工程材料与机械制造基础 第三章 金属的晶体结构与结晶解析

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1、 第3章 金属的晶体结构与结晶 3-1 纯金属的晶体结构 3-2 实际金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念 二、常见的金属晶格类型 一、金属是多晶体 二、金属的晶格缺陷 三、金属结构的致密性 3-3 金属的结晶 一、金属的结晶过程 二、金属的同素异构转变 三、金属铸锭的组织特点 物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 分为金属键，离子键， 共价键和分子键。 C60 材料的结合方式 以金属键结合为主 良好的导电性、导 热性、延展性和金 属光泽 用量最大、应用最 广泛 材料的结合方式 2 共价键 如金刚石 3 离子键 如NaCl

2、 4 分子键（氢键） 材料的结合方式 金属的结构 晶态非晶态 SiO2的结构 1、晶体与非晶体 （1）晶体:是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以 晶体形式存在。晶体具有各向异性。 （2）非晶体:是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶 体和非晶体可互相转化。 3-1 纯金属的晶体结构 一、 晶体结构的基本概念 晶胞：能代表晶格原子排列规 律的最小几何单元。 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。 3-1 纯金属的晶体结构 一、 晶体结构的基本概念 晶格常数： 晶胞各边的尺寸 a、b、c。 各棱间

3、的夹角用、表示。 晶格常数的单位：A。 3-1 纯金属的晶体结构 一、 晶体结构的基本概念 3、晶面与晶向 3-1 纯金属的晶体结构 一、 晶体结构的基本概念 晶面：晶格中由一系列原子组成的平面。 （2）晶向：晶格中任意两个结点的连线。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心 立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。 3-1 纯金属的晶体结构 二、 常见的金属晶格类型 1、体心立方晶格 在立方体的八个角上各 有一个与相邻晶胞共有的原 子，并在立方体中心有一个 原子。 1、体心立方晶格 原子个数：2 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr 、W、Mo、V、Nb等强金属性金属 晶格常数：

4、a=b=c 原子半径： 3-1 纯金属的晶体结构 二、 常见的金属晶格类型 原子个数：4 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等大部分有色 金属。 a 4 2 r= ：原子半径 晶格常数：a=b=c 2、面心立方晶格 3-1 纯金属的晶体结构 二、 常见的金属晶格类型 a 2 1 r=：原子半径 原子个数：6 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 3、密排六方晶格 3-1 纯金属的晶体结构 二、 常见的金属晶格类型 晶胞中所包含的原子总体积与该晶胞体积之比。 1、晶体结构的致密度 3-1

5、纯金属的晶体结构 三、 晶体结构的致密度 2、常见金属晶格的致密度 体心立方晶格k=0.68 面心立方晶格k=0.74 密排六方晶格k=0.74 3-2 实际金属的晶体结构 一、 金属是多晶体 单晶体：原子按照 一定的取向规则排 列而成。具有各向 异性，如：水晶、 食盐。 多晶体：由各自取向不同的许 多小晶粒所组成。具有各向同 性。 （1）单晶体具有各向异性 晶体中不同晶向上的原子排列紧密程度不同、不同 晶面的间距不同，所以不同方向上原子的结合力不同， 从而导致晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能出 现一定的差异。 1、单晶体的各向异性 3-2 实际金属的晶体结构 一、 金属是多晶体 （2）

6、 单晶体具有较高的强度、耐蚀性、导电性和其 他性能。 2、多晶体的各向同性 3-2 实际金属的晶体结构 一、 金属是多晶体 （1） 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶 体，每个小晶体晶格位向一致，而小晶体之间彼此晶 格位向不同。这种外形不规则的小晶体称为晶粒，晶 粒之间的界面称为晶界。由于晶界是相邻两晶粒不同 位向的过渡区，故晶界上原子排列是不规则的。 这种由多晶粒构成的晶体结构称为多晶体，多晶 体呈各向同性。 2、多晶体的各向同性 3-2 实际金属的晶体结构 一、 金属是多晶体 （2） 钢铁材料的晶粒尺寸一般为10 10 mm左右 ，须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察 到各种晶

7、粒的形态、大小和分布情况，叫做显微组织 。 （3）同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差 也很小的小晶块，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界称 为亚晶界。 -3-1 2、多晶体的各向同性 3-2 实际金属的晶体结构 一、 金属是多晶体 晶粒：这种外形 不规则的小晶体。 晶界：晶粒之间 的界面。 （1）空位 （2）间隙原子 （3）置换原子 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 1、点缺陷 空间三维尺寸都 很小的缺陷。 (1)空位：晶格中某些缺 排原子的空结点。 (2)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。体心立方的四面体和八面体间隙 3-2 实际金属

8、的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 （3）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， 使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 空位间隙原子小置换原子大置换原子 从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 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错，用“ ”表示。 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 2、线缺陷：空间三维一个方向上尺寸很大的缺陷。 3-2

9、实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 2、线缺陷： 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错 运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要 途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 3、 面缺陷晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距， 位向差一般为2040。 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 亚晶粒大角度和小角度晶界 位错壁 3、 面缺陷晶界与亚晶界 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1 2 )的小晶块。 亚

10、晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在 晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位， 因而实际使用的金属力求获得 细晶粒。 是相变的优先形核部位。 显微组织的显示 3-2 实际金属的晶体结构 二、 金属的晶格缺陷 物质由液态转变为固态的 过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的 过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一 个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。 玻璃制品 水晶 1、 结晶的概念 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 2、冷却曲线 金属结晶

11、时温度与时间的关系 曲线称冷却曲线。曲线上水平 阶段所对应的温度称实际结晶 温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶时 放出结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲线 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 3、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结 晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状 态。 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行 。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温 度的差T称过冷度 T= T0 T1 过冷度大小与冷却速度有关 ，冷速越大，过冷度越大。 3-2 金属的结晶 一、 金

12、属的结晶过程 3、过冷与过冷度 4、液态金属的结晶过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成 。 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们 时聚时散，称为晶胚。 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺 寸的晶胚将会长大，称为晶核。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生 。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每 个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 (1)晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形 核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团 形成晶核称均匀形核。 以

13、液体中存在的固态杂质为 核心形核称非均匀形核。非 均匀形核更为普遍。 均匀形核 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 4、液态金属的结晶过程 (2)晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 均匀长大 树枝状长大的实际观察 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 4、液态金属的结晶过程 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 实际金属结晶主要以树枝状长大枝晶长大方式 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长 快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。 4、 液态金属的结晶过程 金属的树枝晶 金属的树枝晶 金属的树枝晶 冰的树枝晶 3-2

14、 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 （1）影响晶核形成和长大的因素 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。 可用晶粒的平均面积或平均直径 表示。 工业生产上采用晶粒度等级来表 示晶粒大小。 l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微 镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 过冷度对N、G的影响 l单位时间内晶核生长的长度叫长 大速度(G)。 l单位时间、单位体积内形成的晶 核数目叫形核率(N)。 lN/G比值越大，晶粒越细小。因 此，凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。 3

15、-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 控制过冷度：随过冷度增加， N/G值增加，晶粒变细。 变质处理：有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细化 晶粒的方法。所加入的非均匀 形核物质叫变质剂。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 缓冷快冷 未变质变质 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 处理前 处理后 孕育处理使组织细化 。孕育剂为硅铁或硅 钙合金。 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方 面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长 中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。 电磁搅拌细化晶粒示意图 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 细晶的熔模铸件( 上) 普通铸件(下) 3-2 金属的结晶 一、 金属的结晶过程 5、晶粒的大小及其控制 3-2 金属的结晶 二、 金属的同素异构转变 1、金属的同素异构性 一种金属具有两种或两种以上的晶体结构。