2022年第一章金属的晶体结构与结晶教案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载第一章 金属的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念 1、晶体 组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中,作有规章的 周期性重复排列,即以长程有序方式排列；这样的物质称为晶体；如：金属,自然金刚 石,结晶盐,水晶,冰等 2、非晶体 组成固态物质的最基本的质点, 在三维空间中无规章堆砌； 这样的物质称为非晶体；如：玻璃,松香等；晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体,纯金属及合金都属于金属晶体,其原子 间主要以金属键结合,而非金属晶体主要以离子键和共价键结合；如：食盐 NaCl（离 子键）

2、,金刚石（共价键）都是非金属晶体；图 1-1 晶体、晶格与晶胞示意图 按晶体结构模型提出的先后,可将晶体结构模型分为几何（球体）模型、晶格模型 和晶胞模型；3、晶体的球体模型 就是把组成晶体的物质质点,看作为静止的刚性小球,他们在三维空间周期性规章 堆垛而成；该模型虽然很直观,立体感强,但不利于观看晶体内部质点的排列方式；针 对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型；4、晶格 为了讨论晶体中原子的排列规律,假定抱负晶体中的原子都是固定不动的刚性球 体,并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来,便形成了一个空间格子,这种抽象名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 13 页精

3、选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载的、用于描述原子在晶体中规章排列方式的空间格子称为晶格；晶体中的每个点叫做结 点；5、晶胞 晶体中原子的排列具有周期性的特点,因此,通常只从晶格中选取一个能够完全反 映晶格特点的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律,这个最小的几何单元称 为晶胞；实际上整个晶格就是由很多大小、外形和位向相同的晶胞在三维空间重复积累 排列而成的；6、晶格常数晶胞的大小和外形常以晶胞的棱边长度a、b、c 及棱边夹角 、 、 来表示,如图 2.1 （c 所示；晶胞的棱边长度称为晶格常数,以埃 . 为单位来表示 1 . =10-8cm；当棱边长度

4、a=b=c,棱边夹角 = = =90 时,这种晶胞称为简洁立方晶胞； 由简 单立方晶胞组成的晶格称为简洁立方晶格；二、金属材料的特性 1、金属材料 金属材料是指金属元素与金属元素,或金属元素与少量非金属元素所构成的,具有 一般金属特性的材料,统称为金属材料；金属材料按其所含元素数目的不同,可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由 两个或两个以上元素构成） ；合金按其所含元素数目的不同,又可分为二元合金、三元 合金和多元合金；大家知道物质按其外形不同,可分为固体、液体和气体；而固体又可 分晶体和非晶体；2、金属键 金属键是金属原子之间的结合键,它是大量金属原子结合成固体时,彼此失去最外层子电子（

5、过渡族元素也失去少数次外层电子）,成为正离子,而失去的外层电子穿梭于正离子之间,成为公有化的自由电子云或电子气,而金属正离子与自由电子云之间的 剧烈静电吸引力（库仑引力） ,这种结合方式称为金属键；3、金属特点 金属材料主要以金属键方式结合,从而使金属材料具有以下特点： 良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、正的电阻温度系数：（在热场作用下）导热；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载即随温度上升,电阻增大,由于金属正离子随温度的上升,振幅增大,阻碍自由电 子的定向运动,从而使电阻

6、上升；不透亮,有光泽：自由电子简洁吸取可见光,使金属不透亮；自由电子吸取可见光后由低能轨道跳到 高能轨道,当其从高能轨道跳回低能轨道时,将吸取的可见光能量辐射出来,产生金属 光泽；具有延展性：金属键没有方向性和饱和性,所以当金属的两部分发生相对位移时,其结合键不会 被破坏,从而具有延展性；三、典型的金属晶体结构 1体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体,其晶格常数a=b=c,在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子, ；每个晶胞中实际含有的原子数为 1/8 8+1=2个；具有体心立方晶格的金属有铬 Cr 、钨 W、钼Mo、钒V 、 铁 -Fe 等；图 1-2 体心立方晶胞示意图2面心立

7、方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,其晶格常数a=b=c,在立方体的八个角和立方体的六个面的中心各有一个原子；每个晶胞中实际含有的原子数为（1/8 ） 8+6（1/2 ）=4 个；具有面心立方晶格的金属有铝 铁 -Fe 等；Al 、铜Cu 、镍Ni 、金Au 、银Ag 、名师归纳总结 图 1-3 面心立方晶胞示意图第 3 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载3密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体,它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成；该晶胞要用两个晶格常数表示,一个是六边形的边长 a,另一个是

8、柱体高度 c；在密排六方晶胞的十二个角上和上、下底面中心各有一个原子,另外在晶胞中间仍有三个原子；每个晶胞中实际含有的原子数为（1/6 ） 12+（1/2 ） 2+3=6 个；具有密排六方晶格的金属有镁 Mg、锌Zn 、铍 Be 等；图 1-4 密排六方晶胞示意图四、典型晶格的致密度和配位数 以用刚性球体模型,运算出其晶体结构中的以下重要参数；1、单位晶胞原子数： 即一个晶胞所含的原子数目；2、原子半径： 是利用晶格常数,算出晶胞中两相切原子间距离的一半；3、配位数： 是晶体结构中任何一原子四周最近邻且等距离的原子数目,配位数越 大,原子排列的越紧密；4、致密度：是单位晶胞中原子所占体积与晶胞

9、体积之比,其表达式为K=nv/V ；K致密度； n单位晶胞原子数, v每个原子的体积, V晶胞体积,致密度越大,原子 排列越紧密；5、间隙半径： 指晶格间隙中能容纳的最大球体半径；由于相同尺寸的原子,既使 按最紧密方式排也会存在间隙；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载表 1-1 三种典型晶体结构的重要参数小结晶格类型单位晶胞原子数原子半径 配位数致密度间隙半径体心立方2 3/4a 8 0.68 0.29面心立方4 2/4a 12 0.74 0.41密排六方6 1/2a 12 0.74 0.41五、

10、金属晶体中晶面和晶向的表示 晶面 是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面；晶向 是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线；晶面指数 表示晶面在晶体中方位的符号；晶向指数 表示晶向在晶体中方向的符号；1、晶面指数的确定立坐标 ,找出所求晶面的截距;坐标原点不行设在所求晶面上所求晶面与坐标轴平行时 ,截距为；取晶面与三个坐标轴截距的倒数；将所得倒数按比例化为最小整数,放入圆括号内,即得所求晶面的晶面指数,一 般用（ hkl）表示；以 P7 页图 1-5 立方晶系为例,画图说明晶面指数的具体确定方法；对于立方晶系 由于其对称性高,所以可将其原子排列情形相同,而空间位向不同的晶面归为同一个晶 面族,用

11、hkl 表示；如（ 100）,（010）,（001）就属于 100 晶面族；而（ 110）,（101）,（1 1）,（ 11）就（011）,（ 10）,（ 01）,（0 1）就属于 110 晶面族；（111）,（11 ）属于 111 晶面族；2. 晶向指数的确定建立坐标 ,将所求晶向的一端放在坐标原点上 的直线 ；求出所求晶向上任意结点的三个坐标值；或从坐标原点引一条平行所求晶向将所得坐标值按比例化为最小整数,放入方括号内,即得所求晶向的晶向指数一 般用 uvw 表示；以 P7页图 1-6 为例,画图说明晶向指数的具体确定方法；对于立方晶 系由于其对称性高,也可将其原子排列情形相同,而空间位向

12、不同的晶向归为同一个晶 向族,用 表示,如晶向 100,010,001属于 晶向族；在立方晶系中, 当晶面指数与晶向指数相同时,即 h=u, k=v, l=w 时（ hkl）uvw ,名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载如（ 111）111；由晶面指数和晶向指数的介绍,可以发觉不同的晶面和晶向上,原子排列的紧密程 度不同；晶面上原子排列的紧密程度,可用晶面的原子密度（单位面积上的原子数）表 示；晶向上原子排列的紧密程度,可用晶向的原子密度（单位长度上的原子数）表示；以体心立方和面心立方为例,画图说明

13、晶面和晶向原子密度的具体运算方法；见 P8 页 表 1-2；通过运算和比较可以发觉,在晶体中原子最密排晶面之间的距离最大,原子最 密排晶向之间的距离最大；这是晶体在外力作用时,总是沿着原子最密排晶面和原子最 密排晶向,第一发生相对位移的主要缘由之一；六、金属晶体的各向异性 1、单晶体由一个晶核所长成的大晶体,它的原子排列方式和位向完全相同,这样的晶体称为单晶体；2、各向异性 是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象；5 如体心立方结构 -Fe 单晶体的弹性模量 E,在 方向 E =2.9 10 MPa,5 MPa,两者相差两倍多； 而且发觉单晶体的屈服强度、而在 方向 E =1.35 10

14、 导磁性、导电性等性能,也存在着明显的各向异性；单晶体具有各向异性的主要缘由是,其晶体中原子在三维空间是规章排列的,造成 各晶面和各晶向上原子排列的紧密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不 同）,使各晶面之间以及各晶向之间的距离不同,因此各不同晶面、不同晶向之间的原 子结合力不同,从而导致其具有各向异性；3、多晶体实际应用的体心立方结构铁的E =2.1 10 5 MPa；由于它是多晶体,由很多晶粒组成；多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体,它具有各向异性；由于各晶粒位向不同,因此它们的各向异性相互抵消,表现为各向同性,多晶体的这种现象称为伪等向性（伪 无向性）；下一节将具体讲解实际金属的

15、晶体结构；非晶体由于原子排列无规章, 所以沿各不同方向测得的性能相同, 表现为各向同性；其次节 实际金属的晶体结构 抱负晶体 是指晶体中原子严格地成完全规章和完整的排列,在每个晶格结点上都有 原子排列而成的晶体；如抱负晶胞在三维空间重复堆砌就构成抱负的单晶体；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载实际晶体 =多晶体 +晶体缺陷 实际使用的金属材料绝大多数都是多晶体,实际金属材料的每个晶粒中,仍存在着 各种晶体缺陷；1多晶体结构和亚结构 实际工程上用的金属材料都是由很多颗粒状的小晶体组成,每个小晶体内部

16、的晶格 位向是一样的,而各小晶体之间位向却不相同,这种不规章的、颗粒状的小晶体称为晶粒,晶粒与晶粒之间的界面称为晶界,由很多晶粒组成的晶体称为多晶体；一般金属材 料都是多晶体结构；在多晶体的每个晶粒内部, 也存在着很多尺寸更小位向差也很小的小晶块；它们相互嵌镶成一颗晶粒,这些在晶格位向中彼此有微小差别的晶内小区域称为亚结构或嵌镶 块；图 1-5 金属的多晶体结构示意图 2晶体缺陷图 1-6 点缺陷示意图实际金属具有多晶体,由于结晶条件等缘由,会使晶体内部显现某些原子排列不规 就的区域,这种区域被称为晶体缺陷；依据晶体缺陷的几何特点,可将其分为以下三种 类型：（1）点缺陷 ：点缺陷是指长、宽、高

17、尺寸都很小的缺陷；最常见的点缺陷是晶格 空位、置换原子和间隙原子；点缺陷的形成可以是液态金属凝固时,少数原子发生偶然 的错排而形成；也可以是晶体在高温或外力作用下形成；一般认为组成晶体的原子在晶 格结点上并不是静止不动的,而是以晶格结点为中心不停地作热振动,但受到四周原子的约束,它只能处在其平稳位置上（即晶格结点上）；在实际晶体结构中,晶格的某些结点往往未被原子占有,这种空着的结点位置称为晶格空位；晶格的某些结点往往被异 类原子占有,这种原子称为置换原子；处在晶格间隙中的原子称为间隙原子；在晶体中 由于点缺陷的存在,将引起四周原子间的作用力失去平稳,使其四周原子向缺陷处靠拢名师归纳总结 - -

18、 - - - - -第 7 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载或被撑开,从而晶格发生歪扭,这种现象称为晶格畸变；晶格畸变会使金属的强度和硬度提高；（ 2）线缺陷 ：线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大,另两个方向上尺寸很小的一种缺陷,主要是各种类型的位错；晶体中的位错可以是在凝固过程中形成,也可以在塑性 变形时形成；所谓位错是晶体中某处有一列或如干列原子发生了有规律的错排现象；位 错的形式很多,其中简洁而常见的刃型位错,晶体的上半部多出一个原子面 称为半原 子面 ,它像刀刃一样切入晶体中,使上、下两部分晶体间产生了错排现象,因而称为 刃型位错； E

19、F线称为位错线,在位错线邻近晶格发生了畸变；位错不是一个原子列,而 是一个晶格畸变“ 管道”,通常以该管道的中心作为位错线；图 1-7 刃型位错示意图位错的存在对金属的力学性能有很大的影响；例如冷变形加工后的金属,由于位错 密度的增加,强度明显提高；（3）面缺陷 ：面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大,第三个方向上的尺寸很小而 呈面状的缺陷；面缺陷的主要形式外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面 等；由于各晶粒之间的位向不同,所以晶界实际上是原子排列从一种位向过渡到另一个 位向的过渡层,在晶界处原子排列是不规章的；亚晶界是小区域的原子排列无规章的过 渡层；过渡层中晶格产生了畸变；图 1-8

20、 晶界、亚晶界的结构示意图晶界、亚晶界的存在, 使晶格处于畸变状态, 在常温下对金属塑性变形起阻碍作用；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载所以,金属的晶粒愈细,就晶界、亚晶界愈多,对塑性变形的阻碍作用愈大,金属的强度、硬度愈高；第三节 纯金属的结晶与铸锭组织物质由液态固态的过程称为凝固 ,由于液态金属凝固后一般都为晶体 ,所以液态金属固态金属的过程也称为结晶；由金工实习大家知道绝大多数金属材料都是经过冶炼后浇铸成形,即它的原始组织为铸态组织；明白金属结晶过程,对于明白铸件组织的形 成,以及对它锻造

21、性能和零件的最终使用性能的影响,都是特别必要的；而且把握纯金 属的结晶规律,对于懂得合金的结晶过程和其固态相变也有很大的帮忙；一、结晶基础 讨论液态金属结晶的最常用、最简洁的方法是热分析法；它是将金属放入坩埚中,加热熔化后切断电源,然后使其缓慢冷却,在冷却过程中,每隔肯定时间用热电偶测量 一次液态金属的温度,直至冷却到室温,然后将测量数据画在温度时间坐标图上,该 1-10；曲线称为冷却曲线或热分析曲线,见图图 1-9 纯金属的冷却曲线示意图图1-10 液体和固体的自由能随温度的变化示意图由该曲线可以看出,液态金属的结晶存在着两个重要的宏观现象；过冷现象和结晶 过程相伴潜热释放；1、过冷现象金属

22、在平稳条件下所测得的结晶温度称为理论结晶温度 T0 ；但在实际生产中,液态金属结晶时,冷却速度都较大,金属总是在理论结晶温度以下某一温度开头进行结晶,这一温度称为实际结晶温度 Tn ；金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象；理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度,用T 表示,即 T=T0- Tn；2、金属结晶的热力学条件名师归纳总结 图 1-10 给出了在等压条件下液、 固态金属的自由能与温度的关系曲线,当 TF固,而 F= F液-F固 0,为结晶的驱动力,由此可知过冷是结晶的必要条件,T越大,结晶驱动力越大,结晶速度越快；金属结晶时的过冷度与冷却速度有关,冷却速度愈大,过冷度就

23、愈大,金属的实际结晶温度就愈低；实际上金属总是在过冷的情形下结晶的,所以,过冷度是金属结晶的必要条件；3、结晶过程相伴潜热释放由纯金属的冷却曲线可以看出它是在恒温下结晶,即随时间的延长液态金属的温度不降低,这是由于在结晶时液态金属放出结晶潜热,补偿了液态金属向外界散失的热 量,从而维护在恒温下结晶；当结晶终止时其温度随时间的延长连续降低；二、结晶过程 金属的结晶过程从微观的角度看,当液体金属冷到实际结晶温度后,开头从液体中 形成一些尺寸微小的、原子呈规章排列的晶体晶核,然后以这些微小晶体为核心不断 吸取四周液体中的原子而不断长大,同时液态金属的其它部位也产生新的晶核,；在晶 核不断长大的同时,

24、又会在液体中产生新的晶核并开头不断长大,直到液态金属全部消 失,形成的晶体彼此接触为止；每个晶核长成一个晶粒,这样,结晶后的金属便是由许 多晶粒所组成的多晶体结构；总之,液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节；形核有自发形核和非自发形核两种方式,自发形核均质形核 是在肯定条件下,从液态金属中直接产生,原子呈规章排列的结晶核心；非自发形核 异质形核 ,是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核,非自发形核所需能量较少,它比自发形核简洁得多,一般条件下,液态金属结晶主要靠非自发形核；晶体的长大是以枝晶状形式进行的,并不断地分枝进展；图 1-11 金属结晶过程示意图名师归纳总结 - - -

25、 - - - -第 10 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载三、金属结晶晶粒的大小 1、晶粒大小对金属性能的影响 由试验发觉金属结晶后,在常温下晶粒越细小其强度、硬度、塑性、韧性越好,如 纯铁晶粒平均直径从 9.7mm 减小到 2.5mm,抗拉强度 b从 165MPa 上升 211MPa,伸长率 从 28.8%上升到 39.5%,通常将这种方法称为细晶强化,它的最大优点是能同时提 高金属材料的强度、硬度、塑性、韧性,而以后介绍的各种强化方法,都是通过牺牲材 料塑性、韧性来换取提高材料的强度、硬度；2、细化晶粒的途径 金属结晶时,一个晶核长成一个

26、晶粒,在肯定体积内所形成的晶核数目愈多,就结晶后的晶粒就愈细小；讨论发觉有两个途径,一是增加形核率 3、细化晶粒的方法 工业生产中,为了获得细晶粒组织,常采纳以下方法：增大过冷度N；二是降低长大速度；图 1-12 过冷度对晶粒大小的影响 过冷度大, F 大,结晶驱动力大,形核率和长大速度都大,且 N 的增加比 G 增加 得快,提高了 N 与 G 的比值,晶粒变细 ,增加过冷度,使金属结晶时形成的晶核数目增 多,就结晶后获得细晶粒组织；具体方法是对薄壁铸件用加快冷却速度的方法,来增大 T,如金属模代砂模,在金属模外通循环水冷却,降低浇注温度等；进行变质处理 对于厚壁铸件,用激冷的方法难以使其内部

27、晶粒细化,并且冷速过快易使铸件变形名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载开裂,但在液态金属浇注前人为地向其中加入少量孕育剂或变质剂,可起到提高异质形核率或阻碍晶粒长大作用,从而使大型铸件从外到里均能得到细小的晶粒；但对不同的材料加入的孕育剂或变质剂不同,如碳钢加钒、钛（形成TiN、TiC、VN、VC 促进异质形核）；铸铁加硅铁硅钙合金（促进石墨细化） ；铝硅合金加钠盐（阻碍晶粒长大） ；采纳振动处理 在金属结晶过程中,采纳机械振动、超声波振动、电磁振动等方法,使正在长大的 晶体折断、破裂,也能增加晶

28、核数目,从而细化晶粒；四、金属铸锭的结晶组织 1、铸锭的结晶 典型的铸锭结晶组织一般可以分为表层细等轴晶粒区、柱状晶粒区、中心粗等轴晶 粒区等三层不同特点的晶区；（1）表层细等轴晶粒区当高温下的液态金属注入铸锭模时,由于铸锭模温度较低,靠近模壁的薄层金属液体便形成了极大的过冷度,加上模壁的自发形核作用,便形 成了一层很细的等轴晶粒层；（2）柱状晶粒区随着表面层等轴细晶粒层的形成,铸锭模的温度上升, 液态金属的冷却速度减慢,过冷度减小；此时,沿垂直于模壁的方向散热最快,晶体沿散热的相 反方向择优生长,形成柱状晶粒区；图 1-13 铸锭的结晶组织（3）中心粗等轴晶粒区随着柱状晶粒区的结晶,铸锭模的

29、模壁温度在不断上升,散热速度减慢,逐步趋于匀称冷却状态；晶核在液态金属中可以自由生长,在各个不同 的方向上其大速率基本相当,结果形成了粗大的等轴晶粒；2、铸锭的组织与性能名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载金属铸锭中的细等轴晶粒区,显微组织比较致密,室温下力学性能最高；柱状晶粒 区的组织较致密,不易产生疏松等铸造缺陷,但存在脆弱的柱状晶区交界面,并常集合 易熔杂质和非金属夹杂物,在压力加工时易沿脆弱面产生开裂,因此钢锭一般不期望得 到柱状晶粒区,而对塑性较好的有色金属就期望柱状晶区扩大；铸锭的中心粗等轴晶粒 区在结晶时没有择优取向,不存在脆弱的交界面,不同方向上的晶粒彼此交叉,其力学 性能比较匀称,虽然其强度和硬度低,但塑性和韧性良好；总之,金属铸锭组织通常是 不匀称的；3、铸锭的缺陷 在金属铸锭中,除了铸锭的组织不匀称以外,仍常常存在各种铸造缺陷,如缩孔、疏松、气泡、裂纹、非金属夹杂物及化学成分偏析等,会降低工件的使用性能；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 13 页