金属的晶体结构与结晶

,第二章 金属的晶体结构与结晶,2-1 金属的晶体结构,一、金属的特性与金属键 良好的导热性和导电性 有光泽、不透明 较高强度、可塑性,二、晶体结构的基本概念,晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。 晶格：为了便于研究，用假想直线将金属中原子 的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形。 晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。 的方式。 晶格常数：晶胞各边尺寸a.b.c 单位： （1 =10-8 c m ） 晶胞各边夹角,晶面：晶体中原子排列的平面。 晶向：晶体中原子排列的方向。 晶面指数：用以表示晶面空间方位的符号。 晶向指数：用以表示晶面空间方位的符号。,晶面指数确定方法： 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴； 以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒数； 将各倒数化为最小整数，加圆括号。（hkl） 晶面族hkl,晶向指数的确定方法： 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴； 过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向； 读出该方向任意一点的空间坐标值； 化为最小整数，加方括号。uvw 所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族,致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包体积之比。,对原子排列的紧密程度进行定量比较！,三、金属中常见的三种晶体结构,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,1）体心立方晶格 A=b=c; =900 晶胞内原子数n=(1/8)8+1=2 密排方向：体对角线 a 原子半径 r=( /4)a K=0.68 常见金属： -Fe, Cr, V, Nb, W, Mo等高熔点金属。,2）面心立方晶格,A=b=c; =900 n= (1/8)8+(1/2)6=4 密排方向：面对角线 a 原子半径r=( /4)a K=0.74 常见金属：-Fe Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),Ni,Mn,3)密排六方晶格,a.a夹角1200 n=(1/6) 12+(1/2) 2+3=6 密排方向a R=a/2 K=0.74 常见金属：Mg Zn Be,四、晶体的各向异性 单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。 各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原子密度和分布状态不同，从而导致不同方向上的性能差异，这种现象叫各向异性。 单晶体铁的弹性模量 2.90105MPa 1.35 105MPa 单晶体铁在磁场中沿 方向磁化，比沿 方向容易，所以制造变压器硅钢片时 方向应平行于导磁方向，以降低损耗。,2-2 实际金属的晶体缺陷,一、多晶体 由许多位向不同的单晶体组成的晶体。 各向异性被抵消伪等向性 晶粒：多晶体中每一个单晶体。 不规则颗粒状 10-110-3 mm 晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。 原子排列混乱疏松,二、晶体缺陷,1）点缺陷空位和离位原子,2）线缺陷位错,位错密度单位体积中位错线长度。,3）面缺陷晶界、亚晶界,面缺陷能提高金属材料的强度和塑性，因此细化晶粒是改善金属材料性能的有效途径,2-3 金属的结晶与铸锭,结晶,组织,性能,一、概述,纯金属的结晶条件 T0 理论结晶温度 Tn实际结晶温度 过冷度 T=T0-Tn,热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。 结晶动力F,二、纯金属的结晶过程,生 核,长 大,1）晶核的形成,晶核的形成,自发形核,非自发形核,2）晶核的长大,三、细化铸态金属晶粒的措施,晶粒大小的衡量晶粒度,细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通过细化晶粒来提高金属力学性能的方法叫细晶强化。,增大金属的过冷度,成核速率N： 单位时间单位体积形 成的晶核数。个/（m3.s） 晶体长大速度G： 单位时间晶体长大的 长度。M/s,超高速急冷技术： 将液态金属连续留入旋转的冷却轧辊 之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金 属材料薄带。 非晶态金属特点： 很高的强度和韧性。 高的电阻率。 良好的抗磁性等。,变质处理,在液态金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶 核的数量或阻碍晶核的长大。 铝合金中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铁水中加入硅铁、硅钙合金； 铝硅合金中加入钠盐,振动,在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。,电磁搅拌,将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的枝晶，增加了结晶的核心，从而细化晶粒。,四、铸锭的组织,1）铸锭的组织 1-细等轴晶区 2-柱状晶区 3-粗等轴晶区,2）铸锭晶粒形状的控制,柱状晶细密，但接触面有非金属夹杂或低熔点杂质，热轧、锻造时易开裂。熔点高、杂质多的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合金） 熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以全部为柱状晶。（铝、铜等有色金属及合金） 受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气轮机叶片）,定向结晶生产铝镍钴永磁合金,3）铸锭的缺陷,缩孔 缩松 气孔,五、单晶的制取,制取单晶的条件：液体结晶时只有一个晶核。 应用：电子元件、激光元件、喷气发动机叶片 方法：垂直提拉法 尖端形核法,尖端形核法,垂直提拉法（制取单晶硅）,完,