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1、.,.1 金属材料的结构 .2金属的实际晶体结构 .3纯金属的结晶与铸锭,第2章 金属的晶体结构与结晶,.,.1.金属晶体 .晶体结构的基本概念 .三种典型的金属晶体结构,2.1 金属的晶体结构,.,0晶体的概念、晶体结构 1三种常见的晶体结构 2晶面 和 晶向 3金属晶体的特性 4晶体缺陷,2.1.1 金属的晶体结构,.,1、晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈有规则，周期性的排列。,2、非晶体 材料中原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。, 晶体的概念,.,原子（离子）的刚球模型, 晶体结构：晶体中的原子（离子、分子）在三维空间中的排列方式。,.,晶格:用假想的连线把各个原子的中
2、心连接起来形成的空间框架.或点阵（晶格）模型,.,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,.,1三种常见的金属晶体结构,（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp,.,（1）体心立方晶格 bcc,-Fe、W、V、Mo 等,.,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,.,（2）面心立方晶格 fcc,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,.,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c
3、； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度： 0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,.,（3）密排六方晶格 hcp,C（石墨）、 Mg、 Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数：6,原子半径：a/2,致密度：0. 74,.,2. 金属晶体中的晶面和晶向,Y,Z,晶面 通过一系列原子中心所构成的平面,晶向 通过两个以上原子中心组成直线所指的方向,.,3. 金属晶体的特性,（1）有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,.,（2）各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象,X,Y,Z,.,.单晶体与多晶体 .晶体缺陷,2. 金属
4、的实际晶体结构,.,. 金属的实际晶体结构,实际金属晶体结构与理想结构的偏离,单晶体：晶粒内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如 单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,.,.晶体缺陷类型,（1）点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小的一个或几个原子间距的缺陷 、空位-晶格节点上没有原子存在的缺陷 、间隙原子-在节点以外位置上的原子 、置换原子-占据正常节点的异类原子 （2）线缺陷： 、位错：在一定为内，晶格中原子发生有规律的错排现象。 、位错的种类：刃型位错、螺型位错。 、位错密度：晶体中单位体积中位错线得总长度 （3）面缺陷： 、晶界：晶粒与晶粒的过度部分（区
5、域） 、亚晶界：亚晶粒与亚晶粒的过度部分（区域）,.,点缺陷,间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）,空位,间隙原子,.,位错:在一定范围内原子在晶体中有规律的错排现象.,线缺陷：,.,线缺陷 刃位错,刃位错,刃位错,.,线缺陷：螺旋型位错（螺型位错）,.,面缺陷：,面缺陷-晶界阻碍位错运动 晶粒越细，则晶界越多，强度越高,晶界：晶粒与晶粒过渡部分,亚晶界：亚晶粒与亚晶粒过渡部分,., 结晶的基本概念 结晶时晶核的形成和长大过程 金属结晶后的晶粒大小 铸锭的组织,2. 纯金属的结晶与铸锭,.,2.3.1 结晶的基本概念,2、冷却曲线与过冷现象,3、金属的结晶过程,4、晶粒大小对金属力
6、学性能的影响,5、细化晶粒的方法,1、凝固和结晶,.,一、结 晶:,1、凝固：物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固 2、结晶：如果凝固的固态物质是以原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。 3、另一种说法：原子由一种的排列方式转变成另外一种排列称为结晶。,.,二、纯金属的结晶条件,结晶,结晶： 液体 - 晶体,凝固： 液体 - 固体（晶体 或 非晶体）,.,1、冷却曲线：是指温度随时间变化的曲线,T0,Tn,理论结晶温度,实际结晶温度,T,过冷度,T= T0 - Tn,纯金属结晶的必要条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）,.,2、过冷现象与过冷度,过 冷：纯金属的实际结晶
7、温度T1总是低于理论 （平衡）结晶温度T0，我们把这种现象称为过冷。 过冷度：实际结晶温度T1与理论（平衡）结晶温度T0的 差值称为过冷度。,.,冷却速度越大，则过冷度越大。,3、冷却速度与过冷度的关系,.,三、结晶时晶核形成和长大过程,（一）、 晶体的结晶过程： 1、晶核形成 2、长大的过程 （二）、影响晶核形成的因素 1、过冷度：是结晶的必要条件， 2、过冷度具备一定的大，过冷度大，结晶的倾向就越大，反之就结晶的倾向性小。,.,纯金属的结晶过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核和晶核长大的过程,.,（1）晶核种类,两种晶核 自发形核 与 非自发形核,自发形核 由液体金属内部原子聚集
8、团组成的，它的尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。,三、晶核的种类与长大方式,.,（2）、晶核长大方式,两种长大方式 平面生长 与 树枝状生长。,平面生长,树枝状 生长,.,四、晶粒大小对力学性能的影响与细化晶粒的方法,（一）、晶粒大小对力学性能的影响 1、晶粒越细：金属的强度就大 2、晶粒越细：金属的韧性就好 3、晶粒越细：金属的塑性就高,.,晶粒度大小的等级表及示意图,晶粒度 表示晶粒大小，分8级（p111)。,细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象,细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性,.,（二）、细化晶粒的方法,基本概念 1、形核率N：单位
9、时间（每秒钟），单位体积（每立方毫米）晶核形成的数目。形核率N越大，晶粒就越细，反之就粗。 2、长大率G：单位时间（每秒钟），晶粒长大的长度（单位是度毫米）。长大率G越大，晶粒就越粗，反之就细。,.,3、过冷度于形核率关系、,形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系,T,G，N,G,N,.,（2）、变质处理,在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织 的工艺措施。,变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。,（3）、振动结晶,振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,（1）、提高过冷度,4、细化的方法:,., 基本概念 合金
10、的相结构 合金的组织,2. 合金的相结构,.,.组元与相的概念,组元 组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物 如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。,相:化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分,相变：金属与合金的一种相，在一定条件下可以变为另一种相。,合金系:是指当组元不变而组元的比例发生变化, 可以 得到一系列不同成分的合金,基本概念,合金：有两个或两个以上的组元组成的金属,.,组织,组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌,组织由相构成， 观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。,金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺
11、过程决定。,.,.合金的相结构,固溶体概念：在金属固体中，溶质原子溶于溶剂的晶格中而仍然保持溶剂晶格类型的新固相。,固溶体种类： 1、间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙所形成的固溶体 2、置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体,固溶强化：由于溶质原子的溶入会引起固溶体晶格发生畸变，使强度、硬度提高，塑性、韧性下降，这种通过溶入原子强化的方法。,.,溶剂原子,溶质原子,a）置换式固溶体,溶剂原子,溶质原子,b）间隙式固溶体,图2.2-6 固溶体的两种类型,.,固溶体类型,.,固溶强化,强化后形成的固溶体使金属强度和硬度提高的塑性韧性下降现象,正常晶格,晶格畸变,.,晶格畸变,小原子
12、置换引起的 晶格畸变,间隙原子引起的 晶格畸变,.,金属化合物,化合物类型,合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相,正常价化合物 按化合价规律形成，如，Mg2Si 。,间隙化合物 过渡金属+小半径非金属元素,电子化合物 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。,间隙相 r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC,复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6,间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。,.,2.4.3 合金的组织,可以由单相固溶体晶粒组成。固溶体强度、硬度较低，塑性、韧性好 可以由单相金属化合物晶粒组成。金属化合物硬度高、脆性大 可以由固溶体和金属化合物混合组成。强度、硬度较高，塑性、韧性较好 可以由两种固溶体混合物组成,.,本章小结,本章重点 1. 晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。 固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化及其实际应用 3. 相和组织的概念。,一般要求 1. 晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。 2. 晶体缺陷（点、线、面缺陷，位错等概念）。,.,作 业 1,P . . .,.,The End,of Chapter two,
