第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的特性與金屬鍵良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性有光澤、不透明較高強(qiáng)度、可塑性第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體排列方式。第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格：為了便于研究，用假想直線將金屬中原子的中心位置連接起來表示原子分布的幾何圖形。第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶胞：代表晶格結(jié)構(gòu)特征的最基本單元。

第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格常數(shù)：晶胞各邊尺寸a.b.c單位：?（1?=10-8c

m）晶胞各邊夾角αβγ第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面：晶體中原子排列的平面。晶向：晶體中原子排列的方向。晶面指數(shù)：用以表示晶面空間方位的符號。晶向指數(shù)：用以表示晶向空間方位的符號。第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面指數(shù)確定方法：任選一點(diǎn)為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，以晶胞三棱邊為空間坐標(biāo)軸；以晶格常數(shù)為單位，求晶面截距，取倒數(shù)；將各倒數(shù)化為最小整數(shù)，加圓括號。（hkl）晶面族{hkl}第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶向指數(shù)的確定方法：任選一點(diǎn)為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，以晶胞三棱邊為空間坐標(biāo)軸；過坐標(biāo)原點(diǎn)作一直線，使其平行于待求晶向；讀出該方向任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)值；化為最小整數(shù)，加方括號。[uvw]所有原子排列相同的一族晶向稱為晶向族<uvw>第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月致密度K：晶胞中原子所占體積與該晶包體積之比。對原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較！第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1）體心立方晶格A=b=c;α=β=γ=900晶胞內(nèi)原子數(shù)n=(1/8)×8+1=2密排方向：體對角線a原子半徑r=(/4)aK=0.68常見金屬：α-Fe,Cr,V,Nb,W,Mo等高熔點(diǎn)金屬。

第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2）面心立方晶格A=b=c;α=β=γ=900n=

(1/8)×8+(1/2)×6=4密排方向：面對角線a原子半徑r=(/4)aK=0.74常見金屬：γ-FeAu(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),Ni,Mn第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3)密排六方晶格a.a夾角1200n=(1/6)×12+(1/2)×2+3=6密排方向aR=a/2K=0.74常見金屬：MgZnBe第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、晶體的各向異性單晶體：原子排列具有同一位向的晶體。各向異性：在單晶體中，不同晶向或晶面的原子密度和分布狀態(tài)不同，從而導(dǎo)致不同方向上的性能差異，這種現(xiàn)象叫各向異性。第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶體鐵的彈性模量<111>2.90×105MPa<100>1.35×105MPa單晶體鐵在磁場中沿<100>方向磁化，比沿<111>方向容易，所以制造變壓器硅鋼片時<100>方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低損耗。第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2-2實際金屬的晶體缺陷一、多晶體——由許多位向不同的單晶體組成的晶體。

各向異性被抵消——偽等向性晶粒：多晶體中每一個單晶體。

不規(guī)則顆粒狀10-1~10-3mm晶界：晶粒與晶粒之間交界處的界面。

原子排列混亂疏松第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶界第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體缺陷

1）點(diǎn)缺陷——空位和離位原子（置換原子）第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2）線缺陷——位錯位錯密度——單位體積中位錯線長度。位錯的存在使金屬能夠比較容易發(fā)生塑性變形。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3）面缺陷——晶界、亞晶界面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性，因此細(xì)化晶粒是改善金屬材料性能的有效途徑第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2-3金屬的結(jié)晶與鑄錠結(jié)晶組織性能第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述純金屬的結(jié)晶條件T0——理論結(jié)晶溫度Tn——實際結(jié)晶溫度過冷度△T=T0-Tn第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)定律：在恒溫條件下，只有那些引起體系自由能（即能夠?qū)ν庾鞴Φ哪遣糠帜芰浚┙档偷倪^程才能自發(fā)進(jìn)行。結(jié)晶動力△F第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、純金屬的結(jié)晶過程金屬液形成晶核晶核長大形成晶體生核長大第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1）晶核的形成第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2）晶核的長大第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻速度對金屬晶粒度的影響冷速大冷速小第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月晶核的形成自發(fā)形核非自發(fā)形核第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒大小的衡量——晶粒度第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)晶強(qiáng)化：一般情況下，晶粒越小，強(qiáng)度硬度越高，塑性和韌性越好，工程上通過細(xì)化晶粒來提高金屬力學(xué)性能的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月增大金屬的過冷度成核速率N：——單位時間單位體積形成的晶核數(shù)。個/（m3.s）晶體長大速度G：——單位時間晶體長大的長度。M/s第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月超高速急冷技術(shù)：將液態(tài)金屬連續(xù)留入旋轉(zhuǎn)的冷卻軋輥之間，急冷后可獲得幾毫米寬的非晶態(tài)金屬材料薄帶。非晶態(tài)金屬特點(diǎn)：很高的強(qiáng)度和韌性。高的電阻率。良好的抗磁性等。第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月孕育處理：在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，增加晶核的數(shù)量或阻礙晶核的長大。

加入人工晶核晶粒細(xì)化第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁；鐵水中加入硅鐵、硅鈣合金；鋁硅合金中加入鈉鹽第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月振動在金屬結(jié)晶的過程中采用機(jī)械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁攪拌將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變的電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的枝晶，增加了結(jié)晶的核心，從而細(xì)化晶粒。第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鑄錠的組織1）鑄錠的組織1-細(xì)等軸晶區(qū)2-柱狀晶區(qū)3-粗等軸晶區(qū)第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2）鑄錠晶粒形狀的控制柱狀晶細(xì)密，但接觸面有非金屬夾雜或低熔點(diǎn)雜質(zhì)，熱扎、鍛造時易開裂。熔點(diǎn)高、雜質(zhì)多的金屬、不希望生成柱狀晶。（鐵、鎳及其合金）熔點(diǎn)低、不含易熔雜質(zhì)，塑性較好的金屬可以全部為柱狀晶。（鋁、銅等有色金屬及合金）受單向載荷的零件，柱狀晶結(jié)構(gòu)很理想。（氣輪機(jī)葉片）第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月定向結(jié)晶生產(chǎn)鋁鎳鈷永磁合金第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3）鑄錠的缺陷縮孔縮松氣孔第42頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月五、單晶的制取制取