第一章--金属的结晶构造和结晶过程.ppt

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1、L o g o第二节第二节金属的结晶构造和结晶过程金属的结晶构造和结晶过程 L o g o金属与合金的晶体构造及其结晶过程 基本概念基本概念l金属：金属：l合金：合金：由一种金属元素所组成。如由一种金属元素所组成。如Cu，Al，Mg，Zn由一种金属元素为主，加入其他金属由一种金属元素为主，加入其他金属（或非金属）元素所组成，例（或非金属）元素所组成，例FeC铁碳合金铁碳合金(钢、铸铁钢、铸铁)CuZn铜锌合金铜锌合金(黄铜黄铜)1 1L o g o第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。、晶体：原子在三维空间内的周

2、期性规则排列。长程有序，各向异性。有固定熔点。长程有序，各向异性。有固定熔点。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。无固定熔点。长程无序，各向同性。无固定熔点。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。维都是晶体。3L o g o金属晶体模型L o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、

3、晶格、晶胞、晶格常数名词术语晶体晶体非晶体非晶体晶格晶格晶胞晶胞晶格常数晶格常数原子呈有序排列原子呈有序排列原子呈无序排列原子呈无序排列描述原子排列规律的空间格子描述原子排列规律的空间格子组成晶格的最基本单元组成晶格的最基本单元晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架5L o g o6L o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数7L o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数 晶晶胞胞：空空间间点点阵阵中中能能代代表表原原子子排排列列规规律律的的最最小小的的几几何何单单元元称称之之为为晶晶胞胞，是

4、是构构成空间点阵的最基本单元。成空间点阵的最基本单元。晶胞表示方法晶胞表示方法三三个个棱棱边边的的长长度度a,b,c及及其夹角其夹角,表示。表示。L o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数晶面晶面：晶格中原子所构成的平面。：晶格中原子所构成的平面。晶向晶向：原子所构成的方向。：原子所构成的方向。L o g o三、金属中常见的三种晶格类型三、金属中常见的三种晶格类型l常见金属晶格类型常见金属晶格类型体心立方晶格体心立方晶格Mn，Mo，W，Cr，V，Fe，Fe等等L o g o体心立方晶格体心立方晶格v体心立方晶格的晶胞中体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方八个原子处于立方体

5、的角上体的角上,一个原子处于立方体的中心一个原子处于立方体的中心,角角上八个原子与中心原子紧靠。上八个原子与中心原子紧靠。v体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：晶格常数：晶格常数：a=b=c,=90L o g o体心立方晶格体心立方晶格 原子个数原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）在体心立方晶胞中在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属每个角上的原子在晶格中同时属于于8个相邻的晶胞个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为胞仅为1/8,而中心的那个原子

6、则完全属于这个晶胞。而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。个。L o g o体心立方晶格体心立方晶格原子半径原子半径v晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线角线,所以原子半径与晶格常数所以原子半径与晶格常数a之间的关系之间的关系为：为：L o g o体心立方晶格体心立方晶格致密度致密度v晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度之比称为致密度(也称

7、密排系数也称密排系数)。致密度越大。致密度越大,原原子排列紧密程度越大。子排列紧密程度越大。v体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞的致密度为：v晶胞晶胞(或晶格或晶格)中有中有68%的体积被原子所占据的体积被原子所占据,其余其余为空隙。为空隙。L o g o面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格Cu，Ag，Pb，Ni，Fe等等L o g o面心立方晶格面心立方晶格v金属原子分布在立方体的八个角上和六个金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。的原子紧靠。v面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：晶格常数：晶

8、格常数：a=b=c,=90L o g o面心立方晶格面心立方晶格 原子个数原子个数4原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）L o g o密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格Mg，Zn，Be，Cd等等L o g o密排六方晶格密排六方晶格v十二个金属原子分布在六方体的十二个角上十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上在上下底面的中心各分布一个原子下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀上下底面之间均匀分布三个原子。分布三个原子。v密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征：晶格常数晶格常数：用底面正六边形的边长：用底面正六边形的边长a和两底面之间和两底面之间的距离的距离c

9、来表达来表达,两相邻侧面之间的夹角为两相邻侧面之间的夹角为120,侧面与底面之间的夹角为侧面与底面之间的夹角为90。L o g o密排六方晶格密排六方晶格 原子个数原子个数6原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）R=a/2L o g o第二节第二节 金属的结晶金属的结晶 一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象l金属的结晶金属的结晶n冷却曲线冷却曲线（热分析法）（热分析法）（液态金属转变为固态金属的过程液态金属转变为固态金属的过程）L o g o一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象Tm是理论结晶温度是理论结晶温度T1是实际结晶温度是实际结晶温度T1不

10、变不变T1Tm特点特点过冷度过冷度TT1-Tm冷却速度冷却速度T纯金属结晶纯金属结晶冷却曲线冷却曲线L o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l形核和长大形核和长大自发形核自发形核非自发形核非自发形核呈树枝状呈树枝状特点特点在一定时间内完成在一定时间内完成过程：局部过程：局部整体整体实质：实质：形核形核长大长大L o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核长大晶核长大沿着有利于散热的方向按树枝状方式生沿着有利于散热的方向按树枝状方式生长。长。晶核晶核在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚集成为结晶核心。集成为结晶核心。术

11、术语语L o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制细晶强化的基本原理细晶强化的基本原理v形核形核，v长大长大细晶强化的方法细晶强化的方法-增大过冷度增大过冷度T(中、小型零件中、小型零件)形核率，形核率，v长大长大-变质处理变质处理形核率形核率-震动、搅拌结晶震动、搅拌结晶v长大长大，形核率形核率金属晶粒愈细小，力学性能愈好！金属晶粒愈细小，力学性能愈好！L o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变特点特点：转变发生于固态转变发生于固态在一定温度下进行在一定

12、温度下进行晶格类型发生变化晶格类型发生变化 形核形核长大长大局部局部整体整体1538L(体心体心)912(体心体心)1394(面心面心)Fe FeFeL o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变纯铁的同素异构转变曲线纯铁的同素异构转变曲线L o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变v金属的同素异晶有一定的转变温度并金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜放出结晶潜热。热。v金属的同素异晶转变具有金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向较大的过冷倾向。v金属的同素异晶转变往往金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化伴随着体积的变化，因，因而容易在金属中引起较大的内应力。而

13、容易在金属中引起较大的内应力。v金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。同素异晶转变。L o g o四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构l单晶体与多晶体单晶体与多晶体29L o g o四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构v如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子单晶体

14、只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。行业中广泛使用的硅或锗单晶体。v实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。v单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。L o g o第三节第三节 合金的基本显微组织结构合金的基本显微组织结构 一、合金的相结构一、合金的相结构 合合金金：两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属与与金金属属，或或金金属属与与非非金金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。属经一定方法合成的

15、具有金属特性的物质。组组元元：组组成成合合金金最最基基本本的的物物质质。可可以以是是元元素素，也也可可以以是化合物。是化合物。（如一元、二元、三元合金（如一元、二元、三元合金 合合金金系系：给给定定合合金金以以不不同同的的比比例例而而合合成成的的一一系系列列不不同同成分合金的总称。如成分合金的总称。如Fe-CFe-C，Fe-CrFe-Cr等。等。相相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构组织组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、

16、多相合金。体。如单相、两相、多相合金。金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。显微组织。L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构相的分类相的分类：合金中的相按结构可分为：合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物。固溶体固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。：晶体结构与其某一组元相同的相。金属化合物金属化合物：组元之间形成的新相，：组元之间形成的新相，其结构不同于任何组元。其结构不同于任何组元。L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l固溶体固溶体合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质合金的组

17、元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质 合合金金组组元元通通过过溶溶解解形形成成一一种种成成分分和和性性能能均均匀匀的的、且且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与与固固溶溶体体晶晶格格相相同同的的组组元元为为溶溶剂剂，一一般般在在合合金金中中含含量量较较多多；另一组元为溶质，含量较少。另一组元为溶质，含量较少。固溶体用固溶体用、等符号表示。等符号表示。A A、B B组元组成的固溶体组元组成的固溶体也可表示为也可表示为A(B),A(B),其中其中A A为溶剂为溶剂,B,B为溶质。例如铜锌合为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用金中锌溶入铜中

18、形成的固溶体一般用表示表示,亦可表示亦可表示为为Cu(Zn)Cu(Zn)。L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构n置换固溶体置换固溶体溶质原子取代溶剂原子溶质原子取代溶剂原子n间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中35L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体特点特点，HB，(晶格畸变晶格畸变，强化效果，强化效果)晶格：与溶剂相同晶格：与溶剂相同性能：产生固溶强化性能：产生固溶强化(体心体心)(六方六方)(体心体心)FeCFL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原

19、子对晶格畸变影响示意图L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l金属化合物金属化合物合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质 特点特点一般，T熔，HB，晶格：与各组元不同晶格：与各组元不同性能：硬而脆性能：硬而脆(不同于各组元不同于各组元)FeCFe3C(体心体心)(六方六方)(复杂复杂)L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构 渗碳体渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图晶格结构示意图L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构金属化合物的特性金属化合物的特性 力力学学性性能能：金金属属化化合合物物一一般般具具有有复复杂杂的的晶晶体体结结构构，

20、熔熔点点高高，高高硬硬度度、低低塑塑性性，硬硬而而脆脆。当当合合金金中中出出现现金金属属化化合合物物时时，通通常常能能提提高高合合金金的的强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性。金金属属化化合合物物是是工工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。具钢、高速钢等钢中的重要组成相。物物化化性性能能：具具有有电电学学、磁磁学学、声声学学性性质质等等，可可用用于于半半导导体体材料、形状记忆材料、储氢材料等。材料、形状记忆材料、储氢材料等。L o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l机械混合物机械混合物各组元在固态下以混合的形式存在各组元在固态下以混合的形式存在 特点特点FFe3C P(体心体心)(六方六方)(

21、体心六方体心六方)晶格：晶格：保持各组元晶格类型保持各组元晶格类型性能：性能：取决于各组元的性能和数量比取决于各组元的性能和数量比形式：形式：固固+固、固固、固+化、固化、固+元素、化元素、化+化、元素化、元素+化、元素化、元素+元素等元素等L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图 合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图或平衡图）或平衡图）是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺等的重要工

22、具。加工和热处理工艺等的重要工具。L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图l二元合金相图的建立二元合金相图的建立v金相法金相法v膨胀法膨胀法v电阻法电阻法v热分析法（以热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：系相图为例）：配制一系列成分不同的配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；合金；测定上述合金的冷却曲线测定上述合金的冷却曲线找出各合金的临界点找出各合金的临界点以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点连接起来即得到界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图合金相图L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图匀晶相图L o g o二、二元合金相图

23、二、二元合金相图l匀晶相图匀晶相图特点：液态、固态均无限互溶特点：液态、固态均无限互溶同类：同类：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等等AB温度abab:液相线液相线ab:固相线固相线LL+SSL:液相区液相区S:固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图L+v匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线结晶过程匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线结晶过程L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图l共晶相图共晶相图v共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织v相图分析：点、线、区相图分析：点、线、区v

24、结晶过程：冷却曲线、组织转变结晶过程：冷却曲线、组织转变47L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图相图分析：点、线、区相图分析：点、线、区v点：点：v线：线：v区：区：L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：共晶合金v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：亚共晶合金v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：过共晶合金v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：小于亚共晶成分合金(IV)v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图组织和相的关系L o g o二、二元合金相图二、二元合金相图l共析相图共析相图cdeS1S2+S3