第二章金属的晶体结构与结晶PPT讲稿.ppt

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1、第二章金属的晶体结构与结晶第1页，共46页，编辑于2022年，星期三2-1 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n良好的导热性和导电性良好的导热性和导电性n有光泽、不透明有光泽、不透明n较高强度、可塑性较高强度、可塑性第2页，共46页，编辑于2022年，星期三二、晶体结构的基本概念二、晶体结构的基本概念晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空晶体结构：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。第3页，共46页，编辑于2022年，星期三晶格：为了便于研究，用假想直线将金属晶格：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

2、示原子分中原子的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形。布的几何图形。第4页，共46页，编辑于2022年，星期三晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。第5页，共46页，编辑于2022年，星期三晶格常数：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 第6页，共46页，编辑于2022年，星期三晶面：晶体中原子排列的晶面：晶体中原子排列的平面。平面。晶向：晶体中原子排列的晶向：晶体中原子排列的方向。方向。晶面指数：用以表示晶晶面指数：用以表示晶面空间方位的符号。面空间方位的符号。晶向指数：用以表示晶晶向

3、指数：用以表示晶向空间方位的符号。向空间方位的符号。第7页，共46页，编辑于2022年，星期三晶面指数确定方法：晶面指数确定方法：a)任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴；棱边为空间坐标轴；b)以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒数；数；c)将各倒数化为最小整数，加圆括号。将各倒数化为最小整数，加圆括号。（hkl）晶面族晶面族hkl第8页，共46页，编辑于2022年，星期三晶向指数的确定方法：晶向指数的确定方法：a)任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴；空间坐标

4、轴；b)过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向；过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向；c)读出该方向任意一点的空间坐标值；读出该方向任意一点的空间坐标值；d)化为最小整数，加方括号。化为最小整数，加方括号。uvw所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族第9页，共46页，编辑于2022年，星期三n致密度致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包体积：晶胞中原子所占体积与该晶包体积之比。之比。对原子排列的紧密程度进行定量比较！第10页，共46页，编辑于2022年，星期三三、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

5、格密排六方晶格密排六方晶格第11页，共46页，编辑于2022年，星期三1）体心立方晶格）体心立方晶格nA=b=c;=900 n晶胞内原子数晶胞内原子数n=(1/8)8+1=2n密排方向：体对角线密排方向：体对角线 an原子半径原子半径 r=(/4)anK=0.68n常见金属：常见金属：-Fe,Cr,V,Nb,W,Mo等高等高熔点金属。熔点金属。第12页，共46页，编辑于2022年，星期三2）面心立方晶格）面心立方晶格nA=b=c;=900nn=(1/8)8+(1/2)6=4n密排方向：面对角线密排方向：面对角线 an原子半径原子半径r=(/4)anK=0.74n常见金属：常见金属：-Fe Au

6、(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),Ni,Mn第13页，共46页，编辑于2022年，星期三3)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 第14页，共46页，编辑于2022年，星期三四、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密各向异性：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性能度和分布状态不同

7、，从而导致不同方向上的性能差异，这种现象叫各向异性。差异，这种现象叫各向异性。第15页，共46页，编辑于2022年，星期三单晶体铁的弹性模量单晶体铁的弹性模量单晶体铁的弹性模量单晶体铁的弹性模量 2.9010 2.901055MPaMPa 1.35 10 1.35 1055MPaMPa单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿 方方方方向磁化，比沿向磁化，比沿向磁化，比沿向磁化，比沿 方向容易，方向容易，方向容易，方向容易，所以制造变压器硅钢片时所以制造变压器硅钢片时所以制造变压器硅钢片时所以制造变压器硅钢片时 方向应平行于导磁方向，方向应平行于导磁方向，方向应平

8、行于导磁方向，方向应平行于导磁方向，以降低损耗。以降低损耗。以降低损耗。以降低损耗。第16页，共46页，编辑于2022年，星期三2-2 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第17页，共46页，编辑于2022年，星期三晶界第18页，共46页，编辑于2022年，星期三

9、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（置换原子）（置换原子）（置换原子）（置换原子）第19页，共46页，编辑于2022年，星期三2）线缺陷）线缺陷位错位错位错密度位错密度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。单位体积中位错线长度。单位体积中位错线长度。位错位错的存在使金属能够比较容易发生的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。塑性变形。第20页，共46页，编辑于2022年，星期三第21页，共46页，编辑于2022年，星期三3）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第2

10、2页，共46页，编辑于2022年，星期三2-3 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第23页，共46页，编辑于2022年，星期三一、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第24页，共46页，编辑于2022年，星期三热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系自热力学定律：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）降低的过由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。程才能自发进行。结晶动力结晶动力F第25页，共46页，编辑于2022年，星期三二、纯金属

11、的结晶过程二、纯金属的结晶过程金属液形成晶核晶核长大形成晶体生生 核核长长 大大第26页，共46页，编辑于2022年，星期三1）晶核的形成第27页，共46页，编辑于2022年，星期三2）晶核的长大第28页，共46页，编辑于2022年，星期三冷却速度对金属晶粒度的影响冷速大冷速小第29页，共46页，编辑于2022年，星期三晶核的形成自发形核非自发形核第30页，共46页，编辑于2022年，星期三三、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大小的衡量晶粒度晶粒度第31页，共46页，编辑于2022年，星期三细晶强化细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度：一般情况下，晶粒越小，强

12、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。第32页，共46页，编辑于2022年，星期三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第33页，共46页，编辑于2022年，星期三超高速急冷技术：超高速急冷技术：将液态金属连续留将液态金属连续留入旋转的冷却轧辊入旋转的冷却轧辊之间，急冷后可获得几毫之间，急冷后可获得几

13、毫米宽的非晶态金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：n很高的强度和韧性。很高的强度和韧性。n高的电阻率。高的电阻率。n良好的抗磁性等。良好的抗磁性等。第34页，共46页，编辑于2022年，星期三孕育处理孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂，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。增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。加入人工晶核晶粒细化第35页，共46页，编辑于2022年，星期三铝合金中加入钛、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

14、中加入钠盐第36页，共46页，编辑于2022年，星期三振动振动 在金属结晶的过程在金属结晶的过程中采用机械振动、超中采用机械振动、超声波振动等方法，可声波振动等方法，可以破碎正在生长中的以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得多的结晶核心，获得细小的晶粒。细小的晶粒。第37页，共46页，编辑于2022年，星期三电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属将正在结晶的金属置于一个交变的电磁置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的枝晶的树枝状晶体的枝晶，增加了结晶的核晶，增加

15、了结晶的核心，从而细化晶粒。心，从而细化晶粒。第38页，共46页，编辑于2022年，星期三四、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第39页，共46页，编辑于2022年，星期三2）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杂柱状晶细密，但接触面有非金属夹杂或低熔点杂质，热扎、锻造时易开裂。熔点高、杂质多的金质，热扎、锻造时易开裂。熔点高、杂质多的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合金）属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合金）熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以全部熔点低、不

16、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）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。（气轮受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气轮机叶片）机叶片）第40页，共46页，编辑于2022年，星期三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第41页，共46页，编辑于2022年，星期三3）铸锭的缺陷）铸锭的缺陷缩孔缩孔缩松缩松气孔气孔第42页，共46页，编辑于2022年，星期三五、单晶的制取五、单晶的制取制取单晶的条件：液体结晶时只有一制取单晶的条件：液体结晶时只有一个晶核。个晶核。应用：电子元件、激光元件、喷气发应用：电子元件、激光元件、喷气发动机叶片动机叶片方法：垂直提拉法方法：垂直提拉法 尖端形核法尖端形核法第43页，共46页，编辑于2022年，星期三尖端形核法尖端形核法第44页，共46页，编辑于2022年，星期三垂直提拉法（制取单晶硅）垂直提拉法（制取单晶硅）第45页，共46页，编辑于2022年，星期三完第46页，共46页，编辑于2022年，星期三