金属材料的结构、结晶与合金相图讲解

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1、第3章金属材料的结构、结晶与合金相图,3.1 纯金属的晶体结构和组织 3.2 合金的晶体结构和组织,材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。,对材料内部结构水平的认识：宏观、微观。,What? “组织结构”,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。,广义的讲 组织结构包括了成分、相、组织、结构等概念。,组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。,3.1 纯金属的晶体结构和组织,3.2 合金的晶体结构和组织,3.1 纯金属的晶体结构和组织,3.1.1理想晶体,1.晶体与非晶

2、体,晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、 周期性排列。 非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。,(a)、是否具有周期性、对称性； (b)、是否长程有序； (c)、是否有确定的熔点； (d)、是否各向异性。,区 别,石英晶体,石英玻璃,2晶体结构的描述,a.理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界； 严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷； 原子在其平衡位置静止不动。,晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。,b. 理想晶体的晶体学抽象：空间规则排列的原子刚球模型晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具

3、有周期性最小组成单元）,3晶胞的描述,晶体学参数：a, b, c, 晶格常数：a, b, c,七个晶系：,布拉菲空间点阵晶胞,晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。,晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。,确定方法: 设置坐标; 求投影坐标; 取最小整数。,晶向指数的例子,确定方法: 设置坐标; 求投影坐标; 取最小整数。,晶面(crystal face):在晶格中由 一系列原子所构成的平面称为晶面。,确定方法: 设置坐标; 求截距; 取倒数。,晶面指数(indices of crystallograp

4、hic plane ):用密勒(Miller)指数对晶格中 某一晶面进行标定。,晶面指数的例子,正交点阵中一些晶面的面指数,（010） （100） （120） （102） （111） （321）,确定方法: 设置坐标; 求截距; 取倒数。,晶向族,uvw 晶 向 晶向族 :100,010,001,X,Z,Y,X,Z,Y,100,010,001,晶面族,问题：若立方晶系中，同一晶体的晶向指数与晶面指数相同，则两者之间有什么关系？,4三种典型的金属晶体晶胞(图),属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等。,属于此类结构的金属的有：Al、 Cu、贵重金属、-

5、Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。,属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,(1) 体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube,晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。,原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。,致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。 致密度=（晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积）X100%,配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。,体

6、心立方晶胞：r=sqr(3)a/4,8*1/8+1=2,BCC为8,68%,属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等,体心立方晶胞bcc,(2) 面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube,FCC刚球模型,属于此类结构的金属有：Al、Cu、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。,(3) 密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed,属于此类结构的金属有： a-Be、a-Ti、 a-Zr、a-Hf、 a-Co、Mg、Zn等。,HCP刚球模型,BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数,密排面与密排方向

7、,110, ,底面, 底面上任意 相邻原子的连线, 111,3.1.2 实际晶体,理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致-各向异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成-各向同性,晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。,单晶体,多晶体,1. 点缺陷 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。,空位 (vacancy ) ： 晶格结点处无原子 置换原子(gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据 间隙原子(substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙,空位、间隙原子、置换原子示意图,点缺陷导致

8、晶格畸变,置换原子 引起的晶格畸变,空位引起的晶格畸变,2. 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。,刃型位错( screw dislocation ) 螺型位错 ( blade dislocation ),3. 面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。,晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。 表面（surface）：表面与内部不同。,区域：,Cu-Ni 合

9、金中的亚结构,3.1.3晶体中的扩散,扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。,1、概念,扩散热激活过程（以克服晶格约束）,2影响扩散的因素,(1) 温度 使原子能量提高 （最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do扩散系数(cm2/s), Q扩散激活能，T为温度。,(2) 晶体结构 致密度小克服的能垒小扩散容易,(3) 表面及晶体缺陷 晶格畸变高能态原子激活能小(体扩散的0.6-0.7) 扩散快100-1000倍,式中，D0为与振动频率有关的常数（又称频率因子），与温度无关； 温度提高10-15度，D提高一倍。,3.1.4纯金属的结晶及其组织,1结晶与凝固的区别,凝固：L

10、S S可以是非晶 结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态,Liquid Solid,2结晶驱动力F0，而不是过冷度T,自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0,体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵）,过冷度： T=Tm-Tn , F用来克服界面能,Tm,Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度,液、固两相的自由能随温度变化示意图（也可用G表示自由能。）,a 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定 b 当温度TTm时，FsFL, 固相稳定 c 当温度T=Tm

11、时，Fs=FL, 平衡状态,过冷度：T=Tm-Tn, F用来克服界面能,3、过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才能结晶。,结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。,结晶热力学,液、固两相的自由能随温度变化示意图,在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为： 式中，负号表示由液态转变为固态自由能降低；Lm为熔化潜热; T = Tm-T, 称为过冷度(Undercooling)。 可见，

12、过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，Gv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。,结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。,4、结晶的过程,结晶过程:孕育形核长大,形核,长大,结晶动力学,树枝状长大,平面长大,（1）形核：自发形核、非自发形核,（2）长大：平面长大、树枝状长大,5、晶粒尺寸的控制,（1）晶粒度-指晶粒的大小 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。 形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。 （2）过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提高 过冷度 T太高，D降低N降低、G降低,（3）控制晶粒度的因素,提高过冷度 过冷度 T适当，N，

13、GN/G增大，细化。 变质处理 在液态金属中加入高熔点或难熔的孕育剂或变质剂作为非自发晶核的形核核心，以细化晶粒和改善组织的方法。 振动、搅拌等 捣碎已形成的大晶粒，以增加晶核数目。,晶面、晶向 三种典型的金属晶体结构 晶体缺陷 晶体扩散 过冷度 自由能 形核长大 细化晶粒,重点掌握,3.1.4课堂练习,选择题 1. 每个体心立方晶胞中包含有（ ）个原子 A.1 B.2 C.3 D.4 2. 每个面心立方晶胞中包含有（ ）个原子 A.1 B.2 C.3 D.4 3. 属于面心立方晶格的金属有（ ） A.-Fe,铜B.-Fe,钒 C.-Fe,铜 D.-Fe,钒 4. 属于体心立方晶格的金属有（

14、） A.-Fe,铝B.-Fe,铬 C.-Fe,铝 D.-Fe,铬 5. 在晶体缺陷中，属于点缺陷的有（ ） A. 间隙原子 B.位错 C.晶界 D.缩孔 6. 在立方晶系中,指数相同的晶面和晶向( ) A.相互平行 B.相互垂直 C.相互重叠 D.毫无关联 7. 在面心立方晶格中,原子密度最大的晶面是( ) A.(100) B.(110) C.(111) D.(122),是非题（并说明理由） 1. 物质从液体状态转变为固体状态的过程称为结晶。 2. 金属结晶后晶体结构不再发生变化。 3. 液态金属结晶时的冷却速度越快，过冷度就越大，形核率和长大率都增大，故晶粒就粗大。 4. 液态金属冷却到结晶

15、温度时，液态金属中立即就有固态金属结晶出来。 5.影响扩散最主要的因素是温度。 6.金属或合金中,凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为组织。 7. 单晶体具有各向同性，多晶体具有各向异性。,F,F,F,F,T,F,F,填空题 1. 一切固态物质可以分为（ ）与（ ）两大类。 2. 晶体缺陷主要可分为（ ）,（ ）和面缺陷三类。 3. 晶体缺陷中的点缺陷中，除了置换原子还有（ ）和（ ）。 4.最常见的线缺陷有（ ）和（ ）。面缺陷主要指的是（ ）和（ ）； 5.随着过冷度的增大，晶核形核率N（ ），长大率G（ ）。 6.纯铁在1200时晶体结构为（ ），在800时晶体结构为（ ）。 7.在铝合金液体中加入钛、锆；在钢水中加钛、钒、铝等，可使晶粒细化，以上过程为（ ）处理。 8.在实际金属和合金的结晶过程中，自发形核和非自发形核同时存在， （ ）起优先和主导的作用。 9.细化晶粒的主要方法有（a、 b、 c、 ）。,晶态,非晶态,点缺陷,线缺陷,空位,间隙原子,刃型位错,螺型位错,晶界,亚晶界,增大,增大,-Fe,-Fe,变质,非自发形核,增加过冷度,变质处理,振动搅拌,讨论：,金属铸锭的组织特征是什么？ 2.