金屬的晶體結構

第二章金屬的晶體結構

緒論

金屬材料通常都是一種晶體材料。金屬的晶體結構指的是金屬材料內部的原子排列的規(guī)律。它決定著材料的顯微組織和材料的宏觀性能。

第一節(jié) 金屬的晶體結構一、金屬晶體的特性

(1)組成晶體的基本原子在三維空間是有一定規(guī)律的(2)金屬晶體具有確定的熔點(3)金屬晶體具有各向異性

第一節(jié) 金屬的晶體結構二、純金屬的晶體結構

晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式稱為晶體結構。通過金屬原子(離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。這種格架稱為晶格。晶格的結點為金屬原子(或離子)平衡中心的位置。晶體晶格

第一節(jié) 金屬的晶體結構二、純金屬的晶體結構

晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ等六個參數(shù)來描述。其中a、b、c為晶格常數(shù)。金屬的晶格常數(shù)一般為1×10-10m～7×10-10m。

第一節(jié) 金屬的晶體結構通過晶體中原子中心的平面叫做晶面；通過原子中心的直線為原子列，其所代表的方向叫做晶向。晶面或晶向可用晶面指數(shù)或晶向指數(shù)來表達。

三、晶體中的晶面和晶向

第一節(jié) 金屬的晶體結構三、晶體中的晶面和晶向

主要晶面[100]晶向族ABB‘A’晶面指數(shù)即為(100)，ACC＇A＇和ACD＇的晶面指數(shù)分別為(110)、(111)。OA的晶向指數(shù)為[100]，OB、OC的晶向指數(shù)分別為[110]、[111]

第一節(jié) 金屬的晶體結構三、晶體中的晶面和晶向晶體各向異性的原因：對于實際使用的金屬,由于其內部有許許多多個晶粒組成,每個晶粒在空間分布的位向不同,因而在宏觀上沿各個方向上的性能趨于相同,晶體的各向異性就顯示不出來了。在立方晶系中,一個晶面指數(shù)與一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號相同時,則該晶面與該晶向互相垂直,如(111)[111]。晶面與晶向互相垂直

第一節(jié) 金屬的晶體結構四、三種常見的金屬晶體結構

1.體心立方晶格(胞)

2.面心立方晶格(胞)

3.密排六方晶格(胞)

體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立方體的角上,一個原子處于立方體的中心,角上八個原子與中心原子緊靠。第一節(jié) 金屬的晶體結構體心立方晶格示意圖(1)體心立方晶格(胞)

具有體心立方晶格的金屬有鉬、鎢、釩、α-鐵等。

體心立方晶胞特征：①晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°②晶胞原子數(shù)：一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為2個。

第一節(jié) 金屬的晶體結構(1)體心立方晶格(胞)

體心立方晶胞特征：③原子半徑：晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半,或晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間距離的一半稱為原子半徑(r原子)。④致密度：晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度(也稱密排系數(shù))。體心立方晶胞的致密度為：即晶胞(或晶格)中有68%的體積被原子所占據(jù),其余為空隙。

金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。第一節(jié) 金屬的晶體結構面心立方晶格示意圖(2)面心立方晶格(胞)

具有面心立方晶格的金屬有鋁、銅、鎳、金、銀、γ-鐵等。

面心立方晶胞特征：①晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°②晶胞原子數(shù)：③原子半徑④致密度：0.74(74%)

金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。第一節(jié) 金屬的晶體結構密排六方晶格示意圖(2)密排六方晶格(胞)

具有密排六方晶格的金屬有鎂、鎘、鋅、鈹?shù)取?/p>

密排六方晶胞特征：①晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表達,兩相鄰側面之間的夾角為120°,側面與底面之間的夾角為90°。

②晶胞原子數(shù)：③原子半徑④致密度：0.74(74%)

第二節(jié) 金屬的結晶過程平面長大樹枝狀長大平面長大的規(guī)則形狀晶體樹枝狀長大的樹枝狀晶體第三節(jié) 細化晶粒金屬結晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒大小可用晶粒度來表示，晶粒度越大晶粒越細。晶粒度表晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直（mm）0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.022在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化,是提高金屬機械性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。第三節(jié) 細化晶粒細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施:

1.增大金屬的過冷度原理：一定體積的液態(tài)金屬中,若成核速率N越大,則結晶后的晶粒越多,晶粒就越細小;晶體長大速度G越快,則晶粒越粗。隨著過冷度的增加,形核速率和長大速度均會增大。但當過冷度超過一定值后，成核速率和長大速度都會下降。對于液體金屬，一般不會得到如此大的過冷度，通常處于曲線的左邊上升部分。所以,隨著過冷度的增大，成核速率和長大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,結果使晶粒細化。第三節(jié) 細化晶粒細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施:

1.增大金屬的過冷度增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度,采用冷卻能力較強的模子。例如采用金屬型鑄模,比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細小。成核速率、長大速度與過冷度的關系第三節(jié) 細化晶粒（重點內容）細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施:

2.變質處理—就是在液體金屬中加入孕育劑或變質劑，以細化晶粒和改善組織。變質劑的作用在于增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長大。例如，在鋁合金液體中加入鈉鹽；鋼水中加入鈦、釩、鋁等，都可使晶粒細化。3.振動4.電磁攪拌第四節(jié) 合金的晶體結構一、基本概念(1)合金

：一種金屬元素同另一種或幾種其它元素,通過熔化或其它方法結合在一起所形成的具有金屬特性的物質。(2)組元

：組成合金的獨立的、最基本的單元叫做組元。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。由兩個組元組成的合金稱為二元合金

(3)“組織”

：是指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內部的形態(tài)結構。一般將用肉眼和放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織，在顯微鏡下觀察到組織稱為顯微組織。

(4)相

：在金屬或合金中，凡化學成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分叫做相。液態(tài)物質為液相，固態(tài)物質為固相。

固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。第四節(jié) 合金的晶體結構二.固溶體(1)定義：溶質原子溶于溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的使金相稱為固溶體。

固溶體用α、β、γ等符號表示。

(2)固溶體的分類：①按溶質原子在溶劑晶格中的位置,固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。②按溶質原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。③按溶質原子在固溶體中分布是否有規(guī)律，固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種。第四節(jié) 合金的晶體結構二.固溶體(3)固溶體的性能固溶體隨著溶質原子的溶入晶格發(fā)生畸變。晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。第四節(jié) 合金的晶體結構三、金屬化合物(1)定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物,或稱中間相。金屬化合物一般熔點較高,硬度高,脆性大。合金中含有金屬化合物時,強度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韌性降低。

(2)金屬化合物的分類：①正常價化合物②電子化合物③間隙化合物第四節(jié) 合金的晶體結構四、合金的組織合金的組織組成可能出現(xiàn)以下幾種狀況：①由單相固溶體晶粒組成；②由單相的金屬化合物晶粒組成；③由兩種固溶體的混合物組成；④由固溶體和金屬化合物混合組成。第五節(jié) 合金的結晶一、概述合金的結晶過程較為復雜,通常運用合金相圖來分析合金的結晶過程。表示在平衡條件下給定合金系中合金的成分、溫度與其相和組織狀態(tài)之間關系的坐標圖形，稱為合金相圖。圖中的每一點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。例如，A點表示，含30%Ni的銅鎳合金在1200℃時處于液相L+固相α的兩相狀態(tài);B點表示,含60%Ni的銅鎳合金在1000℃時處于單一α固相狀態(tài)。第五節(jié) 合金的結晶二、相圖的建立相圖最常用的實驗方法是熱分析法，現(xiàn)以銅鎳二元合金為例來說明二元相圖的建立。第五節(jié) 合金的結晶三、勻晶相圖的結晶過程以b點成分的合金(Ni含量為b%)為例分析結晶過程。在1點溫度以上,合金為液相L。緩慢冷卻至1-2溫度之間時,合金發(fā)生勻晶反應:L→α,從液相中逐漸結晶出α固溶體。2點溫度以下,合金全部結晶為α固溶體,其它成分合金的結晶過程也完全類似。第五節(jié) 合金的結晶四、共晶相圖及發(fā)生共晶反應的合金的結晶(1)Pb-Sn合金共晶相圖分析Pb-Sn合金相圖中有三種相:①Pb與Sn形成的液溶體L相,②Sn溶于Pb中的有限固溶體α相,③Pb溶于Sn中的有限固溶體β相。相圖中有三個單相區(qū):L、α、β三個雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β

一條L+α+β的三相共存線(水平線cde)。

這種相圖稱為共晶相圖。

d點為共晶點。水平線c