金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

關(guān)于金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.1金屬的特征§1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)§1.3實際晶體中的缺陷§1.4金屬的結(jié)晶過程§1.5晶粒大小控制第一章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨特的性能，如良好的導電性、導熱性、延展性（塑性變形能力）和金屬光澤。這些是金屬的特性么？能否據(jù)此來區(qū)分金屬與非金屬呢？思考§1.1金屬的特征不是第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日1.有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性：如：石墨能導電金剛石導熱無機化合物的金屬光澤；2.各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大：鈈、錳的導電能力比銀、銅相差近百倍銻、鉻、釩等金屬是一種“脆性”金屬。

因此，只根據(jù)以上的一些特性來區(qū)分金屬和非金屬是不夠充分的。

3.金屬的特征：正的電阻溫度系數(shù)§1.1金屬的特征第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日主要是與金屬原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原子間的結(jié)合方式有關(guān)金屬為何具有上述這些特性呢？金屬鍵

金屬鍵是金屬原子之間的結(jié)合鍵，它是大量金屬原子結(jié)合成固體時，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數(shù)次外層電子），成為正離子，而失去的外層電子穿梭于正離子之間，成為公有化的自由電子云或電子氣，而金屬正離子與自由電子云之間的強烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。§1.1金屬的特征第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日金屬材料以金屬鍵方式結(jié)合，從而使金屬材料具有以下特征：良好的導電、導熱性：自由電子定向運動（在電場作用下）導電、（在熱場作用下）導熱。正的電阻溫度系數(shù)：金屬正離子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運動，從而使電阻升高。不透明，有光澤：自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當其從高能軌道跳回低能軌道時，將吸收的可見光能量輻射出來，產(chǎn)生金屬光澤。具有延展性：金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當金屬的兩部分發(fā)生相對位移時，其結(jié)合鍵不會被破壞，從而具有延展性。

§1.1金屬的特征返回第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)1）晶體與非晶體2）金屬的晶體結(jié)構(gòu)3）晶面和晶向及其表示方法4）金屬晶體的特點第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日

晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列—長程有序。

非晶體：原子無規(guī)則堆積，也稱為“過冷液體”—短程有序。晶體金剛石、NaCl、冰等。液體非晶體蜂蠟、玻璃等?！?.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日微晶：快速凝固的晶態(tài)金屬或合金的顆粒尺寸要小得多，僅為微米納米級尺度，高強度高硬度；準晶：在晶體內(nèi)部的原子長程有序，介于晶體和非晶體之間；液晶：二維長程有序。擴充知識§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)a原子堆垛模型b空間點陣c晶格zxyabcd晶胞第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)空間點陣將晶體內(nèi)部的原子（離子）或原子群（離子群）抽象為無數(shù)點子按一定的方式在空間做有規(guī)則的周期性分布，這些幾何點子的總體稱為空間點陣，這些點稱為陣點或節(jié)點。晶格

用一系列假想的平行直線將空間點陣的陣點聯(lián)結(jié)起來，形成的空間網(wǎng)絡(luò)稱為空間格子，也稱晶格。晶胞

為了研究空間點陣的排列特點，從點陣中取出一個反映點陣特征的基本單元（通常是一個平行六面體）作為其組成單元，這個平行六面體稱為晶胞。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)七大晶系，十四個空間點陣：簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交體心正交面心正交底心正交簡單六方簡單菱方簡單正方體心正方簡單立方體心立方面心立方第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念晶胞原子數(shù)一個晶胞內(nèi)所含的原子數(shù)目。注意相鄰晶胞的共有原子的計算方法。原子半徑晶胞中最近鄰的兩個原子之間（平衡）距離的一半。配位數(shù)晶格中和某一原子相鄰的原子數(shù)目稱為配位數(shù)致密度晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上常用的金屬絕大多數(shù)具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型的為以下三種：（1）體心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日體心立方晶格在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，在體中心有一個原子，每個原子與空間點陣中的一個陣點相對應(yīng)。屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有α-Fe,Cr,Mo,W,V等。

§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日體心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日面心立方晶格§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日C（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74密排六方晶格§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日XYZabc晶面通過原子中心的平面晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日

a.晶向指數(shù)的確定方法

1)以晶胞中的某原子為原點確定三維晶軸坐標系，通過原點作平行于所求晶向的直線。

2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點的三個坐標值。

3)將所求坐標值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如[101]。具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為[uvw]。立方晶系的晶面、晶向表示方法§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日

b.晶面指數(shù)的確定方法

1)選坐標，以晶格中某一原子為原點（注意不要把原點放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標的坐標軸。

2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標軸的截距。

3)求三個截距值的倒數(shù)。

4)將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)，如圖所示，其形式為（hkl）。§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日注意：

1)每一個晶面指數(shù)(或晶向指數(shù))泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向）。

2)立方晶系中，凡是指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。

3)原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個晶面（或晶向）族?！?.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日（1）有確定的熔點熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日（2）各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ多晶體材料的偽等向性§1.2金屬的

晶體結(jié)構(gòu)返回第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日§1.3實際晶體中的缺陷第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日理想晶體：是指晶體中原子嚴格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。實際晶體：多晶體+晶體缺陷晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。晶粒（單晶體）§1.3實際晶體中的缺陷第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日一、點缺陷1.點缺陷的概念是晶體中在X,Y,Z三維方向上尺寸都很小的晶體缺陷。2.點缺陷的類型主要有四類，即空位；間隙原子（有同類和異類之分）；置換原子（有大小之分）；復合空位。

置換原子空位復合空位間隙原子置換原子§1.3實際晶體中的缺陷第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日二、線缺陷線缺陷的概念:晶體中在一維方向上尺寸很大，而在另外二維方向上的尺寸很小的晶體缺陷，它的主要形式是位錯。位錯是晶體中一列或若干列原子，發(fā)生某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯的類型:刃型位錯

螺型位錯

§1.3實際晶體中的缺陷第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日刃位錯刃位錯刃型位錯示意圖§1.3實際晶體中的缺陷第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日螺型位錯示意圖§1.3實際晶體中的缺陷第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日位錯密度：單位體積中位錯線的總長度,或單位面積上位錯線的根數(shù),單位cm2位錯線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實驗和理論研究表明:晶體的強度和位錯密度有如圖的對應(yīng)關(guān)系,當晶體中位錯密度很低時,晶體強度很高；相反在晶體中位錯密度很高時,其強度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯密度很高易實現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強度的提高提供途徑。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日三、面缺陷概念：是指晶體中在二維方向上尺寸很大，而在另一維方向上尺寸很小的晶體缺陷。類型：主要包括晶體的外表面、堆垛層錯、晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。

1.晶界

晶界是多晶體中晶粒與晶粒之間的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是體心立方），只是晶格位向不同，因此晶界實際上是不同位向晶粒之間的過渡層。該過渡層有一定的厚度，為了同時適應(yīng)兩側(cè)不同位向晶粒的過渡，而使過渡層處的原子總是不能規(guī)則排列，產(chǎn)生晶格畸變，所以它是晶體中的一種重要的面缺陷。根據(jù)晶體中各晶粒之間的位向差θ不同，又可將晶界分為大角度晶界（θ>10°）和小角度晶界（θ<10°）兩類?！?.3實際晶體中的缺陷第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日對稱傾側(cè)晶界扭轉(zhuǎn)晶界§1.3實際晶體中的缺陷第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日2.亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差θ一般為幾十分到幾度。大晶粒中的小晶粒稱為亞晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界§1.3實際晶體中的缺陷返回第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日液體-->固體（晶體或非晶體）--

凝固液體-->晶體--結(jié)晶

晶體液體結(jié)晶§1.4金屬的結(jié)晶過程第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點時，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點：是近程有序遠程無序結(jié)構(gòu)，見右圖；存在著能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏?！?.4金屬的結(jié)晶過程局部的近程有序第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象研究液態(tài)金屬結(jié)晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態(tài)金屬的溫度與時間的關(guān)系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線，見右圖。過冷現(xiàn)象冷卻過程中的溫度平臺TmTΔT理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度ΔT=Tm-T時間溫度純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當有一定的過冷度（克服界面能）§1.4金屬的結(jié)晶過程第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日過冷現(xiàn)象：

液態(tài)金屬必須冷卻到理論結(jié)晶溫度Tm以下某一個溫度T時才開始結(jié)晶，這個現(xiàn)象稱為過冷。結(jié)晶潛熱：

伴隨著液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變而釋放的熱量稱結(jié)晶潛熱?！?.4金屬的結(jié)晶過程第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日三.金屬結(jié)晶的熱力學條件

過冷后，液固相自由能之差ΔG就是金屬結(jié)晶的驅(qū)動力，過冷度越大，驅(qū)動力越大。§1.4金屬的結(jié)晶過程四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程–形核長大過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日結(jié)晶過程示意圖§1.4金屬的結(jié)晶過程第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日1）形核

液態(tài)金屬在結(jié)晶時，其形核方式一般認為主要有兩種：即均質(zhì)形核（對稱均勻形核）和異質(zhì)形核（又稱非均勻形核）。

（1）均質(zhì)形核

從過冷液態(tài)金屬中自發(fā)形成晶核的過程就稱為均質(zhì)形核。（2）異質(zhì)形核

液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質(zhì)點表面，優(yōu)先形成晶核的過程，稱為異質(zhì)形核。

§1.4金屬的結(jié)晶過程第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日2）晶體的長大

晶核形成以后就會立刻長大，晶核長大的實質(zhì)就是液態(tài)金屬原子向晶核表面堆砌的過程，也是固液界面向液體中遷移的過程。

界面距離溫度Tm固液過冷度界面距離溫度Tm固液過冷度固液界面正、負溫度梯度§1.4金屬的結(jié)晶過程第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日兩種長大方式：