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第二章 金属的晶体结构与结晶,金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织,原子的构造,一、金属特性与金属键,金属原子的最外层轨道电子少。 金属原子易失去电子而成为正离子。 金属键 金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。,金属特性 优良的导电性和导热性。 不透明和具有金属光泽。 较高的强度和较好的塑性。 正的电阻温度系数。,关系 导电：在电势作用下，自由 电子定向移动； 正的电阻温度系数： T，离子振动，电子运动阻力 塑性：金属中离子与电子间能保 持一定的相对关系。,二、金属的晶体结构,1. 晶体的基本知识,晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡),晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。,晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (、 ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。 晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方 向，用晶向指数表示。,晶向指数的确定方法 (1) 通过坐标原点引一直线， 使其平行于所求的晶向； (2) 求出该直线上任意一点的 三个坐标值， (3) 将三个坐标值按比例化 为最小整数，加一方括号， 即为所求的晶向指数。 一般形式为uvw。 原子排列相同，位向不同， 可统一用表示。,晶向指数,晶面指数的确定方法 (1) 沿晶胞的三个坐标轴，由原点起取该晶面在各坐标轴上的截 矩（以晶格常数值a、b、c分别为三个相应轴上的度量单位） (2) 取截矩的倒数； (3）把它们化为三个最小的简单整数，并括在一个圆括弧中表示。 一般形式为(hkl)。 原子排列相同,位向不同，可统一用hkl表示。,晶面指数的确定,2.典型的晶体结构,体心立方(b.c.c),面心立方(f.c.c),密排六方(h.c.p),body-centered cubic,face-centered cubic,hexagonal close-packed,a)刚球模型,b)质点模型,c)晶胞原子数,三种常见金属晶格的常用数据,致密度：晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。,例：体心立方的常用数据,=900 a=b=c 晶格常数“a” 一个晶胞内有二个原子（1/881=2） 致密度=0.68 即：原子排列的紧密程度。 （晶胞中原子占体积与晶胞体积之比） 0.68=24/3( a)3/a3 配位数=8 即：晶体中任一原子周围最近 且等距离紧邻的原子数。 常见的金属：Fe (t910) Cr、W、 Mo、V等,3. 各向异性 晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而不同 方向上的性能有所差异(原子间结合力不同)。 硅钢片，不同晶向磁化能力不同，采用轧制，使 晶向平行于轧制方向，得到优异的磁导率。,三、实际金属结构,单晶体晶体内部的质点排列完全一致。,晶粒：外形不规则的小单晶体。,多晶体由许多单晶体无规则堆积而成的晶体。,晶界：颗粒与颗粒之间的界面。,伪各向同性：,单晶体虽然是各向异性的， 但是由许多单晶体无规则 堆积而成的多晶体则呈现 各向同性。,显微组织：显微镜下观察到的金属中 各种晶粒的大小、形态和分布。,1、单晶体与多晶体,1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）,光学显微镜,点缺陷 在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距。 空位 置换原子 间隙原子 晶格畸变：点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周 围其原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化 为晶格畸变。,2.晶体缺陷,线缺陷 在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向的尺相对较大。 位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生某种有规律的错排。 位错形式：刃型位错、螺型位错,一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，其边缘为位错线。(透射电镜下可观察到),刃型位错示意图,1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。,金属钛中的位错,位错对材料的强度理论有很大贡献。,面缺陷 在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较 大的缺陷。主要是晶界和亚晶界。 晶界 : 多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界 处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界； 亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。,在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。,常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法,形变强化：利用材料的塑性变形，增加了材料的位错密度， 产生加工硬化，提高强度，但降低了材料的塑性、 韧性。 细晶强化: 用细化晶粒的方法，增加晶界，提高强度；并且 因晶粒细化，变形更均匀，塑性也增加了。,TT0: 液态金属温度均匀下降； TT1 : 结晶开始，放出结晶潜热， 系统保持温度不变， 出现“平台”； 结晶完毕: T。,1-电炉 2-坩埚 3-熔融金属 4-热电偶热端 5-热电偶 6-保护套 7-热电偶冷端 8-检流计,四、金属的结晶,有关概念,凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。 结晶：物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另 一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程。 (通过凝固能形成晶体结构) 一次结晶：液态转变成固体晶态 二次结晶：固态转变成另一种固体晶态 平衡结晶温度：对纯元素而言，液体与晶体共存的温度T0。 T T0熔化 , T T0结晶 熔点:理想结晶温度 自由能F ：物质中能够自动向外界释放其多余的或能够 对外作功的这一部分能量。,过冷度：实际结晶温度与理想结晶温度之间的温度差。 液态物质和固态物质的能量状态与温度的关系曲线 过冷：液态到结晶，就必须冷却到T0温度以下的某一温度。 T，F，结晶驱动力， 只有当驱动力达到一定值时，结晶过程才能进行。 结晶潜热：结晶过程中伴随的能量释放。,2. 金属的结晶过程,晶核的形成 自发形核：液态金属内部形成的结晶枋心。 非自发形核：晶核在杂质固态点表面形成。 晶核的长大 实质是原子由液体向固体表面的转移。 长大初期，晶核外形比较规则形成晶体的顶棱边枝晶生长。,树枝状晶体长大,锑锭表面树状晶,一般过冷度越大，晶粒越细。,增大过冷度,3.细化晶粒大小的措施,T，F，形核、长大驱动力； T，原子迁移能力(扩散) T较小时，D较大，但F较小； T较大时，F较大，但D较小。 二者共同作用，使形核和长大与 过冷度关系上出现一个极大值。,形核率N：单位时间内，单位体积中 产生的晶核数。 长大速度G：单位时间内晶核长大 的平均速度。,晶粒度Z单位面积内的晶粒数目,变质处理,在液体金属结晶前，为使晶粒细化，人为的加入一些细小的高熔点物质，达到细化晶粒的目的。,附加震动,目的：增加晶核数目，阻碍晶粒长大,目的：晶枝破碎,4. 金属的同素异构性,同素异构转变实质上也是个结晶过程，亦称重结晶。,有些金属在结晶之后继续冷却时，还会发生结构的变化， 从一种晶格转变为另一种晶格，此转变为同素异构转变。,1. 表面细晶粒层：表层金属过冷度大；模壁的人工晶核作用。 2. 柱状晶粒层：铸锭垂直于其模壁散热的影响，晶粒沿此方 向优先长大。 3.中心等轴晶：散热方向性减小，趋于均匀冷却；未熔杂质推 至中心。,五、金属铸锭组织,柱状晶力学性能具有明显方向性， 对于钢锭，由于塑性差，应避免 柱状晶，对于有色金属，则希望 得到。,如果其他条件相同，比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小： 金属型铸件与砂型铸件浇注； 高温浇注铸件与低温浇注铸件； 浇注薄铸件与浇注厚铸件； 浇注时震动的铸件与浇注时不震动的铸件。,铸件生产中为何要高温出炉、低温浇注？,（金属型细铸件细）,（低温浇注铸件细）,（浇注薄铸件细）,（浇注时震动的铸件细）,金属凝固时，若过冷度极大，会出现什么情况？,