第二章-金属的结构与结晶课件

第二章 金属的晶体结构与结晶 一、金属的晶体结构 （一）晶体的基本概念（一）晶体的基本概念 1.1.晶格与晶胞晶格与晶胞 晶格：描述晶体排列规律的空间格架。晶格：描述晶体排列规律的空间格架。晶胞：从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的晶胞：从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元。最基本的几何单元。晶格常数：晶胞各棱边的尺寸。晶格常数：晶胞各棱边的尺寸。简单立方晶格、晶胞示意图简单立方晶格、晶胞示意图 晶系 2.2.晶系晶系 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见下表。4.4.晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 一个晶胞内真正包含的原子数目。一个晶胞内真正包含的原子数目。5.5.配位数及致密度配位数及致密度 在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。晶胞中原子所占体积分数，即晶胞中原子所占体积分数，即K=n v/V K=n v/V。式中，。式中，n n为晶胞所含原子数、为晶胞所含原子数、vv为单个原子体积、为单个原子体积、V V为晶胞体积。为晶胞体积。3.3.原子半径原子半径 晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。1.体心立方晶格（bcc晶格）原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。（二）常见金属的晶格类型 晶格常数 a=b=c,=90。原子半径 。晶胞所含原子数 2个原子（）。配位数 8。致密度 68%()。具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。2.面心立方晶格（fcc晶格）晶格常数 a=b=c,=90。原子半径 。晶胞所含原子数 4个原子()。配位数 12。致密度74%()。具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。3.密排六方晶格（hcp晶格）原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。晶格常数 原子半径 晶胞所含原子数 6个原子()。配位数 12。致密度 74%()。具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、-Ti等。金属晶格的常用数据金属晶格的常用数据 1.晶向指数的确定方法 1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如101。具体晶向指数如图所示，其形式为uvw。(三)立方晶系的晶面、晶向表示方法 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。晶向族：晶体学中等同的晶向统称为晶向族 用尖括号表示 2.晶面指数的确定方法 1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。3)求三个截距值的倒数。4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。晶面族是指晶体学上等同而彼此不平行的一组晶面，用大括号表示 注意：1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。3.晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为110，称密排面；在面心立方晶格中，密排面为111。体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 体心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是111，称密排方向。在面心立方晶格中，密排方向为110。（四）金属的实际结构与晶体的缺陷 一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：金属多晶体示意图 1.点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。空位，如图所示 间隙原子，如图所示 置换原子 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。点缺陷示意图 2.线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，为位错密度（m-2）；L为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。3.面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。1-3 1-3 金属的结晶金属的结晶一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：凝固 LS 的过程 （由液态转变为固态的过程）结晶 LS晶的过程 （由液态转变为固态晶体的过程）（二）理论结晶温度：凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为理论结晶温度。符号T0。理论上，上述温度 就是液态和晶态的分界线：当TT0时SL （由固态转变为液态）当TT0时LS （由液态转变为固态）当TT0时LS （液态、固态平衡共存）（三）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（F）称为自由能。任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物体接触，而结晶或凝 固 的 过 程 就 是 一 个 降 低 能 量 的 过 程，其 驱 动 力，就 是 。“自由能差”（F）T0FSTTnT0FLFFL FS温度T自由能F如右图，液体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能F随温度T的变化也不同。T F；但FLFS，交点T0当TnT0时 F=FL-FS L S晶当TnT0时 F=FS-FL S晶L可见，自由能差F是靠T=T0Tn来获得的，所以，T是结晶过程中的一个重要参数。当TnT0时 F=0 S晶L无驱动力，如平面上的球、等温的两物体说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。（四）过冷度：实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差：T=T0-Tn过冷度T越大则F越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。一般情况下，结晶潜热：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热的形式向外界释放，我们称之为“结晶潜热”。过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度T保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。TTT0Tn纯金属结晶冷却曲线示意图（五）冷却曲线：物体在液态冷却结晶过程中所作出的-T曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是实际结晶温度。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为“”。此法是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，过冷度T就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的“冷却曲线”。热分析法二、金属结晶的基本过程基 本 过 程：晶 核 的 形 成 与 晶 核的长大。(如右图所示)（一）晶核的形成金属结晶时1.均匀形核或自发形核：形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。形核方式有两种：液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。当这种原子集团的半径大于某一个临界值rc时，它们继续长大会造成系统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核心。rc称为晶核的临界半径，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。2.不均匀形核或非自发形核：形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。晶核：就是能真正成长为晶体的原子集团。（二）晶核的长大晶核的长大方式：金属的长大形式通常是枝晶长大（如图）三、金属铸锭及金属铸件在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成固态的，可分别得到金属铸锭（具有一定形状的金属块，通常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件（具有特定产品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而直接使用）。这个过程可称为铸造。（一）表面细晶粒区模壁T冷却速度+人工晶核（模壁）晶粒等轴、细小、均匀。对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区 。三个部分组成（二）柱状晶区随时间推移模 型 T冷 却 速 度 T形核率下降向模壁定向散热 晶粒定向长大 柱状晶（三）中心等轴晶区随 时 间 进 一 步 推 移 散 热 能 力 散热方向性均匀冷却且冷却速度又：杂质聚集，枝晶折断 晶核 各向均长大粗等轴晶金属铸锭示意图实际金属铸锭（四）铸造缺陷气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。如前述的三层晶区 凝固条件不同，三区可相对增减 组织不均匀 体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成；缩孔在缩孔周围形成的微小分散孔隙疏松在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域（最后凝固所至）区域偏析四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的：形核率N 形核数smm3生长率G mm/s最后得到的晶粒大小，与N、G有关在体积一定时N晶粒尺寸；G晶粒尺寸可见，晶粒的大小取决于比值N/G，N/Gd晶（一）过冷度T的影响在结晶过程中G、N与过冷度T和自由能差F有关：T FG、N。但是随过冷度（T）的增大 G、N增大速度不同。其结果 如左图所示在 工 业 上 通 常 过 冷 度TTK所以，一般冷却速度，则N/Gd晶机械性能形核率N和生长速度G与过冷度T的关系图（二）未熔杂质的影响金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相近的未熔杂质时，晶核可在其表面产生，而使形核容易形核率N，使晶粒细化。变质处理：人们为了得到优良性能的细晶粒时，通常故意加入某些难溶杂质（称“人工晶核”）来增加形核率，这种细化晶粒的方法，称“变质处理”。如：Al中加入Ti Al-Si合金中加入Na铸铁中加入硅钙等等，应用很广。（三）振动和搅拌等如机械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。可形核率N；细化晶粒。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日