1、第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构 绪绪 论论 金属材料通常都是一种晶体材料。金属的晶体结构指的金属材料通常都是一种晶体材料。金属的晶体结构指的是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显微组织和材料的宏观性能。微组织和材料的宏观性能。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、金属晶体的特性一、金属晶体的特性(1)组成晶体的基本原子在三维空间是有一定规律的(2)金属晶体具有确定的熔点(3)金属晶体具有各向异性第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称
2、为晶体结构。通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。晶体晶体晶格晶格第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。其中a、b、c为晶格常数。金属的晶格常数一般为110-10m710-10m。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。三、晶体中的晶面和晶向三
3、、晶体中的晶面和晶向第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构三、晶体中的晶面和晶向三、晶体中的晶面和晶向 主要晶面主要晶面100晶向族晶向族ABBA晶面指数即为(100)，ACCA和ACD的晶面指数分别为(110)、(111)。OA的晶向指数为100，OB、OC的晶向指数分别为110、111 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构三、晶体中的晶面和晶向三、晶体中的晶面和晶向晶体各向异性的原因晶体各向异性的原因：对于实际使用的金属,由于其内部有许许多多个晶粒组成,每个晶粒在空间分布的位向不同,因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同,晶体的各向异性就显示不出来了。在立方晶系中,一个晶面指数与
4、一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直,如(111)111。晶面与晶向互相垂直晶面与晶向互相垂直第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构四、三种常见的金属晶体结构四、三种常见的金属晶体结构 1.体心立方晶格体心立方晶格(胞胞)2.面心立方晶格面心立方晶格(胞胞)3.密排六方晶格密排六方晶格(胞胞)体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶格示意图体心立方晶格示意图(1)体心立方晶格体心立方晶格(胞胞)具有体心立方晶格的金属有钼、钨、钒、-铁等。体心立方晶胞特征：体心
5、立方晶胞特征：晶格常数：a=b=c,=90 晶胞原子数：一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构(1)体心立方晶格体心立方晶格(胞胞)体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为 致 密度(也称密排系数)。体心立方晶胞的致密度为：即晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。第一节第一节
6、金属的晶体结构金属的晶体结构面心立方晶格示意图面心立方晶格示意图(2)面心立方晶格面心立方晶格(胞胞)具有面心立方晶格的金属有铝、铜、镍、金、银、-铁等。面心立方晶胞特征：面心立方晶胞特征：晶格常数：a=b=c,=90 晶胞原子数：原子半径致密度：0.74(74%)金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构密排六方晶格示意图密排六方晶格示意图(2)密排六方晶格密排六方晶格(胞胞)具有密排六方晶格的金属有镁、镉、锌、铍等。密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表
7、达,两相邻侧面之间的夹角为120,侧面与底面之间的夹角为90。晶胞原子数：原子半径致密度：0.74(74%)第二节第二节 金属的结晶过程金属的结晶过程平面长大平面长大树枝状长大树枝状长大平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体第三节第三节 细化晶粒细化晶粒 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度越大晶粒越细。晶粒度表晶粒度表晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直（mm）0.2500
8、.1770.1250.0880.0620.0440.0310.022 在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。第三节第三节 细化晶粒细化晶粒细化铸态金属晶粒有以下措施细化铸态金属晶粒有以下措施:1.增大金属的过冷度增大金属的过冷度 原理：一定体积的液态金属中,若成核速率N越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G越快,则晶粒越粗。随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但当过冷度超过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。对于液体金属，一般不会得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。
9、所以,随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。第三节第三节 细化晶粒细化晶粒细化铸态金属晶粒有以下措施细化铸态金属晶粒有以下措施:1.增大金属的过冷度增大金属的过冷度 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。成核速率、长大速度与过冷度的关系第三节第三节 细化晶粒（重点内容）细化晶粒（重点内容）细化铸态金属晶粒有以下措施细化铸态金属晶粒有以下措施:2.变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数
10、量或者阻碍晶核的长大。例如，在铝合金液体中加入钠盐；钢水中加入钛、钒、铝等，都可使晶粒细化。3.振动振动4.电磁搅拌电磁搅拌第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构一、基本概念一、基本概念(1)合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。(2)组元 ：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金(3)“组织”：是指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形态结构。一般将用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏观组织，在显微镜下观察到组织称为显微组织。(4)相：在金属或合金中
11、，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构二二.固溶体固溶体(1)定义：溶质原子溶于溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的使金相称为固溶体。固溶体用、等符号表示。(2)固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构二二.固溶体固溶体(3
12、)固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构三、金属化合物三、金属化合物(1)定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物,或称中间相。金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,强度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韧性降低。(2)金属化合物的分类
13、：正常价化合物电子化合物间隙化合物第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构四、合金的组织四、合金的组织合金的组织组成可能出现以下几种状况：由单相固溶体晶粒组成；由单相的金属化合物晶粒组成；由两种固溶体的混合物组成；由固溶体和金属化合物混合组成。第五节第五节 合金的结晶合金的结晶一、概述一、概述 合金的结晶过程较为复杂,通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。表示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。例如，A点表示，含30%Ni的铜镍合金在1200时处于液相L+固相的两相状态;B点表示,含
14、60%Ni的铜镍合金在1000时处于单一固相状态。第五节第五节 合金的结晶合金的结晶二、相图的建立二、相图的建立 相图最常用的实验方法是热分析法，现以铜镍二元合金为例来说明二元相图的建立。第五节第五节 合金的结晶合金的结晶三、匀晶相图的结晶过程三、匀晶相图的结晶过程 以b点成分的合金(Ni含量为b%)为例分析结晶过程。在1点温度以上,合金为液相L。缓慢冷却至1-2温度之间时,合金发生匀晶反应:L,从液相中逐渐结晶出固溶体。2点温度以下,合金全部结晶为固溶体,其它成分合金的结晶过程也完全类似。第五节第五节 合金的结晶合金的结晶四、共晶相图及发生共晶反应的合金的结晶四、共晶相图及发生共晶反应的合金
15、的结晶(1)Pb-Sn合金共晶相图分析Pb-Sn合金相图中有三种相:Pb与Sn形成的液溶体L相,Sn溶于Pb中的有限固溶体相,Pb溶于Sn中的有限固溶体相。相图中有三个单相区:L、三个双相区：L+、L+、+一条L+的三相共存线(水平线cde)。这种相图称为共晶相图。d点为共晶点。水平线cde为共晶反应线。cf线为Sn在Pb中的溶解度线(或相的固溶线)。eg线为Pb在Sn中溶解度线(或相的固溶线)。第五节第五节 合金的结晶合金的结晶四、共晶相图及发生共晶反应的合金的结晶四、共晶相图及发生共晶反应的合金的结晶（2）二元共晶相图的结晶过程分析：）二元共晶相图的结晶过程分析：合金I的结晶过程示意图共晶合金的结晶过程示意图亚共晶合金的结晶过程示意图 共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态亚共晶合金组织亚共晶合金组织过共晶合金组织过共晶合金组织第五节第五节 合金的结晶合金的结晶五、发生包晶反应的合金相图分析五、发生包晶反应的合金相图分析
