金属的晶体结构与结晶1.ppt

物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称 为结构。 C60 第三章 金属的晶体结构与结晶 金属的结构 晶态非晶态 SiO2的结构 晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体具有固定的 熔点。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下 晶体和非晶体可互相转化。 第一节 金属的晶体结构 第一节 金属的晶体结构 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，将所有质点的中心连 接起来，便构成了一个三维的 几何格架。这个抽象出来的用 于描述原子在晶体中的位置和 排列方式的几何格架，称为晶 格。晶格中各线的交点称为结 点（或阵点）。 晶胞 从晶格中取一个最小的立体单 元（最小的平行六面体）称为晶胞 。晶格是晶胞在空间的叠加，晶胞 是构成晶格的最基本几何单元。 晶胞的选择原则： 能充分反映整个空间点阵的对称 性。 晶胞内的棱、角相等的数目最多 ，且具有尽可能多的直角。 体积要最小。 晶格常数 在晶胞中取某一点为原点（通 常取在左下角后面一结点）， 建立坐标系，以晶胞的三个棱 边作为坐标轴x，y，z（可以 是垂直的，也可以不垂直）。 以三边的长度a，b，c及相互 间夹角，六个参数来 表示晶胞的大小和形状，其中 三棱边的长度a，b，c 称为晶 格常数，它们反映了晶胞的大 小。 晶向与晶面的概念 晶向：在晶胞中，通过若干原 子中心（结点）连接一起的 具有不同空间方位的直线 晶向 任何两个结点间的连线即构成一个 晶向。 晶面：在晶胞中，通过若干原 子中心构成的二维平面 晶面 二、常见的晶格类型 体心立方 BCC Body-centered cubic 面心立方 FCC Face-centered cubic 密堆六方 CPH Close-packed hexagonal 结构特征：每个角顶上各有 一个原子,体心中有一个原子 a=b=c，=90 每个晶胞中实际含有的原子数 为1+81/8=2个 常见金属：-Fe，V，Ta，Nb， Cr，Mo，W等 特征：每个角顶上各有一个 原子,各个面中心有一个原子。 a=b=c，=90 每个晶胞中实际含有的原子数 为81/8+61/2=4个 常见金属：Ag，Au，Ni，Cu Pd，Pt，-Fe等 特征：12个顶角各一个原子、 上下面中心各一个原子，体内 3个原子（位于对称中心处） a=bc, =90， =120 通常： c/a=1.633 每个晶胞中实际含有的原子数 为(1/6)12+2(1/2)+3=6个 。 常见金属：Mg，Zn，Ti，Zr， 等 三、晶格的致密度 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数，即 晶格 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。 金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的 排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金 属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的 紧密程度常用晶格的致密度表示。 表3-1 三种常见金属晶格的结构特点 第二节 实际金属的结构 单晶体结构 单晶体：结晶位向完全一致的晶体。即整个材料是 一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。如单晶 硅，水晶石，金刚石。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。 一、多晶体结构 多晶体： 由众多外观不规则，位向 不同的单晶体（晶粒）组 成的晶体结构。 一般实际材料均为多晶体 。 晶粒：实际使用的金属材 料是由许多彼此方位不同 、外形不规则的小晶体组 成，这些小晶体称为晶粒 。 晶界：晶粒之间的交界面 。晶界上原子排列是不规 则的，晶界不一定是平整 的。 沿晶断口 铅锭宏观组织 多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料 晶粒尺寸一般为10-310-1 mm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、大小和分布情况，叫做显微组织。 光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图 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。 晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏缺陷。 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 常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。 晶体缺陷的类型： 点缺陷 线缺陷 面缺陷 点缺陷：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)的缺陷。 点缺陷的类型 ： 1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位” 。 2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。 3) 置换原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子占据原 有的原子位置。 置换原子 空位间隙原子大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，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高 ，塑性、韧性下降。 线缺陷：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，常见的是各种类型的位错（Dislocation）。 位错的形式 ：刃型位错 螺型位错 混合型位错 刃型位错 螺型位错 刃型位错：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，但又未插到底，犹如插入刀刃一 般，故称为刃型位错，刃型位错。 多余原子列位于滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 多余原子列位于滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。 面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸 大小)的晶体缺陷，是指金属的晶界和亚晶界。 面缺陷的形式 ：晶界面 亚晶界面 相界面 一、金属的结晶 结晶：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， 称为结晶。 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固 ，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。结晶可 以是液固转变，也可以是固固相变。 第三节 金属的结晶 1、通过热分析法测定冷却曲线 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时间曲线(又称冷却曲线)， 1、通过热分析法测定冷却曲线 纯金属冷却曲线 t T T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度 T 过冷度 T= T0-Tn 1）、 冷却曲线分析 u纯金属结晶时，在冷却曲线上出现水平台阶的原 因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了向外界散失的热量，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 结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。 2）、 过冷现象 u金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现 象，称为过冷。 u过冷度T= T0Tn，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， 金属的实际结晶温度越低。 2、纯金属的结晶过程 金属的结晶过程 液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两 个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一 些极微小的晶体(称为晶核)，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，直至液态金属全部消失。 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） 形核 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 （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。 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。 3、晶粒大小对金属力学性能的影响 u在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度 、塑性和韧性。 这是因为： u晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行， 使塑性变形越均匀，内应力集中越小； u晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的 机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越 紧固，强度和韧性就越好 。 强度和晶粒尺寸的关系Hall-Petch公式 晶粒度 (晶粒数/mm2) b (N/mm2) s (N/mm2) () 6.32374635.3 512747044.8 19429410847.5 纯铁的晶粒度与力学性能的关系 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。 -Fe -Fe - Fe 1394 912 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3-13 纯铁的冷却曲线 三、金属铸锭的组织特点 1-表面细晶区；2-柱状晶区；3-中心等轴晶区 金属的结晶过程金属的结晶过程 及纯铝铸锭组织观察及纯铝铸锭组织观察 1、饱和的氯化铵水溶液结晶过程 第一阶段：在溶滴外层形成一圈细小等轴晶。 第二阶段：在此基础上向里形成较粗大的柱状 晶。 第三阶段：在溶滴中心部分形成不同位向的枝 晶。 2、硝酸银水溶液+铜丝置换反应结晶过程 2AgNO3+Cu=2Ag（枝晶）+Cu(NO3)2 Ag Cu 3、不同浇注条件对纯铝铸锭结晶过程及组织影响 不同浇注条件下纯铝铸锭的宏观组织特征 试样 编号 铸型