第三章金属的晶体结构与结晶 (2)PPT讲稿.ppt

《第三章金属的晶体结构与结晶 (2)PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章金属的晶体结构与结晶 (2)PPT讲稿.ppt（47页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章 金属的晶体结构与结晶第1页，共47页，编辑于2022年，星期二物质由原子组成。原子的物质由原子组成。原子的结合方式结合方式和和排列方式排列方式决定决定了物质的性能。了物质的性能。原子、离子、分子之间的原子、离子、分子之间的结合力称为结合力称为结合键结合键。它们。它们的具体组合状态称为的具体组合状态称为结构结构。C60第三章 金属的晶体结构与结晶第2页，共47页，编辑于2022年，星期二金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构晶体与非晶体晶体与非晶体晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。晶体具有固定的熔点晶体具有固定的熔点。非晶体非晶体是指原子呈

2、无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。和非晶体可互相转化。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 第3页，共47页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 在金属晶体中，原子是按一定在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，并在原子近似地设想为刚性小球，并在三维空间中紧密堆积，然后用一些三维空间中紧密堆积，然后用一些假想的平行直线，将所有质点的中假想的平行直线，将所有质点的中心连

3、接起来，便构成了一个三维的心连接起来，便构成了一个三维的几何格架。几何格架。这个抽象出来的用于这个抽象出来的用于描述原子在晶体中的位置和排列描述原子在晶体中的位置和排列方式的几何格架，称为方式的几何格架，称为晶格晶格。晶晶格中各线的交点称为结点（或格中各线的交点称为结点（或阵点阵点）。）。第4页，共47页，编辑于2022年，星期二晶胞晶胞 从晶格中取一个从晶格中取一个最小最小的立体单元的立体单元（最小的（最小的平行六面体平行六面体）称为）称为晶胞晶胞。晶格晶格是晶胞在空间的叠加，是晶胞在空间的叠加，晶胞是构成晶格晶胞是构成晶格的最基本几何单元。的最基本几何单元。晶胞的选择原则：晶胞的选择原则：

4、能充分反映整个空间点阵的能充分反映整个空间点阵的对称性对称性。晶胞内的棱、角相等的数目最多，晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽可能多的直角。且具有尽可能多的直角。体积要最小。体积要最小。第5页，共47页，编辑于2022年，星期二晶格常数晶格常数在晶胞中取某一点为原点（通常在晶胞中取某一点为原点（通常取在左下角后面一结点），建立取在左下角后面一结点），建立坐标系，以晶胞的三个棱边作为坐标系，以晶胞的三个棱边作为坐标轴坐标轴x x，y y，z z（可以是垂直的，（可以是垂直的，也可以不垂直）也可以不垂直）。以三边的长度。以三边的长度a a，b b，c c及相互间夹角及相互间夹角，六个参数来表示

5、晶胞的六个参数来表示晶胞的大小大小和和形形状状，其中，其中三棱边的长度三棱边的长度a a，b b，c c 称为称为晶格常数晶格常数，它们反映了晶胞，它们反映了晶胞的大小。的大小。第6页，共47页，编辑于2022年，星期二晶向与晶面的概念晶向与晶面的概念 晶晶向向：在在晶晶胞胞中中，通通过过若若干干原原子子中中心心（结结点点）连连接接一一起起的的具具有有不同空间方位的直线不同空间方位的直线晶向晶向任何两个结点间的连线即构成一个晶向。任何两个结点间的连线即构成一个晶向。晶晶面面：在在晶晶胞胞中中，通通过过若若干干原原子子中中心心构构成成的的二二维维平平面面晶晶面面第7页，共47页，编辑于2022年

6、，星期二二、常见的晶格类型二、常见的晶格类型体心立方体心立方 BCC BCC Body-centered cubic面心立方面心立方 FCC FCC Face-centered cubic密堆六方密堆六方 CPH CPH Close-packed hexagonal第8页，共47页，编辑于2022年，星期二结构特征：结构特征：每个角顶上各有每个角顶上各有一个原子一个原子,体心中有一个原子体心中有一个原子 a=b=c a=b=c，=9090每每个个晶晶胞胞中中实实际际含含有有的的原原子子数数为为1+81/8=21+81/8=2个个常见金属：常见金属：-Fe-Fe，V V，TaTa，NbNb，Cr

7、Cr，MoMo，W W等等 第9页，共47页，编辑于2022年，星期二特征：特征：每个角顶上各有一个每个角顶上各有一个原子原子,各个面中心有一个原子。各个面中心有一个原子。a=b=ca=b=c，=9090每每个个晶晶胞胞中中实实际际含含有有的的原原子子数数为为81/8+61/2=481/8+61/2=4个个常见金属：常见金属：AgAg，AuAu，NiNi，CuCu Pd Pd，PtPt，-Fe-Fe等等 第10页，共47页，编辑于2022年，星期二特征：特征：1212个顶角各一个原子、上个顶角各一个原子、上下面中心各一个原子，体内下面中心各一个原子，体内3 3个个原子原子（位于对称中心处）（位

8、于对称中心处）a=ba=b c,c,=90=90，=120=120 通常：通常：c/a=1.633c/a=1.633每个晶胞中实际含有的原子数为每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)12+2(1/2)+3=6(1/6)12+2(1/2)+3=6个。个。常见金属：常见金属：MgMg，ZnZn，TiTi，ZrZr，等，等 第11页，共47页，编辑于2022年，星期二三、晶格的致密度三、晶格的致密度致致密密度度：晶晶胞胞中中原原子子本本身身所所占占的的体体积积百百分分数数，即即 晶晶格格的的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。金金属属晶晶

9、体体的的一一个个显显著著特特点点是是其其原原子子趋趋于于最最紧紧密密的的排排列列，因因而而金金属属晶晶格格中中原原子子排排列列的的紧紧密密程程度度是是反反映映金金属属晶晶体体结结构构特特征征的的一一个个重重要要因因素素。晶晶体体中中原原子子排排列列的的紧紧密密程程度度常常用用晶晶格格的的致致密度密度表示。表示。第12页，共47页，编辑于2022年，星期二表表3-1三种常见金属晶格的结构特点三种常见金属晶格的结构特点 第13页，共47页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 实际金属的结构实际金属的结构第14页，共47页，编辑于2022年，星期二 单晶体结构单晶体结构单晶体：单晶体：结晶位向完全

10、一致的晶体。结晶位向完全一致的晶体。即整个材料是一即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为个晶体，这块晶体就称之为“单晶体单晶体”。如单晶硅，如单晶硅，水晶石水晶石，金刚石金刚石。单晶体在不同的晶面和晶向的的力学。单晶体在不同的晶面和晶向的的力学性质不同，这种现象称为各向异性。性质不同，这种现象称为各向异性。一、多晶体结构第15页，共47页，编辑于2022年，星期二多晶体：多晶体：由众多外观不规则，位向由众多外观不规则，位向不同的单晶体（不同的单晶体（晶粒晶粒）组）组成的晶体结构。成的晶体结构。一般实际材料均为多晶体。一般实际材料均为多晶体。晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许

11、多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶界上原子排列是不规则晶界上原子排列是不规则的，的，晶界不一定是平整的晶界不一定是平整的。第16页，共47页，编辑于2022年，星期二沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织 多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为尺寸一般为1010-3-31010-1-1 mmmm左右，必须通过显微镜放大几十左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的形态、大小

12、和分倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，叫做显微组织。布情况，叫做显微组织。第17页，共47页，编辑于2022年，星期二光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图第18页，共47页，编辑于2022年，星期二同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差也很小的同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差也很小的小晶快，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界成为亚晶界。小晶快，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界成为亚晶界。第19页，共47页，编辑于2022年，星期二晶体缺陷：晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏正常晶体中原子排列受到破坏缺陷。缺陷。实际金属中存在着大量的晶体

13、缺陷，缺陷会引起材实际金属中存在着大量的晶体缺陷，缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。际晶体的数十倍，甚至数百倍。晶体缺陷的类型：晶体缺陷的类型：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷第20页，共47页，编辑于2022年，星期二点缺陷：点缺陷：点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小(原子尺寸范围内原子尺寸范围内)的缺陷。的缺陷。点缺陷的类型点缺陷的类型：1)1)空位空位 在晶格结点位置应有原子的地在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为方空缺，这种缺

14、陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，往往在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们它们可能是同类原子，也可能是异可能是同类原子，也可能是异类原子。类原子。3)3)置换原子置换原子 在一种类型的原子组成的晶在一种类型的原子组成的晶格中，格中，不同种类不同种类的原子占据原有的原的原子占据原有的原子位置。子位置。置换原子置换原子第21页，共47页，编辑于2022年，星期二空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称

15、晶格畸变晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。降。第22页，共47页，编辑于2022年，星期二线缺陷：线缺陷：线缺陷是指晶体内部一个方向尺寸较大，在另线缺陷是指晶体内部一个方向尺寸较大，在另外两个方向上尺寸较小的缺陷，呈线状分布的缺陷，外两个方向上尺寸较小的缺陷，呈线状分布的缺陷，常见的是各种类型的位错常见的是各种类型的位错（DislocationDislocation）。位错的形式位错的形式：刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 混合型位错混合型位错刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错第23页，共47页，编辑于2022年，星期二刃型位错：刃型位错：在晶

16、体的某一个晶面的上、下两部分的原子面在晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，刃刃型位错型位错。多余原子列位于滑移面以上的称多余原子列位于滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。多余原子列位于滑移面以下的称多余原子列位于滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。第24页，共47页，编辑于2022年，星期二面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺

17、寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶的晶体缺陷，是指金属的晶界和亚晶界。体缺陷，是指金属的晶界和亚晶界。面缺陷的形式面缺陷的形式 ：晶界面：晶界面 亚晶界面亚晶界面 相界面相界面第25页，共47页，编辑于2022年，星期二一、金属的结晶一、金属的结晶 结晶结晶：液态金属冷却到熔点温度时，原子由无序状态：液态金属冷却到熔点温度时，原子由无序状态转变为按一定几何形状作有序排列的过程，称为转变为按一定几何形状作有序排列的过程，称为结晶结晶。一切物质从液态到固态的转变过程称为一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固凝固，如凝固

18、后形成如凝固后形成晶体结构晶体结构，则称为，则称为结晶结晶。结晶可以是。结晶可以是液液固转变固转变，也可以是，也可以是固固固相变固相变。第三节第三节 金属的结晶金属的结晶 第26页，共47页，编辑于2022年，星期二1 1、通过、通过热分析法热分析法测定冷却曲线测定冷却曲线 将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的温度温度时间曲线时间曲线(又称冷却曲线又称冷却曲线)，第27页，共47页，编辑于2022年，星期二1 1、通过、通过热分析法热分

19、析法测定冷却曲线测定冷却曲线纯金属冷却曲线纯金属冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度理论结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T过冷度过冷度 T=TT=T0 0-T-Tn n第28页，共47页，编辑于2022年，星期二1 1）、）、冷却曲线分析冷却曲线分析纯金属结晶时，在冷却曲线上出现纯金属结晶时，在冷却曲线上出现水平台阶水平台阶的原因，的原因，是由于金属在结晶过程中，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了向释放的结晶潜热补偿了向外界散失的热量，外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶

20、潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。散失的热量，故温度又重新下降。2 2）、）、过冷现象过冷现象金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度T Tn n低于理论结晶温度低于理论结晶温度T T0 0的现象，的现象，称为称为过冷过冷。u过冷度过冷度T=TT=T0 0T Tn n，过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件。u同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。的实际结晶温度越低。第29页，共47页，编辑于2022年，星期二2 2、纯金属的结晶过程、纯金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶过程液态金属的结晶是由液态金属的结晶是由晶核

21、的形成晶核的形成和和晶核的长大晶核的长大两个过两个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一些极微小程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体的晶体(称为晶核称为晶核)，然后再以它们为核心不断长大。，然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。直至液态金属全部消失。第30页，共47页，编辑于2022年，星期二u当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。u形核有自发形核和非自发形核两种方式。u自发形核是在一定条件

22、下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；u非自发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，它比自发形核容易得多。（1 1）形核形核第31页，共47页，编辑于2022年，星期二形核和核长大方式形核和核长大方式晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液固界面向液体中推移的过程。长大方式：树枝状生长（2）晶核长大第32页，共47页，编辑于2022年，星期二（3）影响晶核形成和长大的因素1）过冷度：从金属的结晶过程可知，一定体积的液态金属中，形成的晶核数目越多，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。随着过冷度的增大，晶核的数目增加，因此提高过冷度可以增加单位

23、体积内晶粒的数目，使晶粒细化。（但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减少。）实际生产中，增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度以增加形核数目。如在铸造生产中，金属型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。第33页，共47页，编辑于2022年，星期二2）变质处理：金属结晶时，向液体金属中加入微量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。变质处理使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。3）振动或搅拌机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。第34页，共47页，编辑于2022年，星期二3 3、晶粒大小

24、对金属力学性能的影响、晶粒大小对金属力学性能的影响u在常温下的在常温下的细晶粒晶粒金属比金属比粗晶粒粗晶粒金属具有金属具有较高的高的强度、度、塑性和塑性和韧性。性。这是因是因为：u晶粒越晶粒越细，塑性，塑性变形越可分散在更多的晶粒内形越可分散在更多的晶粒内进行，行，使塑性使塑性变形越均匀，内形越均匀，内应力集中越小；力集中越小；u晶粒越晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交犬牙交错的的机会就越多，越不利于裂机会就越多，越不利于裂纹的的传播和播和发展，彼此就越展，彼此就越紧固，固，强度和度和韧性就越好性就越好 。强度和晶粒尺寸的关系Hall-Petch公式 第35页

25、，共47页，编辑于2022年，星期二晶粒度晶粒度(晶粒数晶粒数/mm2)b(N/mm2)s(N/mm2)()6.32374635.3512747044.819429410847.5纯铁的晶粒度与力学性能的关系纯铁的晶粒度与力学性能的关系第36页，共47页，编辑于2022年，星期二二、金属的同素异构转变金属在固体下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构转变，又称为重结晶。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。金属的同素异晶转变过程同样遵循形核、长大规律。第37页，共47页，编辑于2022年，星期二第38页，共47页，编辑于202

26、2年，星期二-Fe-Fe-Fe1394912 正因为纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。图图3-13 3-13 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 第39页，共47页，编辑于2022年，星期二三、金属铸锭的组织特点第40页，共47页，编辑于2022年，星期二1-表面细晶区；2-柱状晶区；3-中心等轴晶区第41页，共47页，编辑于2022年，星期二金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察第42页，共47页，编辑于2022年，星期二1 1、饱饱和和的的氯氯化化铵铵水水溶溶液液结结晶晶过过程程 第第一一阶阶段段：在在溶溶滴滴外外层层形形成成一一圈圈细细小小等等轴轴晶晶。第第二二

27、阶阶段段：在在此此基基础础上上向向里里形形成成较较粗粗大大的的柱柱状状晶晶。第第三三阶阶段段：在在溶溶滴滴中中心心部部分分形形成成不不同同位位向向的的枝枝晶晶。第43页，共47页，编辑于2022年，星期二2、硝酸银水溶液、硝酸银水溶液+铜丝置换反应结晶过程铜丝置换反应结晶过程2AgNO3+Cu=2Ag（枝晶）枝晶）+Cu(NO3)2AgCu第44页，共47页，编辑于2022年，星期二3、不同浇注条件对纯铝铸锭结晶过程及组织影响、不同浇注条件对纯铝铸锭结晶过程及组织影响不同浇注条件下纯铝铸锭的宏观组织特征不同浇注条件下纯铝铸锭的宏观组织特征试样试样编号编号铸型铸型材料材料铸型温铸型温度度()浇注

28、温度浇注温度()组织形貌特征组织形貌特征1砂模砂模500700多边形的粗大等轴晶多边形的粗大等轴晶2砂模砂模室温室温700粗大柱状晶，中心处有等轴晶粗大柱状晶，中心处有等轴晶3铁模铁模室温室温700较粗大柱状晶较粗大柱状晶4铁模铁模500700较粗大柱状晶，中心少量等轴晶较粗大柱状晶，中心少量等轴晶5铁模铁模室温室温800（加（加Ti变质）变质）细小等轴晶细小等轴晶第45页，共47页，编辑于2022年，星期二500砂模砂模700浇注浇注1室温砂模室温砂模700浇注浇注2室温铁模室温铁模700浇注浇注3500铁模铁模700浇注浇注4室温铁模室温铁模800浇注（加浇注（加Ti）5第46页，共47页，编辑于2022年，星期二第三章作业第三章作业P16：2、4、5。下星期课前收齐全部作业！第47页，共47页，编辑于2022年，星期二