金属的晶体结构-2

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1、1,机械工程材料,材料学院 范广新 ,2,复习与回顾,材料结合键的种类 晶格、晶胞等基本概念、致密度、配位数。 常见金属的晶体结构类型 Miller指数标定方法、步骤。 晶体与非晶体的本质区别 单晶体与多晶体（各向异性、各向同性）,3,1-2 实际金属晶体的缺陷,晶体缺陷,定义,分类,点缺陷,线缺陷,面缺陷,缺陷对材料性能的影响,4,晶体缺陷,实际金属不是理想完美的单晶体, 结构中存在有许多不同类型的缺陷。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域，称为晶体缺陷。,5,一.点缺陷：,1.空位（空穴） 无原子的结点 2.间隙原子 位于晶格间隙 3.置换原子,空间三维尺寸都很小的缺陷

2、。,空位 间隙原子 置换原子,6,影响：点缺陷会使邻近原子相互间的作用失去平衡，影响周围原子的正常排列，造成晶格的局部弹性畸变。 导致强度、电阻率升高；并对扩散和相变过程有很大的影响。,7,二.线缺陷,主要指位错,1.定义：有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。,8,（1）刃型位错,（2）螺型位错,位错线：实际上是晶体中已滑移区与未滑移区在 滑移面上的交线。,9,不锈钢中的位错线,注意：位错线不一定是直线。位错线周围原子排列规律被打乱，晶格发生严重畸变。,10,位错对材料的影响,位错线周围原子的排列规律被打乱，晶格发生较严重的畸变。 位错的存在对金属的力学性能、物理性能和化学性能以及塑性变形

3、、扩散、相变等许多过程都有重要影响。,11,晶界：不同位向晶粒之间的过渡区 i，实际金属为多晶体, 是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。 ii，每个晶粒基本上可视为单晶体.一般尺寸为10-510-4 m iii，所有晶粒的结构完全相同, 但彼此之间的位向不同, 晶粒与晶粒之 间的接触界面叫做晶界。 Iv，晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。,三 面缺陷: 晶界,12,晶粒不是完全理想的晶体，由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。 亚晶界是位错规则排列的结构。,亚晶界,三 面缺陷: 亚晶界,13,缺陷存在的意义,金属的晶

4、粒越细，单位体积中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是金属的细晶强化。 金属中晶体缺陷的存在是不可避免的，它破坏了晶体的完整性，对金属的力学性能、物理性能、化学性能以及许多变化过程都会产生影响。 改变缺陷的数量和分布，已成为改善金属性能的重要途径。 但，晶体缺陷的存在并不改变金属的晶体性质。,14,1-3 合金的相结构,15,一、一些基本概念 合金是指由两种或两种以上的金属元素与非金属元素经过冶炼、烧结或用其它方法组合而成具有金属特性的物质. 组元是组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元

5、, 如Fe-C合金中的Fe3C。,1-3 合金的相结构,16,相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称之为相。 组织：合金的组织是指肉眼或借助于显微镜所观察到的合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。,17,固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性可分为固溶体和金属间化合物两大类 1 固溶体 定义：合金结晶时若组元相互溶解所形成的固相晶体结构与组成 合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。 溶剂：固溶体中含量较多的组元称为溶剂， 溶质：含量较少的组元称为溶质。 表示方式：固溶体用、等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A

6、为溶剂, B为溶质。,二、固态合金中的相与分类,18,1. 按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占的位置。 （1）置换固溶体：置换固溶体是指溶质原子占据了溶剂原子晶格中的某些节点位置而形成的固溶体。 （2）间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。,1.1、固溶体的分类,19,2. 按溶质原子在溶剂中的溶解能力 (1) 有限固溶体：固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度和压力下，溶质在溶剂中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。通常固溶体的溶解度是有限的，这类固溶体称为有限固溶体。 (2）无限固溶体：溶质以任意比例溶入溶剂，即溶质溶解度可达100%

7、，则固溶体为无限固溶体，也称连续固溶体。,20,3. 按溶质原子在固溶体中分布的规律性 (1) 有序固溶体：少数合金在一定条件下，溶质原子会以一定比例按一定规律分布在溶剂晶格结点上，这种固溶体称为有序固溶体。 (2)无序固溶体：溶质原子随机地分布于溶剂晶格中形成的固溶体为无序固溶体。,21,1.2 影响固溶体溶解度的因素,1）原子尺寸：溶质原子与溶剂的原子尺寸差别越小，越易形成置换式固溶体，且溶解度大。 2）晶体结构：晶格类型相同是形成无限固溶体的必要条件 3）负电性：负电性相差很大时易形成化合物； 4）电子浓度：溶剂的价电子浓度则溶解度。,22,1.3固溶体的特性,晶格畸变 固溶强化 通过形

8、成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。,23,2.金属间化合物,金属间化合物 两组元A和B组成合金时，除了能形成以A或B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A或B组元均不相同的新相，这类相常位于相图的中间位置，故通常称之为中间相。 一般可用分子式AxBy大致表示。例如碳钢中的Fe3C，黄铜中的CuZn(相)及铝合金中的CuAl2(相)等。 这类相均具有相当程度的金属键以及一定的金属特性，故又称为金属间化合物。,24,3. 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有

9、规则地嵌入晶格的间隙之中。 根据非金属元素（X）与过渡族金属元素（M）原子半径的比值，可将其分为两类。,25,1).当rx/rM0.59时， 形成间隙相。金属原子形成与其本身晶格类型不同的一种新结构，非金属原子处于晶格的间隙中。 2).当rx/rM 0.59，间隙化合物 。其晶体结构都很复杂，有的一个晶胞中就含有几十个到上百个原子。 铬、锰、铁、钴的碳化物及铁的硼化物均属此类，如在合金钢中常见的有M3C型（如Fe3C），M7C3型（如Cr7C3），M23C6型（如Cr23C6）和M6C型（如Fe3W3C、Fe4W2C(Fe3C)-正交晶系等。其中Fe3C是钢中的一种基本相也是重要的间隙化合物，

10、称为渗碳体，其晶体结构属正交晶系,26,间隙相（VC),复杂结构的间隙化合物(Fe3C),27,4 金属间化合物的特性 金属间化合物种类繁多，晶体结构或简单或复杂。 但它们都具有共同的特性： 高的熔点， 高的化学稳定性 高的硬度 较大的室温脆性等。 当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会使其塑性和韧性降低。 常将金属间化合物作为重要的强化相，而不作为基体相。,28,第三节 合金的组织,合金的组织,概念：观察到的合金的相组成及相的数量、 形态、大小、分布特征。,分类,单相组织,双相组织,多相组织,两晶组成（共晶、共析组织）,弥散型两相组织,聚合型两相组织（两种块状

11、组织组成 非晶+晶相）,29,1-4 金属的结晶与铸锭,金属由液态转变为固态的过程称为凝固 固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。,30,1-4 金属的结晶与铸锭,31,Tm是金属的熔点，在金属学中常称为理论结晶温度， Ti是实际结晶温度。,1 金属结晶的条件,1）结晶热力学条件：,2）结构条件：,3）能量条件：,32,一定过冷度的存在是金属结晶的必要条件。 i，过冷度并不是一个恒定的值， 与金属的性质、冷却速度和液态 金属的纯度等有关。 ii，同一金属从液态冷却时，冷却 速度越大，实际结晶温度越低。 iii，过冷度越大，结晶越容易进行,2 金属结晶的过冷现象,过冷度实际结晶温度T与理论结晶温度

12、T0的差 T=T0-T 。,33,金属的结晶过程,3 结晶的基本规律,金属的结晶有两个基本过程： 晶核的形成 晶粒长大。,i，就单个晶粒，先形核后长大，两个阶段 ii，对整个铸锭，形核和长大同时进行 Iii，结晶过程中速度变化：慢 快 慢,34,3.1 晶核的形成与长大,1)晶核的形成： 晶核的形成有自发和非自发之分。,2) 晶核的长大：,宏观长大的方式有：平面长大和树枝状长大方式。,平面长大,树枝状长大,实际金属结晶时，多以树枝状长大：过冷度大、杂质、散热部位。,35,光滑界面示意图,Si,Ge以及金属间化合物、碳化物、氧化物等多为光滑界面长大，在显微组织上表现为明显的有棱角的小平面界面形貌

13、。,si,36,Al-Si合金,金属及合金多属此类生长,粗糙界面示意图,37,4.晶粒的大小及控制,金属结晶后，晶粒大小对金属的力学性能影响很大。 （1）晶粒大小：用单位面积上的晶粒数目，或晶粒平均大小表示。 （2）室温下，晶粒越小, 则金属的强度、硬度、塑性和韧性越好。 （3）高温下，粗晶粒金属比细晶金属有更高的强度。 （4）工业上，可根据用途不同，控制晶粒大小。,细晶强化：在一般情况下, 工程上晶粒细化, 是提高金属机械性能的方法。是提高金属性能的重要途径之一。,38,成核速率、长大速度与过冷度的关系,如何控制晶粒？,单位体积中的晶核数目Z与形核率N及长大速度G的关系,Z=0.9（N/G）

14、3/4,晶粒细化方法： 增大过冷度T 变质处理 振动、搅拌,39,5.金属铸锭的组织,1）金属铸锭的结晶组织与性能,(1)细小等轴晶区 （力学性能最好） (2)柱状晶区 （有脆性界面 易开裂） (3)粗大等轴晶区 （无明显弱面 组织较疏松）,铸锭组织,生产中，可根据金属的性质、外来杂质和具体熔铸条件的不同，采取不同的措施，调整和控制柱状晶区和中心等轴晶区的厚度，甚至得到只有一个晶区的铸锭组织。,40,2）铸锭缺陷,缩孔：凝固时体积发生收缩而形成的铸件缺陷。 孔洞大而集中，所以又称为“集中缩孔“。 缩松：也是凝固时体积发生收缩而形成的铸件缺陷。 孔洞细小而分散，又称为“分散缩孔”。 它的存在严重影响了整个铸锭的致密度。 气孔：溶解的气体来不及排除而滞留在铸件内形成气孔。 其他：裂纹、非金属夹杂物、偏析etc.,主要缺陷种类,41,42,小节,1.晶体的缺陷种类？ 2.晶体的相结构？ 3.金属的凝固过程? 4.变质处理、固溶体 、过冷度。,