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第2章 金属的晶体结构与结晶,2.1 金属的晶体结构 2.2 纯金属的结晶 2.3 金属的同素异构转变,2.1 金属的晶体结构,2.1.1晶体的概念 物质都由原子构成。 自然界的固态物质， 根据其内部原子的聚集状态不同， 可分为晶体和非晶体两大类。 在物质内部， 凡原子呈有序、 有规则排列的物体称为晶体。 绝大多数金属在固态下一般均属于晶体， 如纯铁、 纯铝、 天然金刚石等。 相反， 凡原子呈无序堆积状态的 ，称为非晶体， 例如沥青、 普通玻璃、 松香、 树脂等， 均属于非晶体。晶体与非晶体，由于原子排列方式不同， 它们的性能也有差异。 晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性； 非晶体没有固定熔点， 而且表现为各向同性。,下一页,返回,2.1 金属的晶体结构,2.1.2晶体结构的基础知识 1.晶格和晶胞 通过X射线分析法得知 ,晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。 为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况， 把原子看成是一个小球， 则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体， 如图2-1所示。,下一页,上一页,返回,图2-1 晶体内部原子排列示意图,返回,2.1 金属的晶体结构,为了形象地表示晶体中原子排列的规律， 可以将原子简化成一个点， 用假想的线将这些点连接起来， 构成有明显规律性的空间格架。 这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格， 如图2-2（a） 所示。 由图2-2（a）可见， 晶格是由许多形状、 大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞， 如图2-2（b）所示。,下一页,上一页,返回,图2-2 晶格和晶胞示意图,返回,2.1 金属的晶体结构,2.晶面和晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面, 称为晶面。 如图2-3所示为简单立方晶格的一些晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线， 可代表晶格空间排 列的一定方向， 称为晶向， 如图2-4所示。 由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同， 因此原子结合力也就不同， 从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。,下一页,上一页,返回,图2-3 立方晶格中的一些晶面,返回,图2-4 立方晶格中的几个晶向,返回,2.1 金属的晶体结构,2.1.3金属晶格的类型 金属的晶格类型很多, 但绝大多数 (占85%) 金属属于下面 3种晶格。 1.体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体, 原子位于立方体的8个顶角上和立方体的中心, 如图2-5所示。 属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨 （W）、钼 （Mo）及 -铁（ - Fe） 等。,下一页,上一页,返回,图2-5 体心立方晶胞,返回,2.1 金属的晶体结构,2.面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体, 原子位于立方体的8个顶角上和 立方体6个面的中心， 如图2-6所示。 属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、 铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及铁（ Fe）等。,下一页,上一页,返回,图2-6 面心立方晶胞,返回,2.1 金属的晶体结构,3.密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体， 原子排列在柱体的每个顶 角上和上、 下底面的中心， 另外3个原子排列在柱体内， 如图2-7所示。 属于这种晶格类型的金属有镁 （Mg）、 铍 （Be）、镉（Cd）及锌（Zn）等。,下一页,上一页,返回,图2-7 密排六方晶胞,返回,2.1 金属的晶体结构,2.1.4金属晶体结构的缺陷 点缺陷: 最常见的点缺陷有空位、 间隙原子和置换原子等， 如图2-8所示 。由于点缺陷的出现， 使周围原子发生 “撑开” 或 “靠拢” 的现象， 这种现象称为晶格畸变。 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、 硬度和电阻增加 ，体积发生变化 。晶格畸变也是强化金属的手段之一。,下一页,上一页,返回,图2-8 点缺陷示意图,返回,2.1 金属的晶体结构,线缺陷： 线缺陷主要指的是位错。 最常见的位错形态是刃形位错， 如图2-9所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上， 多出一个半原子面， 它如同刀刃一样插入晶体故称刃形位错， 在位错线附近一定范围内， 晶格发生了畸变。,下一页,上一页,返回,图2-9 刃形位错晶体结构示意图,返回,2.1 金属的晶体结构,面缺陷： 通常指的是晶界和亚晶界。 如图2-10和图2-11所示。 实际金属材料都是多晶体结构， 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。 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， 例如， 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。 亚晶界处原子排列也是不规则的，其作用与晶界相似。,上一页,返回,图2-10 晶界的过渡结构示意图,返回,图2-11 亚晶界示意图,返回,2.2 纯金属的结晶,2.2.1纯金属的冷却曲线及过冷度 金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究, 如图2-12所示为热分析装置示意图。 将纯金属加热熔化成液体， 然后缓慢地冷却下来， 在冷却过程中， 每隔一定的时间测量一次温度， 将记录下来的数据描绘在温度， 时间坐标图中， 便获得纯金属的冷却曲线， 如图2-13所示。,下一页,返回,图2-12 热分析法装置示意图,返回,图2-13 纯金属的冷却曲线,返回,2.2 纯金属的结晶,实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶， 如图2-14所示。 实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度 （T0）这一现象称为“过冷现象”。 理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度 T=（ T0 - T1 ）。 金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。 冷却速度越快， 金属的实际结晶温度越低， 过冷度也就越大。,下一页,上一页,返回,图2-14 纯金属结晶时的冷却曲线,返回,2.2 纯金属的结晶,2.2.2纯金属的结晶过程 如图2-15所示为纯金属的结晶过程示意图。 结晶开始时， 液体中某些部位的原子先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核， 以后晶核向着不同位向按树枝生长方式长大， 当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时， 晶体就向着尚未凝固的部位生长， 直到枝晶间的金属液全部凝固为止。 最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。 这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。 由于每个晶粒的位向不同， 使它们相遇时不能合为一体， 这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。 如图2-16所示为在金相显微镜下观察到的纯铁的晶粒和晶界的图像。,下一页,上一页,返回,图2-15 纯金属结晶过程示意图,返回,图2-16 纯铁的显微组织,返回,2.2 纯金属的结晶,结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体， 如图2-17（a） 所示， 单晶体中的原子排列位向是完全一致的。 其性能是各向异性的， 如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成的， 则称为多晶体， 如图2-17（b）所示。 由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致， 它们自身的各向异性彼此抵消， 故显示出各向同性 ，亦称为“ 伪各向同性”。,下一页,上一页,返回,图2-17 单晶体和多晶体结构示意图,返回,2.2 纯金属的结晶,2.2.3晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。 一般地说， 在室温下， 细晶粒金属具有较高的强度和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。,下一页,上一页,返回,表2-1 晶粒大小对纯铁力学性能的影响,返回,2.2 纯金属的结晶,1.增加过冷度 如图2-18所示, 金属的形核率N和长大速度G 均随过冷度而发生变化, 但两者变化速率并不相同, 在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快, 因此, 增加过冷度能使晶粒细化。 这种方法只适用于中、 小型铸件， 对于大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。,下一页,上一页,返回,图2-18 形核率和长大速度与过冷度的关系示意图,返回,2.2 纯金属的结晶,2.变质处理 在液态金属结晶前加入一些细小的形核剂 (又称变质剂或孕育剂) 使它分散在金属液中作为人工晶核, 可使晶粒显著增加 ,或者降低晶核的长大速度, 这种细化晶粒的方法称为变质处理 。钢中加入钛、 硼 、铝等， 铸铁中加入硅铁 、硅钙等均能起到细化晶粒的作用。 3.振动处理 在结晶时, 对金属液加以机械振动、 超声波振动和电磁振动等 ，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心， 达到细化晶粒的目的。,上一页,返回,2.3 金属的同素异构转变,自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化， 但少数金属， 如铁、 钴、 钛、 锡、 锰等， 随着温度或压力的变化晶格类型会改变。 在固态下， 随温度或压力的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。 具有同素异构转变的以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。 如图2-19所示为纯铁的冷却曲线 。,返回,图2-19 纯铁的冷却曲线,返回,
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