晶体的结构和结晶

会计学1晶体的结构和结晶晶体的结构和结晶1. 1. 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。空间点阵。三、晶体中几个基本概念三、晶体中几个基本概念 为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体。刚性球体刚性球体原子浓缩成一个点（空间点阵）原子浓缩成一个点（空间点阵）用假用假想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）取出取出一个有代表性的最小几何单元一个有代表性的最小几何单元单位晶体（晶胞）单位晶体（晶胞）。3.晶格常数：晶胞晶格常数：晶胞的三个棱边的尺的三个棱边的尺寸寸 a、b、c。用用埃（埃（ ）表示。）表示。1=101=10-8-8cmcml各各棱间的夹角用棱间的夹角用 、 、 表示。表示。四、三种典型的晶体结构：四、三种典型的晶体结构： 体心立方、面心立方、密排六方。体心立方、面心立方、密排六方。1.1.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。2.2.晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。3.3.配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。的原子数目。4.4.致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：ar43= = a42r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：aa21r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633一、一、 多晶体结构和亚结构多晶体结构和亚结构单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发生改变的晶体。生改变的晶体。多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。体结构，称为多晶体。实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各向异性？为什么？向异性？为什么？多晶体由许多晶格位向不同的晶粒组成，多晶体由许多晶格位向不同的晶粒组成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为各向同性。其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为各向同性。二、二、 晶体缺陷晶体缺陷晶格的不完整部晶格的不完整部位称晶体缺陷。位称晶体缺陷。实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线三类，即点、线、面缺陷。、面缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。规律的错排现象。 线缺陷线缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷)刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”“ ”表示表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”“ ”表示表示。位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。错线越近晶格畸变越大，应力越大。强度强度透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)面缺陷（面缺陷（一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域） 晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原子排列紊乱，具有非晶态特征。子排列紊乱，具有非晶态特征。晶界的重要特性：晶界的重要特性：1 1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬度高度高细晶强化。细晶强化。2 2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。固态下结构的改变首先从晶界开始。固态下结构的改变首先从晶界开始。晶界示意晶界示意图图 亚晶界：亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于亚晶粒的交界，位向差小于2 2 。晶界晶界亚晶界亚晶界ABCD三、合金的晶体结构三、合金的晶体结构 一致的晶体结构和原子排列方式；一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能；相同的物理、化学性能； 与周围的非同相物质之间有确定的界面；与周围的非同相物质之间有确定的界面； 不同的相可予以机械性分离。不同的相可予以机械性分离。相的基本属性相的基本属性1)1)固溶体固溶体固态下各组元之间互相溶解而形成的均匀的晶态固固态下各组元之间互相溶解而形成的均匀的晶态固体体称固溶体称固溶体. .固溶体中保持原来晶体结构的组元叫溶剂，其它固溶体中保持原来晶体结构的组元叫溶剂，其它溶入且晶格消失的组元称溶质。溶入且晶格消失的组元称溶质。固溶体的结构与分类固溶体的结构与分类 根据溶质原子在溶剂晶格根据溶质原子在溶剂晶格中的位置分：中的位置分： （1）间隙固溶体）间隙固溶体 形成间隙固溶体的条件形成间隙固溶体的条件：r质质/r剂剂0.59，过渡族，过渡族元素元素Fe、Mn等）为溶剂等）为溶剂与尺寸小的非金属元素与尺寸小的非金属元素C、N、B、H形成。形成。 （2）置换固溶体）置换固溶体Cu-NiCu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-CFe-C间隙固溶体间隙固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度分按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度分（1）有限固溶体）有限固溶体 间隙固溶体一定是有限固溶体。间隙固溶体一定是有限固溶体。（2）无限固溶体）无限固溶体 在置换固溶体中，当溶质与溶剂原子半径差在置换固溶体中，当溶质与溶剂原子半径差别较小，在化学元素周期表上的位置靠近，且别较小，在化学元素周期表上的位置靠近，且晶格形式也相同时，可能形成无限固溶体。否晶格形式也相同时，可能形成无限固溶体。否则，是有限固溶体。所以无限固溶体一定是置则，是有限固溶体。所以无限固溶体一定是置换固溶体，反过来不成立。间隙固溶体一定是换固溶体，反过来不成立。间隙固溶体一定是有限固溶体，反过来不成立。有限固溶体，反过来不成立。固溶体的结构特点与性能特点固溶体的结构特点与性能特点 固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。 由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫固溶强化固溶强化是金属材料的强化方法之一。是金属材料的强化方法之一。 固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，是材料的基本相。是材料的基本相。金属间化合物的分类金属间化合物的分类根据形成条件和结构特点不同，金属间化合物根据形成条件和结构特点不同，金属间化合物可分为：可分为： （1）正常价化合物）正常价化合物特征是：严格遵守化合价规律，成分固定，可特征是：严格遵守化合价规律，成分固定，可用化学式表示，不能形成固溶体。（用化学式表示，不能形成固溶体。（Mg2Si)金属间化合物特点金属间化合物特点：熔点、硬度高、脆性大熔点、硬度高、脆性大。适用于第二相质点强化或适用于第二相质点强化或弥散强化。弥散强化。（2）电子化合物）电子化合物（电子浓度起主要作用）（电子浓度起主要作用）电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。特征是：虽然可用化学式表示，但成分不固定特征是：虽然可用化学式表示，但成分不固定，即在电子化合物的基础上可以溶解一定量的，即在电子化合物的基础上可以溶解一定量的组元，形成以该化合物为基的固溶体。组元，形成以该化合物为基的固溶体。价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。 虽然它们可以用分子式表示，但大多数不符合化学虽然它们可以用分子式表示，但大多数不符合化学价规律，而是按电子含量规律来进行化合的，只要价规律，而是按电子含量规律来进行化合的，只要电子含量达到某一范围，就会形成具有一定结构的电子含量达到某一范围，就会形成具有一定结构的相，所以它们的形成是以电子含量起主导作用的。相，所以它们的形成是以电子含量起主导作用的。电子含量不同，形成的化合物的晶格结构就不同。电子含量不同，形成的化合物的晶格结构就不同。电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。与间隙固溶体相似，由过渡族金属同原子半径很小与间隙固溶体相似，由过渡族金属同原子半径很小的非金属元素形成的化合物。的非金属元素形成的化合物。无论溶质原子是以间隙方式还是以置换方式进入晶无论溶质原子是以间隙方式还是以置换方式进入晶格，总会对溶剂晶格造成一定程度的畸变。溶质与格，总会对溶剂晶格造成一定程度的畸变。溶质与溶剂原子的尺寸差别越大，晶格畸变越大，畸变能溶剂原子的尺寸差别越大，晶格畸变越大，畸变能越大，增大到一定容限时，原来的结构便不稳定，越大，增大到一定容限时，原来的结构便不稳定，会重新组合形成新的相。会重新组合形成新的相。根据结构特征有分为两类：根据结构特征有分为两类：1）间隙相）间隙相 r非非/r金金 0.59，具有复杂的晶体结构具有复杂的晶体结构，如，如Fe3C。3、间隙化合物（原子尺寸因素起主要作用）、间隙化合物（原子尺寸因素起主要作用）VC的的结结构构Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6类型类型简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物复杂结构间复杂结构间隙化合物隙化合物化学式化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C硬度硬度HV28502840201020501550173014801650800熔点熔点/3080347220265036805039802785 5252715771227钢中常见间隙化合物的硬度及熔点钢中常见间隙化合物的硬度及熔点（三）金属化合物的结构特点与性能特点（三）金属化合物的结构特点与性能特点 1、金属化合物的晶格类型与组成它的任何组、金属化合物的晶格类型与组成它的任何组元都不相同，是单相。元都不相同，是单相。 2、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。 3、金属化合物是强化相。、金属化合物是强化相。工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。机械混合物机械混合物 单一固溶体：强度、硬度较低单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆单一化合物：硬而脆 机械混合物机械混合物不是一种单一相不是一种单一相与纯金属相比，固溶与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和要低得多，而塑性和韧性则要高得多。韧性则要高得多。一、几个概念一、几个概念1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。若凝固后的固体为晶体称为结晶。2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。液体金属在结晶时的温度液体金属在结晶时的温度- -时间曲线称为冷却曲线。时间曲线称为冷却曲线。1. 1. 必需要有过冷度。必需要有过冷度。过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为冷度为236 C236 C。2. 2. 与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。越小。3. 3. 与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低，低， 过冷度大。过冷度大。冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。二、结晶过程二、结晶过程 液态金属结晶是在结晶温度平台由液态金属结晶是在结晶温度平台由形核和晶核长大形核和晶核长大两个密切联系的基本过程来实现的。两个密切联系的基本过程来实现的。 二、结晶过程二、结晶过程晶核的形成与长大。晶核的形成与长大。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。晶核的形成晶核的形成 1 1）自发形核）自发形核 从液态内部由金属本身从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。 2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。核心叫做非自发晶核。 实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大. . 这是由于棱角处的散热条件好这是由于棱角处的散热条件好，生长快，先形成，生长快，先形成一一次轴次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填，树枝间最后被填充。充。晶核的长大方式晶核的长大方式金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶晶粒的大小取决于晶核的形核率和长大速度。（晶粒的大小取决于晶核的形核率和长大速度。（P13P13）l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)(N)。l单位时间内晶核生长的长度叫长大速度单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)(G)。l N/GN/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。l因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，l都能细化晶粒都能细化晶粒 提高过冷度提高过冷度 过冷度过冷度 TT，NN（形核速率），（形核速率），GG（长大速率），（长大速率），N/GN/G增大，增大，晶粒越细小。晶粒越细小。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响四、铸态下细化晶粒的方法四、铸态下细化晶粒的方法Al-SiAl-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷 变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。核的核心，以细化晶粒和改善组织。变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后铸铁变质处理前后的铸铁变质处理前后的组织组织( (变质剂为硅铁或硅钙合金) )电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图振动，搅拌等振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。晶破碎，使晶核数目显著增加。本本 节节 总总 结结1.理解晶体和合金有关的基本概念；2.理解纯金属的结晶过程，3.掌握三种晶格类型，三种晶体缺陷；4.掌握合金的基本相，掌握过冷度概念；5.掌握控制晶粒大小的方法。位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。规律的错排现象。 线缺陷线缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷)刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”“ ”表示表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”“ ”表示表示。透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)固溶体的结构与分类固溶体的结构与分类 根据溶质原子在溶剂晶格根据溶质原子在溶剂晶格中的位置分：中的位置分： （1）间隙固溶体）间隙固溶体 形成间隙固溶体的条件形成间隙固溶体的条件：r质质/r剂剂0.59，过渡族，过渡族元素元素Fe、Mn等）为溶剂等）为溶剂与尺寸小的非金属元素与尺寸小的非金属元素C、N、B、H形成。形成。 （2）置换固溶体）置换固溶体Cu-NiCu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-CFe-C间隙固溶体间隙固溶体固溶体的结构特点与性能特点固溶体的结构特点与性能特点 固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。 由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫固溶强化固溶强化是金属材料的强化方法之一。是金属材料的强化方法之一。 固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，是材料的基本相。是材料的基本相。Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6一、几个概念一、几个概念1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。若凝固后的固体为晶体称为结晶。2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。1. 1. 必需要有过冷度。必需要有过冷度。过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为冷度为236 C236 C。2. 2. 与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。越小。3. 3. 与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低，低， 过冷度大。过冷度大。