工 程 材 料 学课件

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1、工 程 材 料 学,南京航空航天大学 梁文萍,第二章 金属的晶体结构与结晶,2.1 晶体学基础知识,2.2 纯金属的典型晶体结构,2.3 金属材料的实际晶体结构,2.4 纯金属的结晶和铸锭组织,学习重点： 三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。 实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系。 结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。 学习难点： 晶面指数与晶向指数的确定,结晶机理。,学习要求和难点,2.1 晶体学基础知识,C60,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。 固体物质大多为晶体,其原子排列规则有序。,2.1 晶体学基础知识,2.1.1 晶体与非晶体 晶体：固态物

2、质的一种聚集方式，原子（或分子、离子） 在三 维空间呈一定的规则周期性排列。 非晶体：原子排列没有规律的固体物质。,晶体的特点：,2.1 晶体学基础知识,2.1 晶体学基础知识,2.1.2 晶体的表征晶格与晶胞,1. 晶格：把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置抽象为规则排列的几何点（结点），用一系列相互平行的直线将节点连接起来形成的空间格架称为晶格。 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵,2.1 晶体学基础知识,2. 晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。,晶胞的确定要满足以下原则：能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。 通常为角上有阵点的最小平行六面体。,2.1 晶体学基

3、础知识,3. 点阵常数：描述晶胞空间几何特征的数学参数，即平行六面体的三个棱边长a、b、c和及相互间夹角、。,2.1 晶体学基础知识,4. 晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120,立方,六方,四方,菱方,正交,单斜,三斜,2.1 晶体学基础知识,5. 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。 6. 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 7. 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 8. 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,2.1 晶

4、体学基础知识,2.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法,晶面：晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。 晶向：空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。,晶面指数与晶向指数（Miller指数）在分析晶体特性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面，为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。,2.1 晶体学基础知识,（1）建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采用平移法）； （2）求出该晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ； （3）计算其倒数 b1 b2 b3 ； （4）化成最小整数比h：k：l ； （5）记为(h k l)

5、，负号记在字母上方 。,1.晶面指数标定方法：,2.1 晶体学基础知识,举例：,2.1 晶体学基础知识,注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。,2.1 晶体学基础知识,晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。,2.1 晶体学基础知识,立方晶系常见的晶面,2.1 晶体学基础知识,2.晶向指数标定方法：,（1）建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 ； （2）求出晶向上任一点的坐标(x, y, z) ； （3）化成最小的整数比u：v：w ； （4）记为:u v w ，负号记在字母上方 。,2.1 晶体学基础知识,注意: 晶向指数特征与原点位

6、置无关； 晶向具有方向性，如110与 方向相反； 每一指数对应一组平行的晶向。,221,110,晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的集合。用尖括号表示 。,2.1 晶体学基础知识,2.1 晶体学基础知识,立方晶系常见的晶向：,111,2.2 纯金属的典型晶体结构,结构特点: 以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆结构。 90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：,体心立方(bcc) 面心立方(fcc) 密排六方(hcp),2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2.1 体心立方（Body-Centered Cubic, bcc),具有bcc结构的金属: -Ti、V、Cr、-Fe、-

7、Zr、Nb、Mo、Ta、W 等。,2.2 纯金属的典型晶体结构,晶胞的原子数量： 点阵常数： a 原子半径： 配位数： 8 致密度：,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方结构的晶格参数,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方晶格中原子排列密度,具有fcc结构的金属: -Fe、Al、-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt等。,2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2.2 面心立方（ Face-Centered Cubic, fcc),2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2 纯金属的典型晶体结构,晶胞的原子数量： 点阵常数： a 原子半径： 配位数： 12 致密度：,面心立方结构的晶格参数,2.2 纯金

8、属的典型晶体结构,面心立方晶格中原子排列密度,2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2.3 密排六方（Hexagonal Close-packed, hcp),具有hcp结构的金属: -Ti、-Zr、Be、Mg、Zn等。,2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2 纯金属的典型晶体结构,密排六方结构的晶格参数,晶胞的原子数量： 点阵常数： a、c， 原子半径： 配位数： 12 致密度：,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子密排面、密排晶向比较,bc,fc,hp,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方晶格的密排面、密排晶向,2.2 纯金属的典型晶体结构,面心立方晶格的密排面

9、、密排晶向,2.2 纯金属的典型晶体结构,密排六方晶格的密排面、密排晶向,六方底面,底面对角线,2.2 纯金属的典型晶体结构,思考问题： 体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？ 面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？,体心立方晶格为单斜晶系,2.2 纯金属的典型晶体结构,体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？,面心立方晶格为菱方晶系,2.2 纯金属的典型晶体结构,面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？,密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB 面心立方晶格的堆垛顺

10、序为ABCABCABC,2.2 纯金属的典型晶体结构,面心立方晶格的原子堆垛,1 1 1,2.2 纯金属的典型晶体结构,2.2.4 多晶型金属同素异构,金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。 铁的同素异构转变：,纯铁的同素异构转变,2.3 金属材料的实际晶体结构,2.3.1 单晶体与多晶体 单晶体： 一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体。单晶体具有各向异性的特性。,多晶体： 由多个小晶体组成的晶体结构称之为多晶体。表现出“伪各向同性”。 工程上使用的材料绝大多数是多晶体。,2.3 金属材料的实际晶体结构,晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为

11、不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。 晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。,2.3 金属材料的实际晶体结构,纯铁内的晶粒与晶界,晶粒的位向,晶粒示意图,2.3 金属材料的实际晶体结构,晶粒越细小，晶界面积越大。 变形金属晶粒尺寸约1100m，铸造金属可达几mm。,2.3 金属材料的实际晶体结构,2.3.2 实际材料中晶体缺陷,晶体缺陷：在每个晶粒的内部，并不象理想晶体那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。,2.3 金属材料的实际晶体结构,1、点缺陷 (Point Defects) 三维空间上相当于原子尺寸大小的缺

12、陷，包括空位、间隙原子及异类置换原子。,2.3 金属材料的实际晶体结构,空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 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。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,2.3 金属材料的实际晶体结构,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。,点缺陷对材料性能的影响,2.3 金属材料的实际晶体结构,（1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。 （2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 ( 3 ) 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,2、线缺

13、陷(Line Defects),2.3 金属材料的实际晶体结构,在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）。,位错： 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。,2.3 金属材料的实际晶体结构,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。,a. 刃型位错 (edge dislocation),2.3 金属材料的实际晶体结构,刃位错形成的动态说解,2.3

14、金属材料的实际晶体结构,b. 螺型位错(screw dislocation),晶格中某晶面的上下原子发生错排，如同被刀刃部分切开并上下扭曲成螺旋形。,2.3 金属材料的实际晶体结构,电子显微镜下的位错,2.3 金属材料的实际晶体结构,c. 位错 的滑移,c.位错密度 ：,2.3 金属材料的实际晶体结构,=S/V 式中 V晶体的体积（cm3） S位错线总长度（cm） 退火状态下，位错密度常在106的数量级； 较大的冷塑性变形，位错密度可达1010-12的数量级；,与整个晶体相比位错的数量还是非常少，所以其存在不会影响材料的基本晶体特性。,金属的塑性变形主要由位错运动引起，故减少或增加位错密度都可

15、以提高金属的强度。 对于一般工程使用的块体金属： 位错之间的交互作用使其移动受到阻碍，故随着位错密度的增加金属的强度也一般提高加工硬化。 位错线附近异类原子浓度高于平均水平固溶强化、弥散强化。,d. 位错对材料性能的影响,2.3 金属材料的实际晶体结构,3、面缺陷(Surface Defects),2.3 金属材料的实际晶体结构,在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。包括晶界、亚晶界。,晶界宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,2.3 金属材料的实际晶体结构,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。

16、 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,2.3 金属材料的实际晶体结构,位错壁,晶界对性能的影响： 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； 使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。,2.3 金属材料的实际晶体结构,2.4 纯金属的结晶和铸锭组织,2.4.1结晶基础知识,凝固：物质由液态转变为固态。 结晶：物质由一种原子排列状态（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：S晶态或非晶态S晶态,1结晶与凝固的区别,物质在液态和固态下的能量温度曲线,2.4 纯金属的结晶和铸锭组织,结晶的热力学驱动力： F = FSFL0 T越大，自由能差F 越大，结晶的驱动力越大，结晶的倾向越大。,2结晶的条件,2.4 纯金属的结晶和铸锭组织,纯金属的冷却曲线,过冷度：理论结晶温度与 实际结晶温度之差。 T = Tn Tm,过