金属与合金的晶体结构与结晶

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1、第二章金属与合金的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。晶体与非晶体的区别表现在许多方面。晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。在一般情况下的固态金属就是晶体。一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能

2、够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸、、表示，称为晶格常数。晶胞各棱边之间的夹角分别以、、表示。当棱边，棱边夹角时，这种晶胞称为简单立方晶胞。（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。属于该晶格类型的常见金属有Cr

3、、W、Mo、V、α-Fe等。2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。三、金属实际的晶体结构前面讨论的金属结构是理想的结构

4、，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。1、金属的多晶体结构实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图2-3所示。这种外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。实践表明，在每个晶粒内部，晶格位向也有位向差（1°～2°），这些位向差很小的小晶块嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚晶或亚结构，亚晶之间边界称为亚晶界。2、金属的晶体缺陷在金属晶体中，由于

5、晶体形成条件、原子的热运动及其它各种因素影响，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。根据晶体缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。（1）点缺陷晶体缺陷呈点状分布，最常见的点缺陷有晶格空位、间隙原子等，如图2-4所示。由于点缺陷出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象，称为晶格畸变。晶格畸变的存在，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，如强度、硬度增加，它也是强化金属的手段之一。（2）线缺陷晶体缺陷呈线状分布，线缺陷主要是指位错。最常见的位错是刃型位错，如图2-5所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上，

6、多出一个半原子面，它如同刀刃一样插入晶体，故称为刃型位错，在位错线附近一定范围内，晶格发生了畸变。（3）面缺陷缺陷呈面状分布，通常指的是晶界和亚晶界。实际金属材料是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，如图2-6所示。晶界处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征，如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；晶界处容易被腐蚀、熔点低等。第二节金属的结晶一、纯金属的结晶1、结晶的概念金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程。2、纯金属的冷却曲线纯金属的结

7、晶都是在一定温度下进行的，它的冷却结晶过程可用图2-7所示的冷却曲线来描述。由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断散失，温度也不断下降，但是当冷却到某一温度时，温度随时间延长并不变化，在冷却曲线上出现了“平台”，“平台”对应的温度是纯金属实际结晶温度。出现“平台”的原因，是结晶时放出的潜在热正好补偿了金属向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向环境散热，温度又重新下降。需要指出的是，图中T0为理论结晶温度，金属实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象，称为“过冷现象”；理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度，以ΔT表示

8、。。金属结晶时温度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度越低。二