②致密、、晶界有有低熔點(diǎn)點(diǎn)雜質(zhì)(三)中中心粗大大等軸晶晶粒層特點(diǎn):①①中心區(qū)區(qū)溫度較較均勻、、過(guò)冷度度小、形形成粗大的等軸軸晶粒；；②組織疏疏松、雜雜質(zhì)多、、力學(xué)性性能差、、易裂金屬鑄錠錠的組織織1－細(xì)晶晶區(qū)2－柱狀狀晶區(qū)3－中中心等軸軸晶區(qū)(四)鑄鑄造缺陷陷1.縮孔孔與疏松松：液體體金屬在在凝固時(shí)時(shí)發(fā)生體體積收縮縮