金属的晶体结构与结晶

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1、第三章金属的晶体结构与结晶第一节金属的结构第二节纯金属的结晶第三节金属的同素异构转变第四节合金的晶体结构第五节合金的结晶第六节金属铸锭的组织结构3.1金属的结构一、晶体的基本概念1、晶体与非晶体固态物质晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。(2)晶格、晶胞、晶格常数用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵

2、称为晶格。在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。3.1金属的结构二、常见金属的晶体结构1、体心立方晶格体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。3.1金属的结构体心立方晶格晶胞中的原子数n=1+8X1/8=22、面心立方晶格面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe

3、等。3.1金属的结构面心立方晶格晶胞中的原子数n=6X1/2+8X1/8=43、密排六方晶格密排六方晶格如图所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和β-铬等。3.1金属的结构密排六方晶格晶胞中的原子数n=3+2X1/2+12X1/6=6三、金属的实际晶体结构1、单晶体与多晶体的概念单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。晶粒晶界3.1金属的结构2、晶体中的缺陷（1）点缺陷最常见的点缺陷是空位和间

4、隙原子，如下图所示。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。3.1金属的结构（2）线缺陷晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错，如下图所示。位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。3.1金属的结构（3）面缺陷面缺陷即晶界和亚晶界。晶界：晶粒之间

5、原子无规则排列的过渡层,又称大角度晶界。亚晶界：晶粒内部亚组织之间的边界，一系列刃型位错所形成的小角度晶界。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。3.1金属的结构结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。一、纯金属的冷却曲线和冷却现象1、冷却曲线3.2纯金属的结晶以极缓慢速度冷却实际冷却条件下的冷却2、过冷现象3.2纯金属的结晶金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。即△T＝T0－T1纯金属结晶的条

6、件是应当有一定的过冷度。冷却速度越大，则过冷度越大。3.2纯金属的结晶二、金属的结晶过程3.2纯金属的结晶晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。纯金属结晶过程三、金属结晶后的晶粒大小1、晶粒大小对金属力学性能的影响金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，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；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越

7、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。3.2纯金属的结晶2、细化晶粒的方法（1）增加过冷度增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。3.2纯金属的结晶形核率N、长大速度G与过冷度T的关系（2）变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。（3）振动处理金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形