03金属的结构与结晶.ppt

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1、金属工艺学金属工艺学第3章 金属的结构与结晶本章知识点本章知识点1晶体结构的基本知识：晶格、晶胞、晶体结构的基本知识：晶格、晶胞、金属常见的晶格类型；金属常见的晶格类型；2金属的实际晶体结构：多晶体结构、金属的实际晶体结构：多晶体结构、点缺陷、线缺陷、面缺陷；点缺陷、线缺陷、面缺陷；3纯金属的结晶：结晶的概念、结晶过纯金属的结晶：结晶的概念、结晶过程、晶粒大小对力学性能的影响；程、晶粒大小对力学性能的影响；4纯铁的同素异构转变。纯铁的同素异构转变。3.1 3.1 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固固态态物物质

2、质按按其其原原子子（或或分分子子）聚聚集集状状态态可可分分为为体体和和非非晶晶体体两两大大类类。在在晶晶体体中中，原原子子（或或分分子子）按按一一定定的的几几何何规规律律作作周周期期性性地地排排列列 。非非晶晶体体中中原原子子（或或分分子子）则则是是无无规规则则的的堆堆积积在在一一起起。（如如松松香香、玻璃、玻璃、沥沥青）青）（二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、晶格常数 1、晶格 为为了了便便于于表表明明晶晶体体内内部部原原子子排排列列的的规规律律，把把每每个个原原子子看看成成是是固固定定不不动动的的刚刚性性小小球球，并并用用一一些些几几何何线线条条将将晶晶格格中中各各原原子子的的

3、中中心心连连接接起起来来，构构成成一一个个空空间间格格架架，各各原原子子的的中中心心就就处处在在格格架架的的几几个个结结点点上上，这这种种抽抽象象的的、用用于于描描述述原原子子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶胞 由于晶体中原子有由于晶体中原子有规则规则排列且有周期性的特点，排列且有周期性的特点，为为了便于了便于讨论讨论 通常只从晶格中，通常只从晶格中，选选取一个能取一个能够够完全反完全反映晶格特征的、最小的几何映晶格特征的、最小的几何单单元来分析晶体中原子排元来分析晶体中原子排列的列的规规律，律，这这个最小的几何个最小的几何单单元称元称为为晶

4、胞 ，整个晶，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。3 3、晶格常数、晶格常数 在在晶晶体体学学中中，通通常常取取晶晶胞胞角角上上某某一一结结点点作作为为原原点点，沿沿其其三三条条棱棱边边作作三三个个坐坐标标轴轴X X、Y Y、Z Z，并并称称之之为为晶晶轴轴，而而且且规规定定坐坐标标原原点点的的前前、右右、上上方方为为轴轴的的正正方方向向，反反之之为反方向，并以棱边长度为反方向，并以棱边长度 和棱面和棱面夹夹角角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。（三）、金属中常见晶格（三）、金属中常见晶格

5、 由由于于金金属属键键结结合合力力较较强强，是是金金属属原原子子总总趋趋于于紧紧密密排排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格 体体心心立立方方晶晶格格的的晶晶胞胞它它是是一一个个立立方方体体。在在晶晶胞胞的的中中心心和和八八个个角角上上各各有有一一个个原原子子，晶晶胞胞角角上上的的原原子子为为相相邻邻的的八八个个晶晶胞胞所所共共有有，每每个个晶晶胞胞实实际际上上只只占占有有1 18 8个个原原子子。而而中中心心的的原原子子为为该该晶晶胞胞所所独独有有。故故晶晶胞胞中中实实际际原原子子数数为为81818 81 12 2（个个）。

6、具具有有体体心心立立方方晶晶格格的的金金属有属有 、等。等。2、面心立方晶格 面面心心立立方方晶晶格格也也是是一一个个立立方方体体，在在晶晶胞胞的的每每个个角角上上和和晶晶胞胞的的六六个个面面的的中中心心都都排排一一个个原原子子，晶晶胞胞角角上上的的原原子子为为相相邻邻的的八八个个晶晶胞胞所所共共有有，而而每每个个面面中中心心的的原原子子为为两两个个晶晶胞胞共共有有。所所以以，面面心心立立方方晶晶胞胞中中原原子子数数为为81818 861612 24 4（个）。（个）。具有面心立方晶格的金属有具有面心立方晶格的金属有 、等。等。3、密排六方晶格 密密排排六六方方晶晶格格的的晶晶胞胞是是一一个个

7、六六方方柱柱体体，有有六六个个呈呈长长方方形形的的侧侧面面和和两两个个呈呈六六边边形形的的底底面面所所组组成成。因因此此，要要用用两两个个晶晶格格常常数数表表示示。一一个个是是柱柱体体的的高高度度c c，另另一一个个是是六六边边形形的的边边长长，在在晶晶胞胞的的每每个个角角上上和和上上、下下底底面面的的中中心心都都排排列列一一个原子，另外在晶胞中个原子，另外在晶胞中间还间还有三个原子有三个原子。密密排排六六方方晶晶胞胞每每个个角角上上的的原原子子为为相相邻邻的的六六个个晶晶胞胞所所共共有有，上上、下下底底面面中中心心的的原原子子为为两两个个原原子子所所共共有有，晶晶胞胞中中三三个个原原子子为为

8、该该晶晶胞胞独独有有。所所以以，密密排排六六方方晶晶胞胞中中原原子子数数为为1211216 621212 23 36 6（个个）。具具有有密密排排六六方方晶晶格格的金属有的金属有Mg Mg、ZnZn 。（四）、晶体结构的致密度致密度 晶晶体体结结构构的的致密度是是指指晶晶胞胞中中原原子子所所占占体体积积与与该该晶晶胞胞体体积积之之比，可用来比，可用来原子排列的原子排列的紧紧密程度密程度进进行定量比行定量比较较。在在体体心心立立方方晶晶胞胞中中，含含有有2 2个个原原子子。这这2 2个个原原子子的的体体积积为为22（4 43 3）rr3 3，式式中中r r为为原原子子半半径径 。故故体体心心立立

9、方方晶晶格格的的致致密密度度为为：2 2个原子的体积与晶胞体积之比等于个原子的体积与晶胞体积之比等于0.680.68。这表明在体心立方晶格中，有这表明在体心立方晶格中，有68的体积被所占据，其余为空的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶凝固与结晶的概念

10、凝固与结晶的概念结晶的现象与规律结晶的现象与规律同素异晶同素异晶(构构)转变转变一、一、凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。2.结晶结晶 *晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。*物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远远 程有序程有序排列排列的过程。的过程。To二、二、结晶的现象与规律结晶的现象与规律一一）.结晶的一般过程结晶的一般过程1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶

11、潜热导致)2.过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度过冷现象过冷现象 过冷度过冷度 T=T0 T1过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。二二).).结晶的一般规律结晶的一般规律形形核核长大长大形形核、长大核、长大1.晶核的形成晶核的形成在在一定的过冷度下一定的过冷度下,当当F F体体F F表表时时,晶晶核就形成。核就形成。晶核形成的形式晶核形成的形式:*自发形核自发形核 T=200 *非自发形核非自发形核 T=20 2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶

12、晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般地说，在室温下，细晶粒金的影响。一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。属具有较高的强度和韧性。为了提高金属的力学性能，必须控制金属为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小结晶后的晶粒大小。过冷度的影响过冷度的影响细化晶粒的途径细化晶粒的途径v1）增加过冷度）增加过冷度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v2）变质处理）变质处理在浇注前向液态金属中加入一些细小的形核剂（又称变质剂或孕育剂），使它分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，或者降低晶核的长大

13、速度，这种细化晶粒的方法称为变质处理。v3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。晶体的缺陷晶体的缺陷 晶晶体体内内部部的的某某些些局局部部区区域域，原原子子的的规规则则排排列列受受到到干干扰扰而而破破坏坏，不不象象理理想想晶晶体体那那样样规规则则和和完完整整。把把这这些些区区域域称称为为晶体缺陷。这这些些缺缺陷陷的的存存在在，对

14、对金金属属的的性性能能（物物理理性性能能、化化学学性性能能、机机械械性性能能）将将产产生生显显著著影影响响，如如钢钢的的耐耐腐腐蚀蚀性性，实实际际金金属属的的屈屈服服强强度度远远远远低低于于通通过过原子间的作用力计算所得数值。原子间的作用力计算所得数值。根根据据晶晶体体缺缺陷陷的的几几何何形形态态特特征征，可可将将其其分分为为以以下下三三类：类：点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 1 1、点缺陷、点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 在在实实际际晶晶体体结结构构中中，晶晶格格的的某某些些结结点点，往往往往未未被被原原子子所所占占据据，这这种种空空着着的的位位置置称称为为空空位位。同同时时又

15、又可可能能在在个个别别空空隙隙处处出出现现多多余余的的原原子子，这这种种不不占占有有正正常常的的晶晶格格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。由于空位和间隙原子的存在由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。度和电阻增加。晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙

16、原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。属材料的热处理过程极为重要。2 2、线缺陷、线缺陷位错位错 晶晶体体中中，某某处处有有一一列列或或若若干干列列原原子子发发生生有有规规律律的的错错排排现现象象，称称为为位位错错。其其特特征征是是在在一一个个方方向向上上的的尺尺寸寸很很长长，而而另另两两个个方方向向的的尺尺寸寸很很短短。晶晶体体中中位位错错的的数数量量通通常常用用位位错错密密度度表表示示，位位错错密密度度是是指指单单位位体体积积内内，位位错错线的总长度。线的总长度。位位错错的的存存在在以以及及位位错错密密度度的的变变化

17、化，对对金金属属的的性性能能如如强强度度、塑塑性性、疲疲劳劳等等都都起起着着重重要要影影响响。如如金金属属材材料料的的塑塑性性变变形形与与位位错错的的移移动动有有关关。冷冷变变形形加加工工后后金金属属出出现现了了强强度度提提高高的的现现象象（加加工工硬硬化化），就就是是由由于于位位错错密密度度的增加所致。的增加所致。3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图223、224），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。纯铁的纯铁

18、的同素异晶同素异晶转变转变反应式反应式:3.3 3.3 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变1394 C912 Cbccfccbcc -Fe -Fe -Fe 纯纯铁的铁的冷却曲线冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe总结总结 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。一种的变化会引起体积的变化。2、合金的相结构有固溶体和化合物。

19、弥散强化和、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。化是提高金属性能的方法之一。3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的对金属材料的热处理过程极为重要。热处理过程极为重要。位位错错的存在以及位的存在以及位错错密度的密度的变变化，化，对对金属的性能如金属的性能如强强度、塑性、疲度、塑性、疲劳劳等都起着重要等都起着重要影响影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、密度的增加所致。点缺陷、晶界和晶界和亚亚晶界晶界也与材料的也与材料的力学性能有关。力学性能有关。