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2.金属的晶体结构与结晶2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、金属的特性与金属键一、金属的特性与金属键良好的导热性和导电性良好的导热性和导电性有光泽、不透明有光泽、不透明较高强度、可塑性较高强度、可塑性二、晶体结构的基本概念二、晶体结构的基本概念晶体结构晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。间的具体排列方式。晶格晶格：为了便于研究，用假想直线将金属中原子：为了便于研究，用假想直线将金属中原子的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形。的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形。晶胞晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。：代表晶格结构特征的最基本单元。的方式。的方式。晶格常数晶格常数：晶胞各边尺寸：晶胞各边尺寸a.b.c 单位：单位：（1 =10-8 c m）晶胞各边夹角晶胞各边夹角 晶面：晶体中原子排列的平面。晶面：晶体中原子排列的平面。晶向：晶体中原子排列的方向。晶向：晶体中原子排列的方向。晶面指数：用以表示晶面空间方位的符号。晶面指数：用以表示晶面空间方位的符号。晶向指数：用以表示晶面空间方位的符号。晶向指数：用以表示晶面空间方位的符号。n致密度致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包：晶胞中原子所占体积与该晶包体积之比。体积之比。对原子排列的紧密程度进行定量比较！三、金属中常见的三种晶体结构三、金属中常见的三种晶体结构体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格1）体心立方晶格）体心立方晶格qA=b=c;=900 q晶胞内原子数晶胞内原子数n=(1/8)8+1=2q密排方向：体对角线密排方向：体对角线 aq原子半径原子半径 r=(/4)aqK=0.68q常见金属：常见金属：-Fe,Cr,V,Nb,W,Mo等高熔点金属。等高熔点金属。2）面心立方晶格）面心立方晶格qA=b=c;=900qn=(1/8)8+(1/2)6=4q密排方向：面对角线密排方向：面对角线 aq原子半径原子半径r=(/4)aqK=0.74q常见金属：常见金属：-Fe Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),Ni,Mn3)密排六方晶格密排六方晶格na.a夹角夹角1200nn=(1/6)12+(1/2)2+3=6n密排方向密排方向anR=a/2nK=0.74n常见金属：常见金属：Mg Zn Be 四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原子各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原子密度和分布状态不同，从而导致不同方向上的密度和分布状态不同，从而导致不同方向上的性能差异，这种现象叫各向异性。性能差异，这种现象叫各向异性。q单晶体铁的弹性模量单晶体铁的弹性模量 2.90105MPa 1.35 105MPaq单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿 方向磁化，比沿方向磁化，比沿 方向容易，所以制造变压器硅钢片时方向容易，所以制造变压器硅钢片时 方向应平行于导磁方向，以降低损耗。方向应平行于导磁方向，以降低损耗。2-2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷一、多晶体一、多晶体由许多位向不同的单晶体组成的晶体。由许多位向不同的单晶体组成的晶体。各向异性被抵消各向异性被抵消伪等向性伪等向性晶粒：多晶体中每一个单晶体。晶粒：多晶体中每一个单晶体。不规则颗粒状不规则颗粒状 10-110-3 mm晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。原子排列混乱疏松原子排列混乱疏松二、晶体缺陷二、晶体缺陷1）点缺陷）点缺陷空位和离位原子空位和离位原子2）线缺陷）线缺陷位错位错位错密度位错密度单位体积中位错线长度。单位体积中位错线长度。3）面缺陷）面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界面缺陷能提高金属材料的强度和塑性，因此细化晶粒是改善金属材料性能的有效途径2-3 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭结晶结晶组织组织性能性能一、概述一、概述纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件T0 理论结晶温度理论结晶温度Tn实际结晶温度实际结晶温度过冷度过冷度 T=T0-Tn热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。的过程才能自发进行。结晶动力结晶动力 F二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程生生 核核长长 大大1）晶核的形成晶核的形成自发形核非自发形核2）晶核的长大三、细化铸态金属晶粒的措施三、细化铸态金属晶粒的措施晶粒大小的衡量晶粒度晶粒度细晶强化细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度：一般情况下，晶粒越小，强度硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通过细化晶粒来提高金属力学性能的方法过细化晶粒来提高金属力学性能的方法叫细晶强化。叫细晶强化。增大金属的过冷度增大金属的过冷度成核速率成核速率N：单位时间单位体积形单位时间单位体积形成的晶核数。个成的晶核数。个/（m3.s）晶体长大速度晶体长大速度G：单位时间晶体长大的单位时间晶体长大的长度。长度。M/s超高速急冷技术：超高速急冷技术：将液态金属连续留入旋转的冷却轧辊将液态金属连续留入旋转的冷却轧辊之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金属材料薄带。属材料薄带。非晶态金属特点：非晶态金属特点：很高的强度和韧性。很高的强度和韧性。高的电阻率。高的电阻率。良好的抗磁性等。良好的抗磁性等。变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。核的数量或阻碍晶核的长大。铝合金中加入钛、锆；铝合金中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝；钢水中加入钛、钒、铝；铁水中加入硅铁、硅钙合金；铁水中加入硅铁、硅钙合金；铝硅合金中加入钠盐铝硅合金中加入钠盐振动振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。获得细小的晶粒。电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变的电将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的枝晶，增加了结晶的核心，从而细体的枝晶，增加了结晶的核心，从而细化晶粒。化晶粒。四、铸锭的组织四、铸锭的组织1）铸锭的组织）铸锭的组织1-细等轴晶区细等轴晶区2-柱状晶区柱状晶区3-粗等轴晶区粗等轴晶区2）铸锭晶粒形状的控制）铸锭晶粒形状的控制柱状晶细密，但接触面有非金属夹杂或低熔点柱状晶细密，但接触面有非金属夹杂或低熔点杂质，热轧、锻造时易开裂。熔点高、杂质多杂质，热轧、锻造时易开裂。熔点高、杂质多的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合金）金）熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以全部为柱状晶。（铝、铜等有色金属及合金）全部为柱状晶。（铝、铜等有色金属及合金）受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气轮机叶片）轮机叶片）定向结晶生产铝镍钴永磁合金定向结晶生产铝镍钴永磁合金3）铸锭的缺陷）铸锭的缺陷缩孔缩孔缩松缩松气孔气孔五、单晶的制取五、单晶的制取制取单晶的条件：液体结晶时只有一个晶核。制取单晶的条件：液体结晶时只有一个晶核。应用：电子元件、激光元件、喷气发动机叶片应用：电子元件、激光元件、喷气发动机叶片方法：垂直提拉法方法：垂直提拉法 尖端形核法尖端形核法尖端形核法尖端形核法垂直提拉法（制取单晶硅）垂直提拉法（制取单晶硅）完
