02金属的结构与结晶汇总

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1、机 械 工 程 材 料河北工业大学材料学院1 10绪绪 论论 一、材料科学的重要地位一、材料科学的重要地位1材材料料的的发发展展与与人人类类社社会会的的发发展展紧紧密密联联系系 。人人类类社会历史：石器时代、社会历史：石器时代、 铜器时代和铁器时代。铜器时代和铁器时代。2我国劳动人民在材料发展上曾取得辉煌成就。我国劳动人民在材料发展上曾取得辉煌成就。3材料在现代科技中占有重要地位。材料在现代科技中占有重要地位。 材料、信息和能源是现代科技三大支柱。材料、信息和能源是现代科技三大支柱。2 2材料科学发展的里程碑：材料科学发展的里程碑：1.1.燧石（燧石（神奇的石头）神奇的石头）这种容这种容易制成

2、工具的石头，开始了易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。制陶业的发展。 2.2.天然金与铜被用作工具与武天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。器，开始了人类金属的使用。 3 33.3.铜的熔炼和锤击改铜的熔炼和锤击改变了铜的性能变了铜的性能- -材材料开始发展。料开始发展。 4.4.最早的模铸件最早的模铸件- -一个铜制杖头。一个铜制杖头。 4 46.6.青铜的使用青铜的使用制制造合金。青铜：造合金。青铜：第一种合金第一种合金 5.5.这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪人类冶金业的最早纪录之一。录之一。7.铁的发现铁的发现这是最早制造这是最早制造的铁制车轮的铁制

3、车轮5 5HenryBessemer炼铁的需要促使了鼓炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明风机与熔炉的发明 8.廉价的冶铁业廉价的冶铁业9.9.电化学方法冶炼电化学方法冶炼铝铝- -使铝成为一种使铝成为一种常用金属。使钢铁常用金属。使钢铁制品性能大大改观制品性能大大改观而成本也降低不少。而成本也降低不少。 6 611.高温合金的高温合金的发展，掺镍合发展，掺镍合金促进了喷气金促进了喷气发动机的发展发动机的发展10.尼龙的发明尼龙的发明尼龙的商业发展是高尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键分子材料发展的关键时期时期7 7制作越来越小的硅芯片制作越来越小的硅芯片 12.半导体材料的发展半导体材料的发

4、展13.高温超导体，高温高温超导体，高温超导的革命时代。超导的革命时代。8 8二、机械工程材料课程的内容二、机械工程材料课程的内容1.材料的化学成分与材料的结构、组织及材料的化学成分与材料的结构、组织及性能间的关系（基础理论部分）。性能间的关系（基础理论部分）。2.材料的加工工艺与材料的结构、组织及材料的加工工艺与材料的结构、组织及性能间的关系。性能间的关系。3.常用金属材料的应用及性能。常用金属材料的应用及性能。如：结构钢、工具钢和特殊性能钢。如：结构钢、工具钢和特殊性能钢。9 9实际上由四部分组成：实际上由四部分组成：金属学热处理原理与工艺金属材料其他材料基础保证关键扩展课程总特点：课程总

5、特点：内容多，涉及面广，前后关联内容多，涉及面广，前后关联性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容多，数学推理较少。多，数学推理较少。n n要采取相应的学习方法学习方法：多看、多理解、多记忆多看、多理解、多记忆1010三、固体材料中的结合键n n组成物质的粒子，如原子、离子或分子之间的相互作用力称为结合键结合键。整体材料的性质主要是由结合键的性质决定的。分子键、 氢键物理键：聚集过程中不发生电子运动的结聚集过程中不发生电子运动的结合力，如：合力，如：化学键：由于电子运动使原子产生聚集的结合力由于电子运动使原子产生聚集的结合力离子键共价键金属键1111四四

6、、工工程程材材料料的的分分类类简单金属原子之间的结合键完全为简单金属原子之间的结合键完全为简单金属原子之间的结合键完全为简单金属原子之间的结合键完全为金属键金属键；过渡族金属原子的结合键以过渡族金属原子的结合键以过渡族金属原子的结合键以过渡族金属原子的结合键以金属键金属键为主，但是也有为主，但是也有为主，但是也有为主，但是也有共共价键价键成分。成分。成分。成分。由于金属键没有方向性由于金属键没有方向性由于金属键没有方向性由于金属键没有方向性, ,原子之间也没有选择性原子之间也没有选择性原子之间也没有选择性原子之间也没有选择性, ,所以所以所以所以在受外力作用而发生相对移动时金属键不会破坏。在受

7、外力作用而发生相对移动时金属键不会破坏。在受外力作用而发生相对移动时金属键不会破坏。在受外力作用而发生相对移动时金属键不会破坏。以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电和导热性能。和导热性能。和导热性能。和导热性能。 n n金属材料金属材料黑色黑色金属：金属：有色有色金属

8、：金属：铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金钢钢铸铁铸铁铁合金铁合金黑色金属以外的所有金属及其合黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝（金，如铝（AlAl）、）、铜（铜（CuCu）等等（应用最广的是黑色金属，重点学习）（应用最广的是黑色金属，重点学习）根据材料的本性或其结合键的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。1212陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料无机玻璃（硅酸盐玻璃）无机玻璃（硅酸盐玻璃）无机玻璃（硅酸盐玻璃）无机玻璃（硅酸盐玻璃）工业用玻璃工业用玻璃工业用玻璃工业用玻璃玻璃陶瓷，如，耐热耐蚀微晶玻璃玻璃陶瓷，如，耐热耐蚀微晶玻璃玻璃陶瓷，如，耐热耐蚀微晶玻璃玻

9、璃陶瓷，如，耐热耐蚀微晶玻璃陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷普通陶瓷，如，日用陶瓷普通陶瓷，如，日用陶瓷普通陶瓷，如，日用陶瓷普通陶瓷，如，日用陶瓷特种陶瓷，如电容器陶瓷（特种陶瓷，如电容器陶瓷（特种陶瓷，如电容器陶瓷（特种陶瓷，如电容器陶瓷（BaTiOBaTiO3 3，压电陶瓷（压电陶瓷（压电陶瓷（压电陶瓷（PbTiOPbTiO3 3) )金属陶瓷：如结构陶瓷（金属陶瓷：如结构陶瓷（金属陶瓷：如结构陶瓷（金属陶瓷：如结构陶瓷（AlAl2 2OO3 3, ,SiCSiC,Si,Si3 3N N4 4）工具陶瓷（工具陶瓷（工具陶瓷（工具陶瓷（TiCTiC,B,B4 4C C，BNBN等）等）等）等）陶瓷是金属元

10、素(或亚金属如硅等)的化合物，可以认为是各种无机非金属材料无机非金属材料的统称。金属原子与异种原子化合时形成很强的离子键离子键，同时也存在有一定成分的共价键共价键，但仍以离子键为主。陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作为结构材料。但是由于离子键、共价键对周围原子（或离子）有选择性或方向性,在受外力作用而发生相对移动时结合键就会破坏，所以一般陶瓷材料脆性脆性都很大。1313高分子材料主主要要组组分分是是有有机机高高分分子子化化合合物物。高高分分子子化化合合物物每每个个分分子子可可含含有有几几千千、几几万万甚甚至至几几十十万万个个原原子子，分分子子量

11、量在在5000以以上。上。大大分分子子内内的的原原子子之之间间由由很很强强的的共共价价键键结结合合，而而大大分分子子与与大分子之间的结合力为大分子之间的结合力为范德华力和氢键范德华力和氢键。由由于于大大分分子子链链很很长长，大大分分子子之之间间的的接接触触面面比比较较大大，特特别别当当分分子子链链缠缠结结在在一一起起时时，大大分分子子之之间间可可以以产产生生较较大大的的结结合力，所以：合力，所以：高高分分子子材材料料具具有有较较高高的的强强度度，良良好好的的塑塑性性，较较强强的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能，很很好好的的绝绝缘缘性性，以以及及较较低低的的密密度度等等优优良良性性能能，在工程上是发展最快

12、的一类新型结构材料。在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料高分子材料（亦称聚合物）塑料塑料橡胶橡胶合成纤维合成纤维胶粘剂1414复合材料复合材料就是由两种或两种以上不同材料通过定的就是由两种或两种以上不同材料通过定的就是由两种或两种以上不同材料通过定的就是由两种或两种以上不同材料通过定的工艺复合而成的，性能明显优于原材料的新材料。工艺复合而成的，性能明显优于原材料的新材料。工艺复合而成的，性能明显优于原材料的新材料。工艺复合而成的，性能明显优于原材料的新材料。 复合材料通常分为树脂基复合材料、金属复合材料通常分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。基复合材料和陶瓷基

13、复合材料三大类。如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景阔的发展前景1515第一节第一节 纯纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二节第二节 实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷第三节扩散第三节扩散第四节第四节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭第一章 金属的晶体结构1616一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 晶体：原子（离子或分子）在三维空间中有晶体：原子（离子或分子）在三维空

14、间中有规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体。规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体。如：金属材料、冰糖、如：金属材料、冰糖、NaCl。 单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：SiSi、GeGe单晶。单晶。 多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。 非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。图图1-1单晶体单晶体第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构（一）晶体与非晶体（一）晶体与非晶体ABC单晶体与多晶体单晶体与多晶体17171、晶

15、晶体体结结构构晶体结构：是指组成晶体的物质质点（分子、原子、离子、原子集团）依靠一定的结合键结合后，在三维空间做有规律的周期性的重复排列方式。v由于组成晶体的物质质点不同，排列由于组成晶体的物质质点不同，排列规则不同，或者周期性不同，所以实际规则不同，或者周期性不同，所以实际存在的晶体结构可以有无限多种。存在的晶体结构可以有无限多种。空间点阵空间点阵：为对晶体结构的规律作全面：为对晶体结构的规律作全面系统的研究，人为地引入一个系统的研究，人为地引入一个几何模型几何模型：将晶体结构中的某一类将晶体结构中的某一类等同点等同点挑选出来，挑选出来，让它们让它们有规则地、周期性地重复排列有规则地、周期性

16、地重复排列所所形成的形成的空间几何图形空间几何图形。（二）（二）晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数1818空间点阵空间点阵特点特点（有规则、周期性、重复排列）有规则、周期性、重复排列）1）空间规则排列点的阵列，无限；）空间规则排列点的阵列，无限；2）点阵中的每一点具有相同的周围环境。）点阵中的每一点具有相同的周围环境。3）原原子子、离离子子等等物物质质质质点点抽抽象象为为一一些些几几何何点点，这这些些点点称称为为“结结点点”、“格格点点”或或“阵阵点点”（实实际际为为物物质质点的平衡中心的位置）。质质点的平衡中心的位置）。图图11空间点阵模型空间点

17、阵模型图图1-2晶格示意图晶格示意图2空间点阵晶格晶格：假设通过原子假设通过原子的中心划出许多空间直的中心划出许多空间直线，这些直线连接起来线，这些直线连接起来就形成了就形成了“空间（空间（几何）几何）格架格架”，这种假想格架，这种假想格架称为称为“晶格晶格”。1919图图13描述晶胞六要素描述晶胞六要素3晶胞与晶格参数晶胞晶胞：能够反应晶格特征的最小几何单元。：能够反应晶格特征的最小几何单元。晶格参数晶格参数包括：晶格常数包括：晶格常数a、b、c（棱边）棱边）棱间夹角棱间夹角a a、b b、g g晶胞晶胞在三维空间周期性重复排列在三维空间周期性重复排列晶格晶格空间点阵空间点阵直线直线晶体结构

18、晶体结构总结总结规律的共性规律的共性晶体结构的实际种类有晶体结构的实际种类有无限无限无限无限多，而空间点阵的种类多，而空间点阵的种类有有限限。20204布布拉拉菲菲空空间间点点阵阵根据晶胞的对称性，及根据晶胞的对称性，及6个晶格参数的可能的组合，可将个晶格参数的可能的组合，可将金属的晶体结构总结为金属的晶体结构总结为7大晶系，大晶系，14种布拉菲点阵种布拉菲点阵.2121立立方方晶晶系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标立方晶系立

19、方晶系立方晶系立方晶系CubicCubica a= =b b= =c ca a a a= =b b b b= =g g g g=90=90 简单立方简单立方简单立方简单立方P P1 1000000体心体心体心体心立方立方立方立方I I2 2000, 000, 面心面心面心面心立方立方立方立方F F4 4000000， 0, 0 , 0 0, 0 , 0 2222正正正正方方方方四四四四方方方方晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉布拉布拉布拉菲菲菲菲点阵点阵点阵点阵点阵符号点阵符号点阵符号点阵符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点

20、坐标结点坐标正方（四方）晶系正方（四方）晶系正方（四方）晶系正方（四方）晶系TetragonalTetragonala a= =b b c ca a a a= =b b b b= =g g g g=90=90 简单正方简单正方简单正方简单正方P P1 1000000体心体心体心体心正方正方正方正方I I2 2000, 000, 2323正正正正交交交交斜斜斜斜方方方方晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标正交晶系正交晶

21、系正交晶系正交晶系（斜方晶系）（斜方晶系）（斜方晶系）（斜方晶系）Orthorhombica a b b c ca a a a= =b b b b= =g g g g=90=90 简单斜方简单斜方简单斜方简单斜方P P1 1000000体心体心体心体心斜方斜方斜方斜方I I2 2000, 000, 底心斜方底心斜方底心斜方底心斜方C C2 2000000， 0 0面心面心面心面心斜方斜方斜方斜方F F4 4000000， 0, 0 , 0 0, 0 , 0 2424菱菱菱菱方方方方晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点

22、阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标菱方晶系菱方晶系菱方晶系菱方晶系RhombohedralRhombohedral a a = =b b = =c ca a a a= =b b b b= =g g g g 90 90 简单菱方简单菱方简单菱方简单菱方R R1 10000002525六六六六方方方方晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标六方晶系六方晶系六

23、方晶系六方晶系Hexagonal Hexagonal a a = =b b c ca a a a= =b b b b= 90= 90 g g g g 120120 简单六方简单六方简单六方简单六方P P1 10000002626单单单单斜斜斜斜晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结结结结点数点数点数点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标单斜晶系单斜晶系单斜晶系单斜晶系MonoclnicMonoclnic a a b b c ca a a a= =g g g g =90 =9

24、0 b b b b简单单斜简单单斜简单单斜简单单斜P P1 1000000底心单斜底心单斜底心单斜底心单斜C C2 2000000， 0 02727三三三三斜斜斜斜晶晶晶晶系系系系晶系晶系晶系晶系点阵常数点阵常数点阵常数点阵常数布拉菲布拉菲布拉菲布拉菲点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵点阵符号符号符号符号晶胞内晶胞内晶胞内晶胞内结点数结点数结点数结点数结点坐标结点坐标结点坐标结点坐标三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系Triclinic Triclinic a a b b c ca a a a b b b b g g g g 9090 简单三斜简单三斜简单三斜简单三斜P P1 100000028281.

25、面心立方晶格（face-centered cubic)简称（FCC或A1）图图14FCC晶格模型晶格模型二、典型金属的晶体结构29291）结构特点 立方体的8个顶点个各有一个原子， 6个面的面心各有一个原子。 gFe、Au、Ag、Cu、Ni、Pb等面面心心立立方方晶晶格格2）晶格参数）晶格参数a=b =c=1a903）原子半径）原子半径：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。4）晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数目。晶胞原子数：一个

26、晶胞中所含的原子数目。n81861/2=4fcc晶胞中原子相距最近的方向是晶胞中原子相距最近的方向是面对角线面对角线，因此，因此Ra30305 5） 致密度和配位致密度和配位数数致密度：单胞中原子体积与单致密度：单胞中原子体积与单胞体积之比胞体积之比图图15FCC晶格配位数晶格配位数致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。配位数：配位数：单胞中与任一原子相距最近邻单胞中与任一原子相距最近邻且等距离的原子个数。所以，且等距离的原子个数。所以，CN12K=74

27、31311）结构特点：八个顶点各有一个原子，立方体的体心有一个原子。 Fe、Cr、W、Mo等30种。2）晶格常数：a =b =c =1a 90o图图1-6体心立方的晶体结构体心立方的晶体结构68CN84）单胞中的原子个数单胞中的原子个数n81/8122体心立方晶格（体心立方晶格（BCC或或A2）3）原子半径：原子半径：(体体对角线方向）对角线方向）R5）K32323密密排排六六方方结结构构1 1、结构特点：、结构特点：、结构特点：、结构特点：原子分布在六方晶胞的原子分布在六方晶胞的原子分布在六方晶胞的原子分布在六方晶胞的1212个角上，上下底面的个角上，上下底面的个角上，上下底面的个角上，上下

28、底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙（中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙（中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙（中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙（3 3原子在底面上的投原子在底面上的投原子在底面上的投原子在底面上的投影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。属于此类晶格的金影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。属于此类晶格的金影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。属于此类晶格的金影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。属于此类晶格的金属有：属有：属有：属有：MgMg、CdCd、ZnZn、BeBe等。（当原子之间距离相等时等。（当原子之间距离相等时等。（当原子之间距离相等时等。（当

29、原子之间距离相等时c c/ /a a=1.633=1.633最紧密结构）最紧密结构）最紧密结构）最紧密结构）2 2、晶格常数：、晶格常数：a=ba=b c c，a a= =b b=90=90 ，g g=120=120 3 3、原子半径：、原子半径：R=R=a a/2/2（上下底面的对角线方向）（上下底面的对角线方向）4 4、晶胞原子数、晶胞原子数：n=12n=12 1/6+21/6+2 1/2+3=61/2+3=65 5、配位数配位数CN=12CN=12密排六方密排六方结构结构close-packedclose-packedHexagonalstructure,Hexagonalstructu

30、re,Hexagonalclose-packed(Hexagonalclose-packed(hcphcp) )3333晶体晶体晶体晶体类型类型类型类型原子原子原子原子半径半径半径半径（R R） 单胞原单胞原单胞原单胞原子个数子个数子个数子个数（n n） 致密致密致密致密度度度度 （K K） 配位配位配位配位数数数数( ( ( (CNCN） 常见金属常见金属常见金属常见金属 bccbcc2 268%68%8 8-Fe-Fe、CrCr、WW等等等等fccfcc4 474%74%1212-Fe-Fe、CuCu、NiNi等等等等hcphcp a a6 674%74%1212Mg, Mg, CdCd,

31、 Zn, , Zn, BeBe等等等等由以上数据可知由以上数据可知：FCC，hcp为最紧密排列，为最紧密排列，BCC为次紧密排列。为次紧密排列。晶体结构小结晶体结构小结3434（1）在在晶晶向向中中任任选选一一阵阵点点为为原原点点，三三个基矢为坐标轴个基矢为坐标轴OX 、OY、OZ。（2）选选取取距距原原点点O最最近近的的一一点点P，以以一一个个a为为度度量量单单位位，求求出出P点点坐坐标标值值（x,y,z）（3）将将坐坐标值乘乘以以最最小小公公倍倍数数，将将其其化简成最小的整数放入化简成最小的整数放入uvw内内(不加逗号）不加逗号） 例例如如：OA晶晶向向指指数数为为110，OX晶晶向向指指

32、数数为为100，OY晶晶向向指指数数为为 010 , OZ指指数数为为001；XO指指数数为为 00，ZA指指数数为为终终点点坐坐标标减减始始 点坐标点坐标, 故晶向指数为故晶向指数为11 。AXYZO图图17晶向指数的标志晶向指数的标志三三、立立方方晶晶系系晶晶向向指指数数与与晶晶面面指指数数（一）（一）晶向指数：表示某晶向的空间几晶向指数：表示某晶向的空间几何方位。用何方位。用uvw表示。表示。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。1.立方晶系晶向指

33、数的标志方法立方晶系晶向指数的标志方法3535(2).(2).将各指数乘以将各指数乘以-1-1如如001001与与00 00 代表空间另一组代表空间另一组晶向晶向2晶晶向向指指数数小小结结(1).(1).一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一 组晶向。组晶向。组晶向。组晶向。111111与与与与相互平行，但方向相反。相互平行，但方向相反。相互平行，但方向相反。相互平行，但方向相反。(3).(3).晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶晶向上原子排列规律相同但空间方

34、位不同的晶晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶向向向向 属于同一属于同一属于同一属于同一晶向族晶向族晶向族晶向族，用，用，用，用 表示。（特点：数值相表示。（特点：数值相表示。（特点：数值相表示。（特点：数值相同，但符号与次序不同）同，但符号与次序不同）同，但符号与次序不同）同，但符号与次序不同）如：如：如：如：晶向族包括晶向族包括晶向族包括晶向族包括100+010+001+100+010+001+00+00+00+0000+00共共共共6 6组。组。组。组。晶向族包括晶向族包括晶向族包括晶向族包括110+101+011+110+101+011+10

35、+01+0110+01+01再加上再加上再加上再加上其反方向共其反方向共其反方向共其反方向共1212组。组。组。组。晶向族包括晶向族包括晶向族包括晶向族包括111+11+11+11111+11+11+11再加上其反方向共再加上其反方向共再加上其反方向共再加上其反方向共8 8组组组组. .3636（二）晶面指数（米勒指数）：表示晶面的空间几何方位，（二）晶面指数（米勒指数）：表示晶面的空间几何方位，（二）晶面指数（米勒指数）：表示晶面的空间几何方位，（二）晶面指数（米勒指数）：表示晶面的空间几何方位，用用用用( (hklhkl) )表示。表示。表示。表示。1 1晶面指数的标定方法晶面指数的标定方

36、法晶面指数的标定方法晶面指数的标定方法（1）选择不在要表示的晶面上的晶格中的任一结点为空间坐标系）选择不在要表示的晶面上的晶格中的任一结点为空间坐标系的坐标原点的坐标原点O，以过该点的三条基矢为坐标轴以过该点的三条基矢为坐标轴OX、OY、OZ。（关键：晶面与坐标原点不能有关键：晶面与坐标原点不能有 交点）交点）（2）以单位基矢为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（）以单位基矢为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（m n p）（3）取截距的倒数（取截距的倒数（1/m ，1/n，1/p），），化为最小整数放入化为最小整数放入（h k l）内内图图18晶面指数的标志晶面指数的标志3737（1）一一个个晶

37、晶面面指指数数实实际际代代表表一一组组原原子子排排列列相相同同的的相相互互平平行行的的晶面。晶面。将晶面指数各乘以将晶面指数各乘以-1，表示同一晶面如（，表示同一晶面如（111）与（）与（）（2）晶晶面面空空间间方方位位不不同同但但原原子子排排列列规规律律相相同同属属于于同同一一晶晶面面族，用族，用hkl表示。如：表示。如：100晶晶 面面 族族 包包 括括 （ 100） +（ 010） +（ 001） 。110晶面族包括（晶面族包括（110）+(101)+(011)+(10)+(01)+(01)111晶面族包括（晶面族包括（111）+（ 11）+（11）+（11）4组组2晶面指数小结（三）、

38、立方晶系晶向与晶面的关系（三）、立方晶系晶向与晶面的关系1指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（111)111。2晶向与晶面相互平行时满足晶向与晶面相互平行时满足hu+kv+lw0，如，如(111）103838图图111单晶体的各向异性单晶体的各向异性（四）（四）（四）（四）单晶体的各向异性单晶体的各向异性单晶体的各向异性单晶体的各向异性1、单晶体的、单晶体的各向异性各向异性：单晶体各个方向的单晶体各个方向的机性、物性、化学性能等不同。机性、物性、化学性能等不同。如：如：BCC结构的结构的111方向的弹性模量方向的弹性模量E111290000MPa，E1001

39、35000MPa，而多晶体的而多晶体的E210000MPa。3、多晶体的、多晶体的伪各向同性伪各向同性：多晶体沿各个方向的性能相近多晶体沿各个方向的性能相近。原因是：原因是：单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。2、非晶体的、非晶体的各向同性各向同性：非：非晶体沿各个方晶体沿各个方向的性能完全相同向的性能完全相同。3939（五）、最密排晶向与最密排晶（五）、最密排晶向与最密排晶面面1.FCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为111与与2.BCC结构的最密排

40、晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为110与与体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度4040体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 晶向晶向晶向晶向指数指数指数指数体心体心体心体心立方晶格立方晶格立方晶格立方晶格面心面心面心面心立方晶格立方晶格立方晶格立方晶格晶向晶向晶向晶向原子排列原子排列原子排列原子排列晶向晶向晶向晶向原子密度原子密度原子密度原子密度晶向晶向晶向晶向原子排列原子排列原子排列原子排列晶向晶向晶向晶向原子密度原子密度原子密度原子密度晶向原子密度=原子数长度41

41、41 课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习1.1.1.1.画图表示下列晶向及晶面画图表示下列晶向及晶面画图表示下列晶向及晶面画图表示下列晶向及晶面 111 110 011 001; (110)(100)111 110 011 001; (110)(100)111 110 011 001; (110)(100)111 110 011 001; (110)(100)2.2.2.2.写出写出写出写出110100110100110100110100及及及及 所包括的各晶向和晶面指数所包括的各晶向和晶面指数所包括的各晶向和晶面指数所包括的各晶向和晶面指数. . . .3.3.3.3.与与与与(110)(11

42、0)(110)(110)晶面平行的晶向为晶面平行的晶向为晶面平行的晶向为晶面平行的晶向为_ ;_ ;_ ;_ ; 与与与与(110)(110)(110)(110)晶面相垂直的晶向是晶面相垂直的晶向是晶面相垂直的晶向是晶面相垂直的晶向是 _ _ _ _ 。4.4.4.4.面心立方晶格的最密排晶面族为面心立方晶格的最密排晶面族为面心立方晶格的最密排晶面族为面心立方晶格的最密排晶面族为_,_,_,_,最密排晶向族是最密排晶向族是最密排晶向族是最密排晶向族是_。5.5.5.5.体心立方晶格的最密排晶面族为体心立方晶格的最密排晶面族为体心立方晶格的最密排晶面族为体心立方晶格的最密排晶面族为_,_,_,_

43、,最密排晶向族是最密排晶向族是最密排晶向族是最密排晶向族是_。6.6.6.6.面心立方晶格的原子半径是面心立方晶格的原子半径是面心立方晶格的原子半径是面心立方晶格的原子半径是_,_,_,_,致密度为致密度为致密度为致密度为_,_,_,_,配位数是配位数是配位数是配位数是_。7.7.7.7.体心立方晶格的原子半径是体心立方晶格的原子半径是体心立方晶格的原子半径是体心立方晶格的原子半径是_,_,_,_,致密度为致密度为致密度为致密度为_,_,_,_,配位数是配位数是配位数是配位数是_。4242第二节第二节实际金属的晶体结构 实际金属的结构中存在缺陷，按照几何特征，晶体缺陷分为：实际金属的结构中存在

44、缺陷，按照几何特征，晶体缺陷分为：实际金属的结构中存在缺陷，按照几何特征，晶体缺陷分为：实际金属的结构中存在缺陷，按照几何特征，晶体缺陷分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。一、点缺陷（零维缺陷）缺陷（零维缺陷）点缺陷：指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷点缺陷：指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷点缺陷：指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷点缺陷：指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷 。1 1、空位：就是没有原子的结点、空位：就是没有原子的结点、空位：就是没有原子的

45、结点、空位：就是没有原子的结点 。空位空位间隙原子间隙原子由由于于结晶晶或或变形形使使金金属属原原子子脱脱离离开开平平衡衡位位置置跑跑到到间隙隙位位置置或或晶晶体体的的外外表表面面，在在晶晶体体内内部部便便形形成成空空位位和和间间隙原子。隙原子。图图112晶体中的两种空位晶体中的两种空位a)肖脱基空位肖脱基空位b)弗兰克尔空位弗兰克尔空位离开平衡位置的原子，有两种去处：离开平衡位置的原子，有两种去处：一种可能是跑到表面，此时产生的一种可能是跑到表面，此时产生的空位叫空位叫肖脱基空位肖脱基空位，另一种可能跑，另一种可能跑到点阵间隙中，形成到点阵间隙中，形成弗兰克尔空位弗兰克尔空位。在形成在形成弗

46、兰克尔空位弗兰克尔空位时，伴随产生一个间隙原子。时，伴随产生一个间隙原子。实际金属中常见的是实际金属中常见的是肖脱基空位肖脱基空位43432、间间隙隙原原子子间隙原子就是位于晶格间隙中的原子。有两种类型：间隙原子就是位于晶格间隙中的原子。有两种类型：自间隙原子自间隙原子杂质间隙原子杂质间隙原子从晶格结点转移到晶格间隙中的原子从晶格结点转移到晶格间隙中的原子杂质原子进入晶格间隙中杂质原子进入晶格间隙中形成自间隙原子的同时产生一个空位，但形成自间隙原子非常困形成自间隙原子的同时产生一个空位，但形成自间隙原子非常困形成自间隙原子的同时产生一个空位，但形成自间隙原子非常困形成自间隙原子的同时产生一个空

47、位，但形成自间隙原子非常困难，而金属中小原子半径的难，而金属中小原子半径的难，而金属中小原子半径的难，而金属中小原子半径的C C、N N、HH、B B易以间隙原子存在。易以间隙原子存在。易以间隙原子存在。易以间隙原子存在。杂质间隙原子及晶格畸变杂质间隙原子及晶格畸变空位及晶格畸变空位及晶格畸变4444二、线缺陷二、线缺陷(二维缺陷) 线线缺陷：指两维尺度很小，而第三维尺度很大的缺陷，即位错。有两种类缺陷：指两维尺度很小，而第三维尺度很大的缺陷，即位错。有两种类型：刃型位错与螺型位错。型：刃型位错与螺型位错。位位错：由由于于变形形或或结晶晶，晶晶体体的的一一部部分分相相对晶晶体体的的另另一一部部

48、分分相相对滑滑移移便便产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。1 1、刃型位错、刃型位错、刃型位错、刃型位错在金属晶体中，由于某种原在金属晶体中，由于某种原在金属晶体中，由于某种原在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分沿一定晶因，晶体的一部分沿一定晶因，晶体的一部分沿一定晶因，晶体的一部分沿一定晶面面面面ABCDABCD相对于晶体的未动相对于晶体的未动相对于晶体的未动相对于晶体的未动（下半）部分滑移了一个原（下半）部分滑移了一个原（下半）部分滑移了一个原（下半）部分滑移了一个原子间距子间距子间距子间距d d，结果在滑移面结果在滑移面结果在滑

49、移面结果在滑移面ABCDABCD的上半的上半的上半的上半部分出现多余的部分出现多余的部分出现多余的部分出现多余的半原子面半原子面半原子面半原子面EFGHEFGH。该半。该半。该半。该半原子面原子面原子面原子面中断于中断于中断于中断于EFEF处，象一把刀插入处，象一把刀插入处，象一把刀插入处，象一把刀插入晶体中，刀刃为晶体中，刀刃为晶体中，刀刃为晶体中，刀刃为EFEF线，因此线，因此线，因此线，因此把半原子面把半原子面把半原子面把半原子面EFGHEFGH与滑移面与滑移面与滑移面与滑移面ABCDABCD的交线的交线的交线的交线EFEF叫做刃型位叫做刃型位叫做刃型位叫做刃型位错线。错线。错线。错线。

50、GH4545刃刃型型位位错错正刃型位错正刃型位错正刃型位错正刃型位错“ “ ” ”：原子面位：原子面位：原子面位：原子面位于滑移面的上部；于滑移面的上部；于滑移面的上部；于滑移面的上部；负刃型位错负刃型位错负刃型位错负刃型位错“ “ ” ”：原子面位原子面位原子面位原子面位于滑移面的下部。于滑移面的下部。于滑移面的下部。于滑移面的下部。刃型位错应该是晶格畸变的中刃型位错应该是晶格畸变的中刃型位错应该是晶格畸变的中刃型位错应该是晶格畸变的中心线，实际上为几个原子间距心线，实际上为几个原子间距心线，实际上为几个原子间距心线，实际上为几个原子间距宽的长管道。宽的长管道。宽的长管道。宽的长管道。464

51、6金属晶体中，右侧上下两部分原子沿滑移面金属晶体中，右侧上下两部分原子沿滑移面ABCDABCD发生发生了滑移，这时，已滑移区与未滑移区的边界线了滑移，这时，已滑移区与未滑移区的边界线bbbb，即即位错线。而位错线。而aaaa 右方的晶体，下面层原子相对错开了一右方的晶体，下面层原子相对错开了一个原子间距个原子间距d d，而在而在bbbb与与aaaa 之间出现了一个约有几个之间出现了一个约有几个原子宽的过渡区，过渡区的原子的正常位置发生了错原子宽的过渡区，过渡区的原子的正常位置发生了错动，原子沿动，原子沿a ab b c c d d . . bb。原子每作一循原子每作一循环排列时，移动一原子间距

52、。环排列时，移动一原子间距。2、螺型位错4747螺螺位位错错实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，长则可穿透晶体。长则可穿透晶体。4848位错对位错对性能的影响性能的影响位错线周围产生晶格畸变位错线周围产生晶格畸变( (晶格歪扭现象晶格歪扭现象) )使材料的强度、硬度升高。使材料的强度、硬度升高。 变形量越大，位错密度越大，材料的强度、硬度越高。 n 实际晶体中存在着大量的位错，一般以空间三维网状分布 网络中的各线段可以是刃型，螺型或混合型位错。n晶体中位错数目的多少一般用位错密度表示，= L/V，是

53、单位晶体中所包含的位错线总长度，单位为cm /cm3 。在退火态金属中 106-108cm-2 ，而经冷形变后到1011 1012 cm-2。4949三 面缺陷(二维缺陷) 面面缺陷：是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。有两缺陷：是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。有两种类型：晶界种类型：晶界( (相邻晶粒位向差相邻晶粒位向差 1 13 3o o) )与亚晶界与亚晶界( ( 1 13 3o o) ) 。1、晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于面缺陷。随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为510个原子间距。晶界分小角度晶界( ( 1010o o) ) 。图图1151Cr17不锈钢中的

54、多晶体不锈钢中的多晶体图图116晶界原子排列示意图晶界原子排列示意图5050小小角角度度晶晶界界1 1）小角度晶界）小角度晶界: :晶粒之晶粒之间间的位相差的位相差 1010o o晶粒晶粒, , 多晶体多晶体( ( 2020o o) )为为大角度晶界大角度晶界. .3 3）晶界处原子排列紊乱，所以具有较高的晶界处原子排列紊乱，所以具有较高的界面能。界面能。 图图117小角度晶界示意图小角度晶界示意图（对称倾侧晶界）（对称倾侧晶界）q/2q/2对对称称倾倾侧侧晶晶界界：两两晶晶粒粒位位向向差差为为q q，是是由由一一系系列列平平行行等等距距的的刃刃位位错错垂垂直直排排列而组成的。列而组成的。扭转

55、晶界扭转晶界 51512、亚晶界、亚晶界每个晶粒可分为若干个位向相差很小( (一般一般 1 13 3o o) )的亚晶粒。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。晶粒越细，晶界面积越大，材料的强度、硬度晶粒越细，晶界面积越大，材料的强度、硬度越高，塑性韧性越好。越高，塑性韧性越好。3 3、晶粒与晶界对性能的影响、晶粒与晶界对性能的影响5252第三节扩散第三节扩散原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。一、扩散定义一、扩散定义二、扩散方

56、式二、扩散方式自自自自扩散：原子的迁移不引起浓度变化的扩散，如纯金属中的扩散。扩散：原子的迁移不引起浓度变化的扩散，如纯金属中的扩散。扩散：原子的迁移不引起浓度变化的扩散，如纯金属中的扩散。扩散：原子的迁移不引起浓度变化的扩散，如纯金属中的扩散。异扩散：原子的迁移伴随有浓度变化的扩散，简称扩散，如杂质异扩散：原子的迁移伴随有浓度变化的扩散，简称扩散，如杂质异扩散：原子的迁移伴随有浓度变化的扩散，简称扩散，如杂质异扩散：原子的迁移伴随有浓度变化的扩散，简称扩散，如杂质含量较高的金属中的扩散。含量较高的金属中的扩散。含量较高的金属中的扩散。含量较高的金属中的扩散。三、扩散机制三、扩散机制1 1）直

57、接换位机制：相邻两原子直接交换位置。）直接换位机制：相邻两原子直接交换位置。）直接换位机制：相邻两原子直接交换位置。）直接换位机制：相邻两原子直接交换位置。2 2）环形换位机制：同一平面上的几个原子绕）环形换位机制：同一平面上的几个原子绕）环形换位机制：同一平面上的几个原子绕）环形换位机制：同一平面上的几个原子绕某一瞬时轴旋转换位。某一瞬时轴旋转换位。某一瞬时轴旋转换位。某一瞬时轴旋转换位。1 1、换位扩散机制、换位扩散机制、换位扩散机制、换位扩散机制5353扩扩散散机机制制3、间隙扩散机制、间隙扩散机制：杂：杂质原子在晶格间隙中质原子在晶格间隙中迁移。适用于杂质原迁移。适用于杂质原子半径较小

58、的原子如子半径较小的原子如C、N、H、B等。等。2、空位扩散机制、空位扩散机制：通：通过空位的移动实现原过空位的移动实现原子的迁移。子的迁移。5454四、影响扩散的因素四、影响扩散的因素3、表面及晶体缺陷1、温度、温度2、晶体结构、晶体结构在扩散激活能在扩散激活能在扩散激活能在扩散激活能QQ不变的条件下，扩散系数与温度成呈指数关系。不变的条件下，扩散系数与温度成呈指数关系。不变的条件下，扩散系数与温度成呈指数关系。不变的条件下，扩散系数与温度成呈指数关系。D D：扩散系数；扩散系数；扩散系数；扩散系数；D D0 0: :扩散常数，扩散常数，扩散常数，扩散常数，cmcm2 2s s-1-1；QQ

59、：扩散激活能，扩散激活能，扩散激活能，扩散激活能，J/molJ/mol；R R：气体常数，气体常数，气体常数，气体常数，8.3143Jmol8.3143Jmol-1-1KK-1-1；T T：绝对温度，绝对温度，绝对温度，绝对温度，KK可见，在一定温度范围内，提高加热温度可以加速扩散过程。温度是可见，在一定温度范围内，提高加热温度可以加速扩散过程。温度是可见，在一定温度范围内，提高加热温度可以加速扩散过程。温度是可见，在一定温度范围内，提高加热温度可以加速扩散过程。温度是影响扩散速度的主因。影响扩散速度的主因。影响扩散速度的主因。影响扩散速度的主因。 不不不不同同同同晶晶晶晶型型型型结结结结构构

60、构构的的的的晶晶晶晶体体体体中中中中原原原原子子子子的的的的扩扩扩扩散散散散速速速速度度度度不不不不同同同同。如如如如，FeFe在在在在910910CC，要要要要发发生生生生g g g g-Fe-Fea a a a-Fe-Fe转转变变。而而而而体体体体心心心心立立立立方方方方a a a a-Fe-Fe的的的的自自自自扩扩散散散散系系系系数数数数大大大大约约为为面面面面心心心心立立立立方方方方g g g g- -FeFe的的的的240240倍。而倍。而倍。而倍。而C C、N N等元素在等元素在等元素在等元素在a a a a-Fe-Fe中的中的中的中的扩扩散系数，也散系数，也散系数，也散系数，也远

61、远大于在大于在大于在大于在g g g g-Fe-Fe中的。中的。中的。中的。致密度较低的晶体结构扩散激活能较低。致密度较低的晶体结构扩散激活能较低。致密度较低的晶体结构扩散激活能较低。致密度较低的晶体结构扩散激活能较低。 金金属属的的表表面面和和内内表表面面尤尤其其是是晶晶界界及及亚亚晶晶界界等等，由由于于存存在在大大量量的的缺缺陷陷，晶晶格格畸畸变变较较大大，原原子子处处于于较较高高的的能能量量状状态态，激激活活能能小小，易易实实现现跃跃迁迁。金金属属内内外外表表面面上上的的扩扩散散较较体体内内扩扩散散快快10010001001000倍。倍。55554.固溶体类型固溶体类型间隙扩散激活能显著

62、低于空位扩散激活能，间隙扩散激活能显著低于空位扩散激活能，因而系数较大。因而系数较大。5656第四节 金属的结晶与铸锭金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。有序状态过渡为长程有序状态的过程。（一）结晶的概念（一）结晶的概念结晶：金属由液态凝固为固态的现象。结晶：金属由液态凝固为固态的现象。一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的

63、转变。二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的转变。二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的转变。二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的转变。（二）结晶的分类（二）结晶的分类一、金属的结晶一、金属的结晶57571 1 1 1当当当当G G G G液液液液=G=G=G=G固固固固 时结晶不能进行。时结晶不能进行。时结晶不能进行。时结晶不能进行。 2 2 2 2当当当当G G G G液液液液 G G G G固固固固 时时时时, , , ,熔化是自发过程。熔化是自发过程。熔化是自发过程。熔化是自发过程。 3 3 3 3只有当只有当只有当只有当G G G G固固固固 GG固固固固

64、，才能使，才能使，才能使，才能使T0T0。GG液液液液 GG固固固固 GG为为为为相变的驱动力相变的驱动力相变的驱动力相变的驱动力。TT则则则则GG，结晶容易进行。结晶容易进行。结晶容易进行。结晶容易进行。或者说，金属从高温冷却下来时，必须或者说，金属从高温冷却下来时，必须使温度低于使温度低于T0结晶过程才能进行。结晶过程才能进行。T Tn n：实际结晶温度；实际结晶温度；实际结晶温度；实际结晶温度；T0或或T Tmm：理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（熔点）58583 . 结论结论：1） 纯金属恒温结晶。纯金属恒温结晶。 2）过冷是结晶的必要条件）过冷

65、是结晶的必要条件 （根本原因？）（根本原因？）图图1-19 1-19 温度时间曲线温度时间曲线（四） 金属结晶的过冷现象与过冷度1. 1.过冷现象过冷现象过冷现象过冷现象：指液态金属实际结晶温指液态金属实际结晶温度（度（Tn）低于理论结晶温度低于理论结晶温度(Tm)的现象。的现象。（或指实际冷却到结晶温度以下而暂不（或指实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。）结晶的现象。）2.过冷度过冷度(T)：T Tmm- -T Tn n=T=T 结晶冷却速度越大结晶冷却速度越大，过冷度，过冷度T越大越大；T则结晶所需要的时间越短。则结晶所需要的时间越短。V3V2V1V1V2V3平台现象平台现象：液态金属

66、由高温冷却下来时，由于周围液态金属由高温冷却下来时，由于周围环境吸热，温度会均匀下降，由于结晶时会释放结环境吸热，温度会均匀下降，由于结晶时会释放结晶潜热，弥补了金属向四周散发的热量，使液态金晶潜热，弥补了金属向四周散发的热量，使液态金属在结晶过程中保持温度不变，出现水平属在结晶过程中保持温度不变，出现水平“平台平台”，结晶结束，温度继续均匀下降。，结晶结束，温度继续均匀下降。5959二、 金属结晶过程2.2.孕育期孕育期在某一过冷度下等温停留的时间。过冷度在某一过冷度下等温停留的时间。过冷度越大，孕育期越短，结晶容易进行。越大，孕育期越短，结晶容易进行。1金属结晶一般包括：晶核的形成（金属结

67、晶一般包括：晶核的形成（形核）与晶核的长大，形核）与晶核的长大，而且是边形核、边长大而且是边形核、边长大的规律。的规律。（一）金属结晶的一般规律（一）金属结晶的一般规律图图图图1-20 1-20 1-20 1-20 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图晶胚晶核60601.1.形核形核 当过冷度达到一定数值时，晶当过冷度达到一定数值时，晶胚尺寸便能满足形核所需要的晶核胚尺寸便能满足形核所需要的晶核尺尺寸的要求，寸的要求，晶胚晶胚( (过冷液相中近程过冷液相中近程排列原子集团排列原子集团) )便成为晶核。便成为晶核。图图图图1-211-21树枝状生长示意图树枝状

68、生长示意图树枝状生长示意图树枝状生长示意图2.长大长大晶核形成后，在较小的晶核形成后，在较小的晶核形成后，在较小的晶核形成后，在较小的TT下便能下便能下便能下便能自发的长大，首先长出自发的长大，首先长出自发的长大，首先长出自发的长大，首先长出一次晶轴，一次晶轴，一次晶轴，一次晶轴，二次晶轴、三次晶轴二次晶轴、三次晶轴二次晶轴、三次晶轴二次晶轴、三次晶轴 的树枝状晶体。的树枝状晶体。的树枝状晶体。的树枝状晶体。由于晶粒间长大相互妨碍，最后长由于晶粒间长大相互妨碍，最后长由于晶粒间长大相互妨碍，最后长由于晶粒间长大相互妨碍，最后长成成成成多边形的晶粒多边形的晶粒多边形的晶粒多边形的晶粒。（二）（二

69、）形核与长大形核与长大自发形核自发形核自发形核自发形核( ( ( (均匀形核）：均匀形核）：均匀形核）：均匀形核）：从液体内部自发长从液体内部自发长出的结晶核心。出的结晶核心。非自发形核：依附于杂质而生成的晶核。非自发形核：依附于杂质而生成的晶核。非自发形核：依附于杂质而生成的晶核。非自发形核：依附于杂质而生成的晶核。（需过冷度小，实际优先、主导）（需过冷度小，实际优先、主导）（需过冷度小，实际优先、主导）（需过冷度小，实际优先、主导）6161（三）晶粒的细化（三）晶粒的细化晶粒度：就是指晶粒的大小，用单位面积上的晶粒数目或晶粒晶粒度：就是指晶粒的大小，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度

70、（或直径）来表示。的平均线长度（或直径）来表示。n n1、晶粒度晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。呈颗粒状。呈颗粒状。呈颗粒状。晶粒越细，金属不晶粒越细，金属不晶粒越细，金属不晶粒越细，金属不仅强度高，塑性、仅强度高，塑性、仅强度高，塑性、仅强度高，塑性、韧性也好。细化晶韧性也好。细化晶韧性也好。细化晶韧性也好。细化晶粒是提高材料机械粒是提高材料机械粒是提高材料机械粒是提高材料机械性能的重要手段。性能的重要手段。

71、性能的重要手段。性能的重要手段。62623.3.动态细化动态细化 在在浇浇铸铸前前，搅搅拌拌、超超声声振振动动、电电磁磁振振动动等等使使TT，NN，以达以达Z ZV V。可以折断、分裂枝晶，增加晶核数目。可以折断、分裂枝晶，增加晶核数目。图图1-22金属晶粒度大小金属晶粒度大小与过冷度的关系与过冷度的关系2. 2. 工业中细化铸态金属晶粒的措施工业中细化铸态金属晶粒的措施TT，Z ZV V,晶粒越细。晶粒越细。晶粒越细。晶粒越细。NN形核率，形核率，形核率，形核率，GG长大速度长大速度长大速度长大速度Z ZV V为单位体积中的晶粒数目为单位体积中的晶粒数目为单位体积中的晶粒数目为单位体积中的晶

72、粒数目2. 2.变质处理变质处理变质处理变质处理在液态金属中加入能促进形核在液态金属中加入能促进形核在液态金属中加入能促进形核在液态金属中加入能促进形核（NN），抑制长大（），抑制长大（），抑制长大（），抑制长大（GG）的形核剂，的形核剂，的形核剂，的形核剂，使使使使Z ZV V ，以达细化晶粒的目的。以达细化晶粒的目的。以达细化晶粒的目的。以达细化晶粒的目的。1 1）提高结晶时的冷却速度，增大过冷度）提高结晶时的冷却速度，增大过冷度）提高结晶时的冷却速度，增大过冷度）提高结晶时的冷却速度，增大过冷度6363三、金属铸锭组织由于柱状晶区的形成，散热无方向性，且由于柱状晶区的形成，散热无方向性，

73、且由于柱状晶区的形成，散热无方向性，且由于柱状晶区的形成，散热无方向性，且NNNN，长成粗等轴晶区。该晶区，长成粗等轴晶区。该晶区，长成粗等轴晶区。该晶区，长成粗等轴晶区。该晶区，晶粒粗大，性能无方向性。晶粒粗大，性能无方向性。晶粒粗大，性能无方向性。晶粒粗大，性能无方向性。图图1-23 1-23 铸锭组织三晶区铸锭组织三晶区（一）（一）（一）（一） 细晶粒区（外壳层）细晶粒区（外壳层）细晶粒区（外壳层）细晶粒区（外壳层）浇铸时，由于激冷，使浇铸时，由于激冷，使浇铸时，由于激冷，使浇铸时，由于激冷，使TT，模壁凹凸不平，模壁凹凸不平，模壁凹凸不平，模壁凹凸不平，促进形核，在极短的时间内形成大量

74、的晶核，促进形核，在极短的时间内形成大量的晶核，促进形核，在极短的时间内形成大量的晶核，促进形核，在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。组织致密，但很薄。组织致密，但很薄。组织致密，但很薄。细晶粒区的成分均匀，强细晶粒区的成分均匀，强细晶粒区的成分均匀，强细晶粒区的成分均匀，强度高，韧性好度高，韧性好度高，韧性好度高，韧性好. . . .（二）（二）（二）（二） 柱状晶区（垂直于铸锭表面）柱状晶区（垂直于铸锭表面）柱状晶区（垂直于铸锭表面）柱状晶区（垂直于铸锭表面）随着细晶粒区的形成，使随着细晶粒区的形成，使随着细晶粒区的形成，使随着细晶粒区的形成，使TT，NN且散且散且散且散热出现

75、了方向性，故长成垂至于模壁方向热出现了方向性，故长成垂至于模壁方向热出现了方向性，故长成垂至于模壁方向热出现了方向性，故长成垂至于模壁方向的平行的柱状晶体。该晶区，晶粒相互平的平行的柱状晶体。该晶区，晶粒相互平的平行的柱状晶体。该晶区，晶粒相互平的平行的柱状晶体。该晶区，晶粒相互平行，性能出现了方向性。行，性能出现了方向性。行，性能出现了方向性。行，性能出现了方向性。而且在柱状晶区交而且在柱状晶区交而且在柱状晶区交而且在柱状晶区交界处出现了性能的脆弱面。界处出现了性能的脆弱面。界处出现了性能的脆弱面。界处出现了性能的脆弱面。（三）（三）（三）（三） 中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区铸件：铸造后不再经塑性加工的产品；铸件：铸造后不再经塑性加工的产品；铸件：铸造后不再经塑性加工的产品；铸件：铸造后不再经塑性加工的产品；铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。散散散散热热热热方方方方向向向向6464