金属材料的晶体结构与结晶课件

,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,金属材料的晶体结构与结晶,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,0,金属材料的晶体结构与结晶,工程材料及成形工艺基础,金属材料的晶体结构与结晶工程材料及成形工艺基础,1,1.2,合金的晶体结构与结晶,2,1.1,纯金属的晶体结构与结晶,1,1.3,铁碳合金相图,3,目 录,1.2 合金的晶体结构与结晶21.1 纯金属的晶体结构与结晶,2,1.1,纯金属的晶体结构与结晶,物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固体物质可分为晶体与非晶体两类。晶体内部的原子按一定几何形状作有规则的周期性排列，如金刚石、石墨、固态金属与合金等。非晶体内部的原子无规则地排列在一起，如松香、沥青与玻璃等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。,非晶体,晶体,1.1.1,纯金属的晶体结构,1.1 纯金属的晶体结构与结晶 物质是由原子组成,3,1.,晶体结构的基本知识,图,2-1,晶体结构示意图,1.晶体结构的基本知识图2-1 晶体结构示意图,4,1.,常见的金属晶格类型,常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三大类。,1,）,体心立方晶格,bodycentered cubic lattice,特点,：,b,较好。如：,912 Fe,Cr,Mo,V,等。,含有,2,个原子体积组成。,2,）面心立方晶格,facecentered cubic lattice,特点,：,较好。如：,912 Fe,Cu,Al,等金属,。,含有,4,个原子体积组成,。,1.常见的金属晶格类型1）体心立方晶格 bodycent,5,3,）,密排六方晶格,hexagonal closepacked lattice,特点,：,硬度高,、,脆性大,。如：锌,(Zn),镁,(Mg),镉,(Cd),等金属,。,a,b,C,a=b,c,3）密排六方晶格 hexagonal closepacke,6,1,）单晶体和多晶体,晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，如图,2-5,（,a,）所示。单晶体材料具有独特的化学、光学和电学性能，因此，在半导体、磁性材料和高温合金材料等方面得到了广泛的应用。,多晶体是由许多位向不同、外形不规则的小晶体构成的，如图,2-5,（,b,）所示。这些形状各异的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的交界称为晶界。,图,2-5,单晶体和多晶体,3.,金属的实际晶体结构,1）单晶体和多晶体图2-5 单晶体和多晶体3.金属的实际晶体,7,2,）晶体缺陷,在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：,（,1,）点缺陷,原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。,晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。,图,2-6,点缺陷示意图,2）晶体缺陷图2-6 点缺陷示意图,8,（,2,）线缺陷。线缺陷是指在晶体中呈线状分布（在一个方向上尺寸很大，另两个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的线缺陷是线位错。线位错包括刃型位错和螺型位错两种。刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其示意图如图,2-7,所示，是指在晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排。某原子面在晶体内部中断，中断处的边缘就是一个刃型位错，刃口处的原子列称为刃型位错线。金属中存在大量的位错，在外力作用下会产生运动、堆积和缠结使位错附近区域产生晶格畸变，阻碍晶体变形，导致金属强度升高。,图,2-7,刃型位错示意图,（2）线缺陷。线缺陷是指在晶体中呈线状分布（在一个方向上尺寸,9,（,3,）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。,晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为,5,10,个原子间距。晶界区域的晶粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图,2-8,（,a,）所示。亚晶界是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图,2-8,（,b,）所示。晶界和亚晶界的原子排列都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性和韧性。,图,2-8,面缺陷示意图,（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向,10,1.1.2,纯金属的结晶,1.,结晶过程,金属的结晶过程可用冷却曲线描述。如图,2-9,所示为纯金属的冷却曲线，它表明了熔融金属经缓慢冷却所表现出的温度随时间的变化规律。,图,2-9,纯金属的冷却曲线,1.1.2 纯金属的结晶1.结晶过程图2-9 纯金属的冷却曲,11,如图,2-10,所示，描述了液态金属的结晶全过程，包括形核和长大两个过程。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属完全凝固。,图,2-10,液态金属的结晶过程示意图,如图2-10所示，描述了液态金属的结晶全过程，包括形,12,1.,金属结晶后的晶粒大小,1,）晶粒大小对金属力学性能的影响,在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好；反之，则力学性能越差。因此，生产实践中总是希望使金属及其合金具有较细的晶粒组织。,高温下工作的材料晶粒过大和过小都不好，一般情况下，细晶粒在高温时易蠕变、易腐蚀；而粗晶粒则正好相反。但是，在有些情况下希望晶粒越大越好，如制造电动机和变压器的硅钢片。,1.金属结晶后的晶粒大小,13,2,）晶粒大小的控制,晶粒的大小主要取决于形核速率,N,（简称为形核率）和长大速率,G,（简称为长大率）。形核率,N,是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数。长大率,G,是指单位时间内晶核长大的线速度。,凡是促进形核率，抑制长大率的因素，都能细化晶粒。生产中为了细化晶粒，提高金属的力学性能，常采用以下方法：,在金属液结晶过程中，也可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使正在长大的晶粒破碎，从而细化晶粒。,3,变质处理（孕育处理）就是在浇注前向液体中加入某种物质（称为变质剂），促进非自发形核或抑制晶核的长大速度，从而细化晶粒的方法。,2,提高冷却速度可以增大过冷度，可使晶粒细化。,1,2）晶粒大小的控制在金属液结晶过程中，也可以采用机械振动、超,14,1.2,合金的晶体结构与结晶,合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。,合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。,1.1.1,合金的晶体结构,1.2 合金的晶体结构与结晶 合金是指由两种或两,15,1.,固溶体,合金结晶时，若组元相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。固溶体按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占位置的不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。,1,）置换固溶体,置换固溶体是指溶质原子占据了溶剂原子晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，如图,2-11,所示。,图,2-11,置换固溶体晶格结构示意图,1.固溶体1）置换固溶体图2-11 置换固溶体晶格结构示意图,16,2,）间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图,2-12,所示。一般情况下，当溶质原子半径与溶剂原子半径之比小于,0.59,时，容易形成间隙固溶体；当两者原子半径大小相差不大时，容易形成置换固溶体。间隙固溶体中，溶质原子在溶剂晶格间隙中的分布往往是无序的，故形成无序固溶体。另外，由于溶剂晶格中间隙的尺寸和数量是一定的，因而间隙固溶体只能是有限固溶体，而且其溶解度也不可能很大。,图,2-12,间隙固溶体晶格结构示意图,2）间隙固溶体图2-12 间隙固溶体晶格结构示意图,17,虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的大小和性质不同，溶质原子的溶入必然导致溶剂晶格的畸变，如图,2-13,所示。对于置换固溶体，溶质原子较大时，引起溶剂晶格正畸变；溶质原子较小时，引起溶剂晶格负畸变，见图,2-13,（,a,）。对于间隙固溶体，溶剂晶格总是产生正畸变，见图,2-13,（,b,）。显然，溶质原子大小差别越大，溶剂中溶入的溶质原子越多，所形成的固溶体的晶格畸变就越严重。,图,2-13,固溶体中的晶格畸变,虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但由于形成固溶体的,18,正常价化合物,正常价化合物就是符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可用化学式表示的金属化合物。,电子化合物,不遵守原子价规律而取决于电子浓度（即化合物中价电子数与原子数之比）所形成的金属化合物称为电子化合物。,间隙化合物,间隙化合物是由过渡族金属元素与原子半径很小的非金属元素，如,H,、,N,、,C,、,B,等所形成的化合物，后者处于这类化合物晶格的间隙中。,1.,金属化合物,根据金属化合物的形成条件及结构特点，可将其分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种类型。,正常价化合物正常价化合物就是符合一般化合物的原子价规律，成分,19,（,1,）间隙相。间隙相是非金属原子处于晶格的间隙之中形成与其本身晶格类型不同的一种新结构。例如，钒为体心立方晶格，但它与碳组成碳化钒（,VC,）时，钒原子却构成面心立方晶格，碳原子占据晶格的所有六面体间隙位置，如图,2-14,（,a,）所示。,（,2,）间隙化合物。间隙化合物的晶体结构很复杂，有的一个晶胞中就含有几十到上百个原子。,Fe,3,C,是钢中的一种基本相，也是重要的间隙化合物，称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格，如图,2-14,（,b,）所示。,图,2-14,间隙相和间隙化合物的晶体结构,（1）间隙相。间隙相是非金属原子处于晶格的间隙之中形成,20,1.,二元匀晶相图,1,）二元匀晶相图的分析,二元匀晶相图是指两组元在液态和固态情况下均无限互溶的二元合金相图。从液相结晶出单相固溶体的结晶过程称为匀晶转变。,图,2-15 Cu-Ni,二元匀晶相图,1.1.2,合金的结晶,1.二元匀晶相图图2-15 Cu-Ni二元匀晶相图1.1.2,21,2,）合金的平衡结晶过程,所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却，原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达到相平衡条件的一种结晶过程。以图,2-15,中含,w,Ni,=60%,（,Ni,的质量分数为,60%,）的,Cu-Ni,合金为例，分析这类合金的平衡结晶过程及结晶后的显微组织。作该合金的成分垂线,（即合金线）与液相线和固相线分别交于,1,（温度,t,1,）点和,2,（温度,t,2,）点。在,1,点以上的合金为液相,L,，当缓慢冷却至,1,点时，开始从液态合金中结晶出浓度为,1,的,固溶体。随着温度的降低，,固溶体沿着固相线由,G,1,点改变至,G,2,点，同样，液相成分将由,L,1,点沿液相线改变至,L,2,点。当缓慢冷却到,2,点时，合金线与固相线相遇。结晶结束，此时,固溶体的成分,2,就是原合金的成分。其他成分合金的结晶过程也与此完全类似。固溶体合金平衡结晶后的显微组织与纯金属类似，是由多面体的固溶体晶粒所组成的。,2）合金的平衡结晶过程,22,3,）质量分数计算,在二元匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分是一定的，两相的质量比也是一定的，可以根据杠杆定律来计算。,图,2-16,杠杆定律的证明和力学比喻,3）质量分数计算图2-16 杠杆定律的证明和力学比喻,23,4,）非平衡结晶过程,固溶体结晶过程中液相和固相的成分是不断变化的，在平衡结晶条件下，原子的扩散在液相、固相之间进行得非常