—金属的晶体结构课件.ppt

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1、金属材料与热处理第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶主主 要要 内内 容容 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 第三节第三节 观察结晶过程（实验）观察结晶过程（实验）第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 内容内容v 晶体与非晶体晶体与非晶体v 金属的晶格类型金属的晶格类型v 单晶体与多晶体单晶体与多晶体v 晶体缺陷晶体缺陷 目的目的v掌握晶体非晶体的区分，了解金属的晶格类型，了解晶体掌握晶体非晶体的区分，了解金属的晶格类型，了解晶体缺陷对材料性能的影响。缺陷对材料性能的影响。一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体（一

2、）、晶体与非晶体 物质是由原子和分子构成的，其存在状态有物质是由原子和分子构成的，其存在状态有气态、液态和固态。固态物质根据其结构特点不气态、液态和固态。固态物质根据其结构特点不同可分为晶体与非晶体。同可分为晶体与非晶体。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v固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子类。在晶体中，原子呈有序、规则呈有序、规则排列排列 。非晶体中原子（或。非晶体中原子（或分子）则是分子）则是无序无规则无序无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）的堆积在一

3、起。（如松香、玻璃、沥青）一、晶体与非晶体的基本知识一、晶体与非晶体的基本知识v晶体的性能特点：晶体的性能特点：1、具有规则的几何、具有规则的几何形状。形状。2、有一定的熔点，、有一定的熔点，性能呈各向异性（在性能呈各向异性（在各方向上变现出不同各方向上变现出不同的性能）的性能）v非晶体的性能特点：非晶体的性能特点：1、没有规则的几何、没有规则的几何形状。形状。2、没有固定的熔点，、没有固定的熔点，性能呈各向同性。性能呈各向同性。自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为非晶体，所有的金属都是晶体。二、金属的晶格类型二、金属的晶格类型 金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。为了更清楚地表

4、示金属中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格。晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。晶胞是可以反映金属原子排列规律的最小单元，所以一般都是取出晶胞来研究金属的晶格结构。（二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、晶格常数1 1、晶格：、晶格：实际晶体的空间简化格子。简化过程如下图：实际晶体的空间简化格子。简化过程如下图：2 2、晶胞：、晶胞：能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。3 3、晶

5、格常数：、晶格常数：棱边长度棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小。来表示晶胞的形状和大小。简化的空间格子简化的空间格子（三）、金属中常见晶格（三）、金属中常见晶格1 1、体心立方晶格、体心立方晶格(bcc)(bcc)：如如v晶胞中实际原子数为晶胞中实际原子数为8 81 18 81 12 2（个）。（个）。1/8 晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心2 2、面心立方晶格、面心立方晶格(fcc)(fcc)v 面心立方晶胞中原子数为面心立方晶胞中原子数为8 81 18 86 61 12 24 4（个）。（个）。面心立方晶格的金属有面心立方晶格的金属有 、等。等。

6、晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和六个面的中心3 3、密排六方晶格、密排六方晶格(hcp)(hcp)v密排六方晶胞中原子数为密排六方晶胞中原子数为12121 16 62 21 12 23 36 6（个）。（个）。密排六方晶格的金属有密排六方晶格的金属有Mg Mg、ZnZn 。晶胞是一个正六棱柱，原子排列除排列于柱体的每个顶点和上、下两个底面的中心外，正六棱柱的中心还有三个原子。二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构 只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体，。单晶体的晶格排列方位完全一致。单晶体必须人工制作，如生产半导体元件的单晶硅，单晶铢等。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各

7、向异性。多晶体是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界。普通金属材料都是多晶体，虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现无向性，即各向同性。二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构v （一）金属材料都是多晶体。v 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒，晶体晶体晶粒晶粒晶界晶界多晶体示意图多晶体示意图（二）、晶体的缺陷（二）、晶体的缺陷v缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有很大的影响。很大的影响。v分

8、类（根据晶体缺陷的几何形态特征）：分类（根据晶体缺陷的几何形态特征）：点缺陷 面缺陷 线缺陷 晶体的缺陷晶体的缺陷空位 填隙原子 置换原子 位错 晶界 1 1、点缺陷、点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子空位和间隙原子空位和间隙原子晶格畸变晶格畸变强度、硬度和电阻增加强度、硬度和电阻增加金属材料的热处理过程金属材料的热处理过程应用应用2 2、线缺陷、线缺陷位错位错 u位位错错密密度度：指指单单位位体体积积内内，位位错线的总长度。错线的总长度。u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

9、金属属材材料料的的塑塑性性变变形形与与位位错错的移动有关。的移动有关。u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），就就是由于位错密度的增加所致。是由于位错密度的增加所致。刃形位错示意图刃形位错示意图立体立体模型模型平面平面模型模型3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界结构晶界结构亚晶界结构亚晶界结构第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶v凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念v结晶的现象与规律结晶的现象与规律v同素异晶同素异晶(构构)转变转变主要内容主要内容转炉炼钢转炉炼钢金属结晶录像（单击）金属结晶录像（单击）一、一、凝固与结晶的概念

10、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。微观上：微观上：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 程有序排列转变程有序排列转变的过程。的过程。2.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构二、二、结晶的现象与规律结晶的现象与规律一）结晶的一般过程一）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To时间时间温温度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

11、台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)2.过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度v过冷现象：T实际T理论；v过冷度：过冷是结晶的必要条件。T=T0 T1二二).).结晶的一般规律结晶的一般规律(结晶过程结晶过程)形核形核长大长大结晶结晶结晶结晶过程过程形核、长大形核、长大1.晶核的形成晶核的形成v在一定的过冷度下在一定的过冷度下,当当F F体体F F表表时时,晶核就形成。晶核就形成。v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 v2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状长大过程长大过程2.晶核的长大方式分解图各种晶体枝晶形状各种晶体枝晶形状

12、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3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素影响晶核的形核率和晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响1)过冷度的影响过冷度的影响三）细化晶粒的途径三）细化晶粒的途径v1 1）提高冷却速度）提高冷却速度V V冷冷T TN Nv2 2）变质处理）变质处理v3 3）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。变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大（又称为孕育剂或

13、变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。晶粒细小晶粒细小二、金属的同素异晶转变二、金属的同素异晶转变v纯铁的纯铁的同素异晶转变同素异晶转变反应式反应式:1394 C912 Cbccfccbcc-Fe -Fe -Fe纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构v（一）、（一）、合金合金的基本概念的基本概念v组元组元v相相v组织组织（二）、合金的相结构（二）、合金的相结构 固溶体固溶体化合物化合物合金的相结构合金的相结构晶格发生畸变示意图晶格发生畸变示意图固溶体固溶体提高金属材料的力学性能方法：提高金属材料的力学性能方法：v弥散强化弥散强化v固溶强化固溶强化5431课后后作作业