[2017年整理]金属的结构与结晶(材料第一章)

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1、第一章 金属的结构与结晶 （材料第一章）1-2 金属的实际结构和晶体缺陷1-3 金属的结晶与铸锭1-1 金属的晶体结构Date1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。它们的具 体组合状态称为结构。C601-1 金属的晶体结构一、晶体概念一、晶体概念二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格* *二二、立方晶系晶面、晶向指数、立方晶系晶面、晶向指数四、晶体的各向异性Date2一、晶体概念 l1、晶体与非晶体l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。l非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件

2、下晶体和非晶体可互相转化。Date32、晶格与晶胞l 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(晶格)Date4l 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。Date5l 晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：a=b=c，=90l六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜l 晶格常数：晶胞各边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用、表示。Date6l 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。l 晶胞原子数

3、：一个晶胞内所包含的原子数目。l* 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。l* 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。Date7*二、立方晶系晶面、晶向表示方法l晶体中各方位上的原子面称晶面。l各方向上的原子列称晶向。l晶面指数l表示晶面的符号称晶面指数。l其确定步骤为：Date8l 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。l 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。Date9l例一.求截距为、1、晶面的指数 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）l例二.求截距为2、3、 晶面的指数 取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小整

4、数加圆括弧得（320）l例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距Date10l 晶向指数l表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：Date11l 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。l 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。Date12l例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。l将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。l找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。110234Date13l l

5、晶面族与晶向族晶面族与晶向族l(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。l指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。Date14立方晶系常见的晶面为：Date15110（110 ）（110 ）（101 ）（101）（011 ）（011）XZYDate16立方晶系常见的晶向为：Date17111111111111XZYDate18说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。- - - - 晶向具有方向性，如110与110方向相反。XZY(221 )221 110 110 Date19三、三种常见的

6、金属晶格l1、纯金属的晶体结构l金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。l金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l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。Date20 体 心 立 方 晶 格Date21体心立方晶格Date22体心立方晶格的参数Date23l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：Date24 面 心 立 方 晶 格Date25面心立方晶格Date26面心立方晶格

7、的参数Date27a42r=：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：al面心立方晶格Date28 密排六方晶格Date29密排六方晶格的参数*Date30*Date31a21r=：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=1.633l密排六方晶格Date32Date33l 三种常见晶格的密排面和密排方向l单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。l单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量

8、密排方向数量体心立方晶格11064面心立方晶格11146密排六方晶格六方底面1底面对角线3Date34三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格Date35体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面Date36l四、晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，这叫晶体的各向异性。Date371-2 金属的实际结构和晶体缺陷l变形金属晶粒尺寸约1100m， 铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图l一、多晶体结构l单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。l晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同

9、、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。Date38沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织Date39l l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图Date40l二、 晶体缺陷l晶格的不完整部位称晶体缺陷。l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。Date41l 点缺陷 l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Date42la. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。lb. 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

10、和八面体间隙 Date43lc. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。Date44空位和间隙原子引起的晶格畸变Date45l 线缺陷晶体中的位错l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，滑移面上已滑移区与未滑移区的交界线称作位错。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。Date46l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)l

11、金属的位错密度为1041012/cm2l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。l减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2) 加工硬化态(1011-1012/cm2) Date47电子显微镜下的位错观察Date48 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。 亚晶粒是晶粒内部的尺寸很小,位向差也很小(10 2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。晶界示意图亚晶界示意图 亚晶组织Date49l晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低

12、。 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Date50l一、结晶的概念l物质由液态转变为固态的过程称为凝固。l物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。l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。玻璃制品水晶第三节 金属的结晶与铸锭Date51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。自由能（）：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量。理论结晶温度（0 ）：结晶速度与溶解速度相等时所对应的温度

13、(液=晶）。结晶驱动力液晶Date52冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关 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. 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。 过冷：液态金属在理论结晶温度以下开 始结晶的现象称过冷。 过冷度：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。Date53二、结晶时晶核的形成和成长过程l1、结晶的基本过程l结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.l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，称为晶坯。在T0以下,

14、 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。l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。Date54l2、晶核的形成方式l形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核（自发晶核）。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核（外来晶核）。非均匀形核更为普遍。Date553、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。实际金属结晶主要以树枝状长大.因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

15、最后被填充。Date56树枝状长大的实际观察Date57树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶Date58二、结晶时晶核的形 成和成长过程 结晶过程：晶核的形 成和成长（晶核分 自发晶核与外来晶 核）。 成长方式：枝晶成长 。 Date59缺陷的形成：在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身 的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等种种原因 ，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的嵌镶块、 亚晶界、位错等。三、影响晶核的形成和成长速率的因素过冷度影响因素液体中的不熔杂质 表面细晶粒层 四、金属铸锭的组织 柱状晶粒层中心等轴晶粒层细晶组织机械性能较粗晶好。 Date60Date61l在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。l铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。Date62l 表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。Date63l 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方