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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