《晶体的结构和结晶.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶体的结构和结晶.（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一节 金属的晶体结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 合金的结晶 第四节 铁碳合金相图 第二章 金属的晶体结构与结晶 1-1金属的晶体结构 一、晶体的概念 晶体：原子在空间呈长程有序排列的固态物质 。 非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固 态物质。没有固定的熔点，且各向同性。 二、晶体的特征 1、原子在空间呈长程有序排列； 2、是各向异性的； 3、有固定的熔点； 4、有特定的几何外形。 1. 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成 的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点 。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 三、晶体中几个基本概念 为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体
2、。 刚性球体原子浓缩成一个点（空间点阵）用假 想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）取出 一个有代表性的最小几何单元单位晶体（晶胞） 。 2.晶胞：晶体中有代表性的最小的几何单元，称 为晶胞。 3.晶格常数：晶胞 的三个棱边的尺 寸 a、b、c。用 埃（）表示。 1=10-8cm l各棱间的夹角用 、表示。 四、三种典型的晶体结构： 体心立方、面心立方、密排六方。 1.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻 原子间距的一半。 2.晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目 。 3.配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等 的原子数目。 4.致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数 。 体心立方晶格的参
3、数 体心立方晶格 原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等 晶格常数：a(a=b=c) 原子半径： ar 4 3 = 面心立方晶格的参数 a 4 2 r=：原子半径 原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等 晶格常数：a 面心立方晶格 a 2 1 r=：原子半径 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等 晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 密排六方晶格 12 实际金属的晶体结构 一、 多晶体结构和亚结构 单晶体：晶体材料内
4、部原子规律排列，位向不发 生改变的晶体。 多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶 体结构，称为多晶体。 实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这 些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。 既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各 向异性？为什么？ 多晶体由许多晶格位向不同的晶粒组成， 其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为各向同性。 二、 晶体缺陷 晶格的不完整部 位称晶体缺陷。 实际金属中存在 着大量的晶体缺 陷，按形状可分 三类，即点、线 、面缺陷。 点缺陷 空间三维尺寸都 很小的缺陷。 l空位 l间隙原子 l置换原子 a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b
5、. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原 子，也可以是外来原子。 c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产 生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力 ，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 空位间隙原子小置换原子 大置换原子 位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有 规律的错排现象。 线缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷) 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出 半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多 余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示 。 半原子面在滑移面以下的称负位
6、错，用“ ”表示 。 位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位 错线越近晶格畸变越大，应力越大。 位错密度：单位体积位错线总长度。 = L/V(cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响：以位错线为中心的管道区周 围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使 材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷 大的多，因此对材料性能的影响也大的多。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 强度 透射电镜下钛合金中的位错线(黑线) 高分辨率电镜下的刃位错（高分辨率电镜下的刃位错（ 白点为原子）白点为原子） 面缺陷（一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域）
7、 晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶 界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原 子排列紊乱，具有非晶态特征。 晶界的重要特性： 1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动 起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬 度高细晶强化。 2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。 固态下结构的改变首先从晶界开始。 晶界示意图 亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于2 。 晶界 亚晶界 A B C D 1.几个重要概念： 合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属 元素组成的具有金属特性的物质叫合金。 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是 一种元素或一种稳定的化合
8、物）。 相：金属或合金中，具有相同化学成分，相同结 晶构造，并有明显界面分开的独立组成部分。 组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌 。 三、合金的晶体结构 一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能； 与周围的非同相物质之间有确定的界面； 不同的相可予以机械性分离。 相的基本属性 2.合金中的基本相 根据固态下，合金的组元间作用方式不同，合金 的相结构（基本相）分为两种，即固溶体和金属 间化合物。 1)固溶体 固态下各组元之间互相溶解而形成的均匀的晶态固 体称固溶体. 固溶体中保持原来晶体结构的组元叫溶剂，其它 溶入且晶格消失的组元称溶质。 固溶体的结构与分类 根据溶质原子在溶
9、剂晶格 中的位置分： （1）间隙固溶体 形成间隙固溶体的条件 ：r质/r剂0.59时形成复杂结 构间隙化合物。 如Fe3C、Cr23C6等。Fe3C 称渗碳体，是钢中重要组成 相，具有复杂斜方晶格。 间隙相与间隙固溶体的区别 ？ Fe3C的晶格 高温合金中的Cr23C6 类类型简单结简单结 构间间隙化合物复杂结杂结 构间间 隙化合物 化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C 硬度 HV 285 0 2840201 0 2050155 0 173014801650800 熔点 / 308 0 3472 20 265 0 36805 0 398 0 2785 5 252
10、715771227 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点 （三）金属化合物的结构特点与性能特点 1、金属化合物的晶格类型与组成它的任何组 元都不相同，是单相。 2、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性 。 3、金属化合物是强化相。 工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、 大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很 大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。 机械混合物 单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物不是一种单一 相 与纯金属相比，固溶 体的强度、硬度高， 塑性、韧性低。但与 化合物相比，其硬度 要低得多，而塑性和 韧性则要高得多。 1-3 纯金属的结晶 一、几个
11、概念 1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固 。若凝固后的固体为晶体称为结晶。 2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差 。 理论结晶温度T0与开 始结晶温度Tn之差叫 做 过冷度（ undercooling)，用 T表示。 T= T0Tn 液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。 结晶的条件 1. 必需要有过冷度。 过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过 冷度为236 C。 2. 与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度 越小。 3. 与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度 低， 过冷度大。 冷却速度越大，则开始结 晶温度越低，过冷度也就 越大。 二、结晶过程 液态金属结晶是在结晶温度平台由形核和晶核长大 两个密切联系的基本过程来实现的。 二、结晶过程 晶核的形成与长大。 晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。 晶
