第二章金属的晶体结构与结晶

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第二章金属的晶体结构与结晶内容金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构目的掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备 第一节金属的晶体结构一、晶体的基本知识非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）晶体非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。1、晶体和非晶体 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。在一定条件下有规则的几何外形晶体的特点原子在三维空间呈不规则的排列。没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。非晶体的特点 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶体结构的基本概念 由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞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复堆积而成的。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以（晶格常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。 表示晶面的符号称为晶面指数。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶向的符号称为晶向指数。3、立方晶系的晶面、晶向表示方法 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数v′为单个原子体积V为晶胞体积。4、常见金属的晶格类型 ⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。⑷晶胞所含原子数2个原子。体心立方晶格（bcc晶格）⑴原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。⑸致密度68%。⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。 ⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。⑷晶胞所含原子数4个原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。面心立方晶格（fcc晶格）⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。 第二节金属的实际晶体结构晶体的基本概念金属晶体的缺陷：点缺陷——晶体空格、间隙原子线缺陷——位错面缺陷——晶界、亚晶界 一、单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 二、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：点缺陷、线缺陷、面缺陷由于晶体形成条件、原子热运动及其它各种因素的影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷 1、点缺陷——晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，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，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和体积(固溶强化)。晶体中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，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，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。 2、线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。 3、面缺陷面缺陷通常是指晶界和亚晶界。多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位相是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层。晶界原子处于不稳定状态，能量较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特性。常温下晶界有较高的强度和硬度晶界处原子扩散速度较快易被腐蚀、熔点低 第三节纯金属的结晶凝固与结晶的基本概念冷却曲线和过冷现象金属的结晶过程晶粒大小对金属力学性能的影响结晶过程→组织→使用性能和工艺性能 一、凝固与结晶的基本概念凝固物质由液态转变成固态的过程。结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。 近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构 热分析法二、冷却曲线与过冷现象差热分析法原理 To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）T1：纯金属的实际结晶温度纯金属结晶时的冷却曲线 过冷是结晶的必要条件。结晶推动力△E=E固-E液<0过冷度：ΔT=T0–T1为什么？ 三、金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。自发形核△T=200℃非自发形核△T=20℃金属结晶过程示意图 晶核的长大方式—树枝状 金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶 纯金属结晶过程录像 四、晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀性好。 过冷度的影响NG晶粒越细金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s） 细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度V冷△TN晶粒细小2）进行变质处理(孕育)向液态金属中加入某些难熔质点，作为外来晶核，使晶粒变细，这种方法称为变质处理，如向铁水中加入硅、钙，向铝硅合金液体中加入钠或钠盐等。3）附加振动：使正在生长的晶体破碎，破碎的枝晶尖端可以起到晶核的作用，从而细化晶粒。如机械振动超声波振动电磁搅拌等。 晶粒大小与性能的关系录像 第四节合金的相结构纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C)正火态:σb=610MPa性能工艺相材料组织加热、保温、冷却 组织:是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元:组成合金的元素称为组元。 纯金属合金结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存熔点以上：液相熔点以上：液相结晶完毕：单一固相结晶完毕：组元发生相互作用化合物组元彼此均匀溶解固溶体固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。合金的组织主要有固溶体、金属化合物及机械混合物 一、固溶体（一）定义：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体 1.置换固溶体溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。无限固溶体:铜镍合金有限固溶体:锌溶解在铜中,不大于39% 2.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般r溶质/r溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。 间隙固溶体置换固溶体 （三）固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电导升高。 铁素体（F）：碳溶与α-Fe中形成的间隙固溶体。性能---强度和硬度低，塑性和韧性好 1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。性能：σb=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%Ψ=70～80%ak=156～196J·cm-2 显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。位相不同而呈现不同的颜色。 奥氏体（A）：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体(最大为1148℃的2.11%）。高温组织，在大于727℃时存在。性能---塑性好（40-50%），强度和硬度高于F。在锻造、扎制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。 奥氏体组织金相图奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。 二、金属间化合物（一）定义合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物，或称中间相。如Fe3C、TiC、CuZn等。（二）性能熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。 渗碳体（Fe3C）硬度极高（HBW=800），可刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零 其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大-如以粗大片状、沿晶界呈网状或作为基体时，将导致合金脆性，如以细小片状或粒状分散在铁素体基体上，可起强化作用。Fe3C→3Fe+C石墨 机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。三、机械混合物 珠光体P或（F+Fe3C）珠光体的含碳量为0.77％，由于渗碳体的强化作用，珠光体有良好的力学性能（硬度及抗拉强度高、有一定塑性和韧性）性能---σb=750MPaHB=160～180较高δ=20～25%适中呈层片状特征，表面具有珍珠光泽 莱氏体莱氏体的含碳量为4.3％，渗碳体较多，性能和渗碳体相近，即极为硬、脆。高温莱氏体Ld或（A+Fe3C），727℃以上。低温莱氏体L´d或（P+Fe3C），727℃以下。共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。