第2章 晶体结构与结晶

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 晶体结构与结晶,教学内容,金属及其合金的结构与结晶,教学要求,-,掌握金属材料的晶体结构和金属的三种典型晶格结构。,-,掌握纯金属和合金的结晶,重点,-,晶体结构基本概念、金属的三种典型晶体结构,难点,-,相图建立和典型相图分析,-,合金的一些基本概念的掌握,第一节 金属的晶体结构,一、晶体概念,1.,晶体与非晶体,* 晶体,：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。,* 非晶体,：材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等,晶体特点, 天然规则外形, 各向异性,同一性能在不同方向测试，结果不同, 具有一定熔点,非晶体特点, 一般没有天然规则外形, 各向同性,同一性能在不同方向测试，结果相同, 没有一定熔点,晶体结构,晶体中原子（离子或分子）,规则排列的方式,.,晶格,这种抽象的、用于描述,原子在晶体中排列形式的几何空间格架。,晶格中各种方位的原子面称为,晶面,。晶格中由原子所组成的任一直线，都能代表晶体空间的一个方向，这种方向称为,晶向,。,晶胞,能反映晶格特征的最小组成单元。,晶格常数,晶胞的三个棱边的长度,a,b,c,二、 常见的金属晶体结构, 体心立方晶格,（,BCC,Body-Centered Cube,）,有：钼（,Mo,）、钨、钒、铬、铌、,-Fe,等,Cr,、,-Fe,、,-Fe,等, 面心立方晶格,（,FCC,Face-Centered Cube,）,面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、,金、银、,-Fe,等。,密排六方晶胞,（,HCP,Hexagonal,Close-Packed,）,密排六方晶格金属有：镁、镉（,Cd,）、,锌、铍（,Be,）等。,三、单晶体的各向异性,在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶面晶向上的各种性能也不同，这种现象称为,“,各向异性,”,。,晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体,单晶体,。,第二节 实际金属结构,一、多晶体结构,实际使用的金属材料是由许多小晶体组成的。由许多小晶体组成的晶体称为,多晶体,。,在多晶体中，一般不显示各向异性。,晶界,晶粒,多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，一般在显微镜下才能看到。在显微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，称为显微组织。,晶粒大小对材料的性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性愈好。,二、晶体缺陷,实际使用的金属，某些区域的原子规律排列受到破坏，这种区域称为,晶体缺陷,。,（一）点缺陷,三维尺度上都很小，,不超过几个原子直径的缺陷。, 空位, 间隙原子 置换原子,点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。,点缺陷的形成主要是由于原子在各自平衡位置上做不停的热运动的结果。,（二）线缺陷,二维尺度很小而第三维,尺度很大的缺陷。, 刃型位错, 螺型位错,位错线周围的晶格发生了畸变。,实际金属晶粒内存在着大量的位错，晶体中的位错密度以单位体积中位错线的总长度来表示,。,（,3,）面缺陷,二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。, 晶界, 亚晶界,亚晶界,金属晶体缺陷的影响,点缺陷,-,造成局部晶格畸变,使金属的电阻率,;,屈服强度增加,密度发生变化。,线缺陷,-,形成位错对金属的机械性能影响很大，,位错极少时,，,金属强度很高，位错密度越大，,金属强度也会提高。,面缺陷,-,晶界和亚晶界越多，晶粒越细，,金属强度越高，,金属塑性变形的能力越大，,塑性越好。,第三节 非金属晶体,在晶体中，根据原子间的键合力不同，一般可分为四类主要晶体，即金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。,一、离子晶体,氯化钠晶体,离子键结合力大，所以离子晶体的硬度高，但脆性大。,二、共价晶体,金刚石是一种典型的共价晶体，基本上属于面心立方晶格。,图中的原子间的连线表示共价键，每个,C,原子有,4,个共价键。,除金刚石外，锗、硅和锡的一些同素异构体或化合物也具有这种立方结构。由于共价键网扩展到整个结构中，所以这些元素具有很高的硬度。,硅酸盐也是一种具有代表性的共价晶体。,三、结晶型高分子聚合物,塑料、橡胶等是由很长的、卷曲的、并且互相缠结在一起的有机高分子组成。然而，有些高分子聚合物却表现出一定的结晶性，在它们的某些部分，长分子链是有规则的、互相平行地排列着。所以也称为结晶。,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。,物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。,物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。,玻璃制品,水晶,第四节 金属的结晶,最常用的是,热分析法,。,一、结晶的概念,结晶,金属由液态变为固态晶体的过程。,T,1,实际结晶温度,T,0,理论结晶温度,实践证明，,金属都是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。,过冷,实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。,过冷度：,T,T,0,T,1,冷速，,T,1,T,，结晶能力,雾凇,二、金属的结晶过程,结晶,由,晶核的形成,和,晶核的长大,两个基本过程组成,.,T,T,0,时 晶核 长大,吸附,周围原子,同 时,新晶核 长大,同 时,实际金属结晶主要以,树枝状长大,.,这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴,，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大,的实际观察,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,三、影响生核与长大的因素,控制结晶过程,形核率,N,长大速度,G,细化晶粒,(,一,),过冷度的影响,金,属结晶时，形核率和长大速度都决定于过冷度。在一般的液体金属的过冷范围内，过冷度愈大，形核率愈高，则长大速度相对较小，金属凝固后得到的晶粒就愈细；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗大。,形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。,由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。,以液体中存在的固态杂质为核心形核称,非均匀形核,。非均匀形核更为普遍。,均匀形核,非均匀形核示意图,（二）难熔杂质的影响,所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。,（三）晶粒大小及控制,（,1,）晶粒度的概念,晶粒度,是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的平均线长度（或直径）表示。,影响晶粒度的主要因素是,形核率,和,长大速度,。,N,愈大，结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。,若,N,不变，晶粒的,G,愈小，则结晶所需的时间愈长，能生产的核心愈多，晶粒就愈细。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过,100,倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,（,2,）晶粒大小的控制,增加过冷度 冷速,T,结晶能力形核数,变质处理 难熔颗粒 充当晶核, 阻止晶核长大,振动处理 振动 大晶核破裂 细小晶核,气轮机转子的宏观组织,(,纵截面,),细晶的熔模铸件,(,上,),普通铸件,(,下,),Al-Si,合金组织,缓冷,快冷,未,变质,变质,铸铁变质处理前后的组织,变质处理前,变质处理后,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,晶粒大小对金属性能的影响,常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。,高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。,晶粒大小与金属强度的关系,单晶叶片,s,= ,i,+Kd,-1/2,四、金属的同素异构性,纯铁的同素异构转变,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称,同素,异构转变,。同素异晶转变属于相变之一,固态相变。,例如铁、钴、锡、锰等。,L -Fe -Fe -Fe,1538,1394,912,体心立方,体心立方,面心立方,纯铁的同素异构转变,-Fe,-Fe,金属的同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。,遵循液态金属结晶的一般规律：,-,有一定的转变温度,-,转变时需要过冷,-,有潜热释放,-,转变过程也是通过形核和晶核长大完成的。,五、金属铸锭组织特点,在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。,铸锭,(,件,),的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。,表层细晶区：,浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。,1,、铸锭,(,件,),的组织,铸锭,(,件,),的宏观组织,通常由,三个区组成,:,柱状晶区,：,由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。,中心粗等轴晶区,:,由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度,T,1,以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。,等轴细晶粒无方向性，组织致密，有良好的热加工性能和力学性能。但中心粗大的等轴晶粒区内，组织疏松，杂质多，力学性能较差。,柱状晶粒之间组织很之致密，空隙、气孔较少，但晶粒间有时存在低熔点杂质，形成脆弱面。在对铸锭进行压力加工时，此处易产生开裂。又由于晶粒平行排列，还呈现出各向异性。因此，对于低塑性、高熔点的金属，不希望有柱状晶粒存在。但对于低熔点、塑性好的有色金属、由于塑性好，在压力加工时不易开裂，反而希望有柱状晶粒存在。, 缩孔：缩孔是由于,液态金属结晶,时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除,.,铸造缺陷,铸造缺陷的类型较多，常见的有,缩孔,、,气孔、疏松,、,偏析,、,夹渣,、,白点,等，它们对性能是有害的,.,缩孔,偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭,(,件,),在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。,硫在钢锭中偏析的模拟结果,气孔,:,气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭,(,件,),中的气泡,.,铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气,铸件中的气孔,孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废,。,缩松,