金属的晶体结构与结晶过程

,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,*,第一讲内容回顾：,金属五大机械性能,1,、,弹性和塑性；,2,、,刚性与强度；,3、,硬度；,4,、,冲击韧性；,5,、,疲劳强度,第二讲：,金属的晶体结构与结晶过程,本讲要点：,1,、,晶体结构：,晶体、晶格、晶胞、晶格常数,2,、,金属结晶过程：,过冷、过冷度、形核、长大、,单晶体、多晶体、晶粒度、重结晶、二次结晶、,合金、,合金基本组成物,一、晶体结构,(Crystal Structure),1,、晶体：,原子按一定顺序呈有规则的排列。,具一定的凝固点和熔点。,各向异性。,2,、晶格,：,(,Space lattice),表示原子排列规则的空间格子。,3,、晶胞：,(unit cell),组成晶格的最基本几何单元。,4,、晶格常数：,(constant),晶胞各边长度。,特点：,晶体,排列规律；有熔点；,具有各向异性。,如：食盐，冰，金刚石，金属等。,非晶体,无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。,晶体,与,非晶体,区别：,金属的晶体结构、晶格及晶包,金属（纯铁、铜、,铝等）都是晶体,金属常见晶格类型：,1,.,体心立方晶格,bodycentered cubic lattice,特点,：,b,较好。,2,.,面心立方晶格,facecentered cubic lattice,特点,：,较好。,3.,密排六方晶格,hexagonal closepacked lattice,特点,：,硬度高,、,脆性大,。,a,b,C,a=b,c,4.,晶格致密度,原子排列紧密程度：,体心,=0.68,面心,=0.74,六方,=0.74,a,b,c,简单立方晶 胞 示意图,原子,5.,晶格常数,a ,b , c,a=b=c,且互垂直,表示,晶胞几何形状大小,晶体原子排列,晶面,结点,小结：,金属三种晶格：,1,、体心立方：,（,Body Centred Cubic,）,铬、钼、,-Fe,和钨等金属。,2,、面心立方：,（,Face,）,铜、铝、银、,-Fe,和金等金属。,3,、密排六方：,（,Hexagonal Close Packed,）,铍、镁、锌、,-,钛等。,注：晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。,二、金属结晶过程,(Solidifying Process),（录像）,1,、结晶：金属从液态转变为固态。,1,）过冷：金属在理论结晶温度以下结晶。,过冷度： ,T = T,理论结晶,T,实际结晶,注意：,T,不是恒定，,V,冷,越快，,T,越大。,纯金属结晶：,2,）纯金属在恒温下结晶，冷却曲线出现水平线段。,2,、结晶有形核和长大过程,（,Nucleation and Grain Growth),（,1,）形核：,自发晶核：原子自发聚集在一起。,非自发晶核：依靠外来的固体质点。,（,2,）长大：,按,晶格,规律液体原子向晶核聚集过程。,总之，金属的结晶过程包括形核与,长大；,它们既是交替进行的，又是同时存在的。,金属结晶：原子由不规则排列有规则排列 过程。,形核长大晶粒,三、有关晶粒、晶粒度知识,晶粒：由一个晶核长成的小颗粒晶体。,多晶体：,（,multi-,由许多晶粒组成的晶体。晶界：晶粒间界面。,单晶体：,（,single-,由一个晶核长成的晶体。单晶锗和硅。,注意：工业上绝大多数金属都属于多晶体。,晶粒度：晶粒的大小。,金属的晶粒越细小，其综合性能越好。,单晶体与多晶体：,；,金属和合金：为多晶体。,晶界：,晶粒间的接触面。,晶粒愈细，强度、硬,度愈高，塑性和韧性愈好。,细化晶粒方法：,（,1,）凝固时采取变质处理或孕育处理，,（,2,）快速冷却，提高过冷度；,（,3,）用机械振动、超声波振动或电磁,搅拌等手段打碎枝晶成为晶核。,（,4,）在固态下，可用热处理和压力加工,的方法细化。,如：铁、锡和锰，均可用加热来改善性能。,注意：钢的热处理原理来自铁的同素异晶性,四、晶体缺陷,:,1,、,点缺陷,：在长、宽、高方向尺寸都有很小变化一种缺陷。, ,间隙原子,晶格空位,2,、,线缺陷,：晶格中呈线状分布。,，,3,、,面缺陷,：呈面状分布的缺陷。, ，,线 缺 陷,面缺陷,四、金属同素异晶转变：,Allotropic Transformation of Metal,1,、概念：,金属晶格类型随温度改变而重新排列的过程。,2,、与结晶类似：,存在过冷、包括形核和长大两个过程、,转变时有吸收或放出潜热。,所以又叫重结晶或二次结晶。,3,、同素异晶（构）性：,具有同素异晶（构）转变的性质。,纯铁在固态下的不同温度下呈现出不同晶格类型。,（液体）,1538 (,体心,) 1394 (,面心,) 912 (,体心,),1,） 体心立方晶格,Fe,2,）面心立方晶格,Fe,纯铁晶体状态的两种排列：,小结：纯铁同素异晶转变曲线：,五、合金结构,(Structure of Alloy),1,、合金概念：,以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属元素，经熔合而形成具有金属特性的物质。（,1,）组元：组成合金的元素。,（,2,）相：化学成分和晶格形式相同，并与其周,边成分或晶格形式有界面分开的均匀组织。,2,、合金基本组成物,（,constitute,）,（,1,）固溶体：,溶质原子溶入溶剂，晶格类型等同溶剂。,按溶解度：分有限和无限固溶体；,按溶质原子位置：分置换和间隙固溶体；,固溶强化：因晶格畸变使金属的强度和硬度提高。,“,固溶强化,”,溶入某种元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。,固溶强化：溶质溶入溶剂，引起晶格畸变，使位错运动受到阻，强度和硬度提高。,固溶体的性能变化：,1,）溶质含量极少时，性能与溶剂基本相同。,2,）溶质含量升高，固溶体性能发生明显改变：,强度、硬度逐渐升高；,塑性、韧性有所下降；,电阻率升高，导电性下降等。,置换和间隙固溶体,晶格畸变：,（,Fe,3,C,）,800 HBW,（用硬质合金头测定）,硬而脆，但塑性、韧性低。,如：渗碳体，其性能：,（,2,）金属化合物：,合金各组元间发生化学反应，形成有金属特征的新物质。,金属化合物特点：熔点高、硬度高和脆性大。,非金属化合物：不具有金属特征的化合物。,如，,FeS,（,3,）机械混合物：,组元间既不互溶，又不形成化合物，,而是按重量比混合形成新物质。,组成：纯金属、固溶体和金属化合物等。,注意：工业上常用合金均含机械混合物。,白色,F,基体中嵌入黑片状,Fe,3,C,力学性能：,b = 750MPa,；,=20 %,25%,；,k = 30-40,（,J/cm,2,）,。,成分：,C,0.77 %,珠光体,P,（,F+Fe,3,C,）,显微镜观察，珠光体呈层片状，表面有珍珠光泽，因此得名。,上述为,T8,钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。,莱氏体：（,Ld,，,4.3%C,）,727,以下为低温,Ld,（,P+ Fe,3,C,）； 力学性能,硬而脆。,共晶白口铸铁组织：珠光体呈椭圆状分布在渗碳体上。,含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。,六、二元合金相图,Equilibrium Diagram of Binary Alloy,描述合金的结晶过程：用“,二元相图,”解释。,二元相图：,研究二元合金成分、温度和组织变化规律。,二元合金相图的建立：,用热分析法,绘制,热分析法,CuNi,合金相图：,Cu,Ni,成分：,Cu,由,100%0%,；,0,100,温度,A,B,1083,1452,L-,liquid,S,-solid,L,+,S,W,Ni,%,70%,Cu,+30%,Ni,合金,1,2,1,点：结晶出固体,S,12,间：两相 区,L,+S,2,点：全为固体,S,A,B,Cu,Ni,1,2,L,S,合金结晶特点：,1,、在一个温度范围内结晶；,2,、结晶的固相成分与液相不同（液相成分不断改变）。,L+S,t,O,1,2,L,LS,（,L+S,）,S,冷却曲线,AB,上线,液相线；,AB,下线,固相线。,Pb-Sb,二元合金共晶相图,Pb-Sn,二元合金共晶相图,Pb-Sn,共晶合金,Pb-Sn,亚共晶合金,Pb-Sn,过共晶合金,Pb-Sn,合金的显微组织,共晶组织形态,:,共晶组织形态：,层片状,棒状,球状,针状,共晶组织形态,针状,螺旋状,蛛网状,放射状,专业词汇：,晶体结构：,Crystal Structure,晶格,: Space lattice,晶胞,: Unit Cell,体心立方：,Body Centred Cubic,面心立方：,Face Centred Cubic,密排六方：,Hexagonal Close Packed,金属结晶过程：,Solidifying Process,形核和长大：,Nucleation and Grain Growth,纯金属冷却曲线,: Cooling Curve,多晶体：,Multi-Crystal,单晶体：,Single-Crystal,金属同素异晶转变：,Allotropic Transformation of Metal,合金结构：,Structure of Alloy,组成物：,Constitute,思考题,1,解释下列名词： 合金；组元；相；组织,2,什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者在结构、性能与应用上各有何不同？,3,什么是固溶强化？该强化方式有何特点？,4,为什么铸造合金常选用共晶合金？,