第二章--合金的晶体结构与结晶剖析课件

第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构内容内容:金属的晶体结构金属的晶体结构 合金的晶体结构合金的晶体结构 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构目的目的:掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性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识的准备一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固固态态物物质质按按其其原原子子（或或分分子子）聚聚集集状状态态可可分分为为晶晶体体和和非晶体非晶体两大类。两大类。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 1 1、晶格、晶格 抽抽象象的的、用用于于描描述述原原子子在在晶晶体体中中排排列列形形式式的的几几何何空空间间格格架架，简简称称晶格。晶格。2 2、晶胞、晶胞 只从晶格中，选取只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞几何单元称为晶胞（二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、晶格常数第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、晶格常数、晶格常数 以棱边长度以棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构（三）、金属中常见晶格（三）、金属中常见晶格 由由于于金金属属键键结结合合力力较较强强，是是金金属属原原子子总总趋趋于于紧紧密密排排列列的的倾倾向向，故故大大多多数数金金属属属属于于以以下下三三种晶格类型。种晶格类型。1 1、体心立方晶格、体心立方晶格(bbcbbc)第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构晶胞原子数 2原子半径：晶胞体积为晶胞体积为a a3 3，晶胞内含有晶胞内含有2 2个原子个原子所以它的所以它的致密度致密度是：是：已知：已知：体心立方结构的原子半径体心立方结构的原子半径第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构原子个数原子个数：2 2致密度：致密度：0.680.68属于该类晶格的常见金属有属于该类晶格的常见金属有-Fe(912oC)-Fe(1400(1400o oC)C)、CrCr、W W、MoMo、V V等等晶格常数：晶格常数：a a(a a=b b=c c)原子半径原子半径：第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 2 2、面心立方晶格（、面心立方晶格（fccfcc）第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构晶胞原子数晶胞原子数 4 4原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构a a2 21 1r r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a a 和高和高 c c，c/a=1.633 c/a=1.633密排六方晶格密排六方晶格第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格铬、钨、钼、钒等铬、钨、钼、钒等铝、铜、铅、金等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、镁、锌、铍、镉、钛等钛等第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构 单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体全一致的晶体。多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体由多晶粒组成的晶体结构结构晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成不规则的小晶体组成.第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构单晶体的各向异性同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同铁的单晶体及其各方向上弹性模量 （E）示意图第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 三、晶体的缺陷晶体的缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶晶体体缺缺陷陷。这些缺陷的存在，对金金属属的的性性能能（物物理理性性能能、化化学学性性能能、机机械械性性能能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷、线缺陷点缺陷、线缺陷和面缺陷面缺陷。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 1 1、点缺陷、点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 在在实实际际晶晶体体结结构构中中，晶晶格格的的某某些些结结点点，往往往往未未被被原原子子所所占占据据，这这种种空空着着的的位位置置称称为为空空位位。同同时时又又可可能能在在个个别别空空隙隙处处出出现现多多余余的的原原子子，这这种种不不占占有有正正常常的的晶晶格格位位置置，而而处处在在晶晶格格空空隙隙之之间间的的原原子子称为称为间隙原子间隙原子。l空位l间隙原子l置换原子第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 由于空位和间隙原子的存在由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、，如强度、硬度和电阻增加。硬度和电阻增加。晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动晶体中的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。属材料的热处理过程极为重要。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 2 2、线缺陷、线缺陷位错位错 线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是型的位错。较简单的一种是“刃型位错刃型位错”.第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构刃位错刃位错的形成的形成刃位错滑移刃位错滑移_ _立体图立体图第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构地毯挪动第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 实实际际金金属属材材料料是是多多晶晶体体材材料料，则则在在晶晶体体内内部部存存在在着着大大量量的的晶晶界界和和亚亚晶晶界界。晶晶界界和和亚亚晶晶界界实实际际上上是是一一个个原原子子排排列列不不规规则则的的区区域域，该该处处晶晶体体的的晶晶格格处处于于畸畸变变状状态态，能能量量高高于于晶晶粒粒内内部部，在在常常温温下下强强度度和和硬硬度度较较高高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 四四、合金的相结构、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。分为固溶体和金属化合物两大类。1 1、固溶体、固溶体 合合金金在在固固态态下下，组组元元间间能能够够互互相相溶溶解解而而形形成成的的均均匀匀相称为相称为固溶体固溶体。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。2 2、金属化合物、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（钢中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子和是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。具有复杂的晶格形式。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 金金属属化化合合物物的的性性能能不不同同于于任任一一组组元元，其其溶溶点点一一般般较较高高、硬硬而而脆脆。当当它它呈呈细细小小颗颗粒粒均均匀匀分分布布在在固固溶溶体体基基体体上上时时，将将使使合合金金的的强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性明明显显提提高高，这这一一现现象象称称为为弥弥散散强强化化。金金属属化化合合物物在在合合金金中中常常作作为为强强化化相相存存在在，它它是是许许多多合合金金钢钢、有有色色金金属属和和硬硬质质合合金金的重要组成相。的重要组成相。绝绝大大多多数数合合金金的的组组织织都都是是固固溶溶体体与与少少量量金金属属化化合合物物组组成成的的混混合合物物，其其性性质质取取决决于于固固溶溶体体与与金金属属化化合合物物的的数量、大小、形态和分布数量、大小、形态和分布状况。状况。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构总结总结 1 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。另一种的变化会引起体积的变化。2 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。金化是提高金属性能的方法之一。3 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的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、疲劳等都起着重变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。的力学性能有关。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念结晶的现象与规律结晶的现象与规律同素异晶同素异晶(构构)转变转变第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、一、凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.1.凝固凝固物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。2.2.结晶结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远程有序排远程有序排列列的过程。的过程。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶ToTo二、二、结晶的现象与规律结晶的现象与规律一）一）.结晶的一般过程结晶的一般过程 1.1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1T1结晶平台结晶平台第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶时间2.2.过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度过冷现象过冷现象 金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象。过冷度过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷.过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶3.3.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶二二).).结晶的一般规律结晶的一般规律形核形核长大长大第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶1.1.晶核的形成晶核的形成当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核晶核。形核有形核有自发形核自发形核和和非自发形核非自发形核两种方式。两种方式。自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；产生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。它比自发形核容易得多。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状雾雾凇凇第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶3.3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素影响晶核的形核率和晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶过冷度的影响过冷度的影响过冷度：过冷度：TT大，形核率大，形核率N N和长大速和长大速度度G G都大，且都大，且N N的增加比的增加比G G增加得快，增加得快，提高了提高了N N与与G G的比值，晶粒变细。的比值，晶粒变细。当过冷度很大时，金属当过冷度很大时，金属不再通过结晶方式凝固，不再通过结晶方式凝固，而是形成了非晶态的金而是形成了非晶态的金属属激冷凝固工艺激冷凝固工艺第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶三）细化晶粒的途径三）细化晶粒的途径v1 1）提高冷却速度）提高冷却速度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v2 2）变质处理）变质处理 工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质变质处理处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。v3 3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶纯铁的纯铁的同素异晶转变同素异晶转变反应式反应式:1394 C912 Cbccfccbcc -Fe -Fe -Fe第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 -FeFe、-Fe-Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)BCC)，-Fe-Fe为为面面心立方结构心立方结构(FCC)FCC)。都是铁的都是铁的同素异构体同素异构体。-Fe-Fe第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变合金合金(alloy)alloy)组元组元(元元)()(element)element)相相(phase)phase)显微组织显微组织(microscopic microscopic structure)structure)第四节第四节 二元合金相图二元合金相图 1 1、合金、合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。金属特性的物质。例如碳钢就是铁和碳组成的合金例如碳钢就是铁和碳组成的合金2 2、组元、组元 组成合金的基本的物质称为组元。组成合金的基本的物质称为组元。3 3、合金系、合金系给定组元按不同比例可以配制一系给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金列不同成分的合金，构成一个合金系。系。如：如：Cu-Ni,Fe-FeCu-Ni,Fe-Fe3 3C,C,Cu-ZnCu-Zn等。等。组元组元1 1组元组元2 2组元组元3 3合合 金金 第四节第四节 二元合金相图二元合金相图名称名称A A金属金属B B金属金属晶格类型晶格类型bccbccbccbcc熔点熔点高高低低合金合金1 1100%100%0%0%合金合金2 290%90%10%10%合金合金3 380%80%20%20%.合金合金9 920%20%80%80%合金合金101010%10%90%90%合金合金11110%0%100%100%第四节第四节 二元合金相图二元合金相图4 4、相、相 相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。相同的组分。5 5、组织、组织组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。布方式不同的一种或多种相构成的总体。液态物质称为液态物质称为液相液相;固态物质称为固态物质称为固相固相第四节第四节 二元合金相图二元合金相图不同含碳量的显微组织第四节第四节 二元合金相图二元合金相图