1、第二章金属的晶体结构与结晶 主编第二章金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能;同一种金属材料,在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属性能的这些差异,完全是由金属内部的组织结构所决定的。因此,研究金属的晶体结构及其变化规律,是了解金属性能,正确选用金属材料,合理确定加工方法的基础。第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。二、晶体结构的基本知识在研究金属的晶体结构时,为分析问题方便,通常将金属中的原子近似地看成是刚性小球。图2-3晶胞的表示方法三、常见金属的晶格类型在金属晶体中,由于原子间的结合方式,决定了金属晶体具有高度对
2、称的简单的晶体结构。图2-4体心立方晶胞1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图2-4所示。图2-5面心立方晶胞2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图2-5所示。密排六方晶格的晶胞如图2-6所示。图2-6密排六方晶胞3.密排六方晶格图2-7简单立方晶格中的晶面四、晶体的各向异性在晶体中由一系列原子组成的平面,称为晶面。图2-8简单立方晶格中的晶向五、金属的实际晶体结构如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图2-9a所示。图2-9单晶体和多晶体结构示意图a)单晶体b)多晶体1.点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。图2
3、-10空位和间隙原子示意图2.线缺陷线缺陷是指在三维空间的一个方向上尺寸很大,其余两个方向上尺寸很小的一种晶体缺陷。图2-11刃型位错示意图3.面缺陷面缺陷是指在两个方向上的尺寸很长,第三个方向上的尺寸很小,呈面状分布的一种晶体缺陷。第二节纯金属的结晶金属从液态经冷却转变为固态的过程,也就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程,这一过程称为结晶过程。一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。二、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的,它是不断形成晶
4、核和晶核不断长大的过程,如图2-16所示。图2-16金属结晶过程示意图三、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金属结晶后的晶粒大小可用单位体积内的晶粒数目来表示。图2-17晶体长大示意图表2-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响图2-18形核率和晶核长大速度与过冷度关系示意图2.细化晶粒的方法金属结晶后单位体积内晶粒的数目取决于结晶时的形核率和晶核的长大速度。(1)增加过冷度即加快金属液的冷却速度。(2)变质处理即在浇注前向金属液中加入少量形核剂(又称变质剂或孕育剂),造成大量非自发形核,使晶粒细化。(3)振动处理金属结晶时,对金属液进行机械振动、超声波振动或电磁振动等,使生长中的枝
5、晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的目的。第三节金属的同素异构转变大多数金属结晶终了后,在继续冷却的过程中,其晶体结构不再发生变化。但有些金属如铁、钴、钛等,在固态下因所处温度不同而具有不同的晶格形式。金属在固态下随温度的改变由一种晶格变为另一种晶格的变化,称为同素异构转变或同素异晶转变。图2-19为纯铁的冷却曲线。可见,纯铁液在1538时结晶为具有体心立方晶格的-Fe;当其冷却到1394时,发生同素异构转变,-Fe转变为面心立方晶格的-Fe;冷却到912时,再次发生同素异构转变,-Fe转变为体心立方晶格的-Fe,直至室温,晶格类型不再发生变化。同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢铁能够进行热
6、处理的理论依据。金属的同素异构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转变是在固态下发生的,原子扩散比较困难,致使同素异构转变需要较大的过冷度。另外,由于同素异构转变前后晶格类型不同,原子排列的疏密程度发生改变,将引起晶体体积的变化,故同素异构转变往往会产生较大的内应力。从纯铁的冷却曲线上可以看到,在770时也出现了一个平台。实验证明,该温度下的转变为磁性转变,转变时晶格类型没有发生改变,因此它不属于同素异构转变。思考题1.
7、什么是晶体?什么是非晶体?晶体与非晶体有什么区别?2.金属晶体的特性有哪些?3.什么是晶格和晶胞?如何表示晶胞的大小和形状?4.常见金属的晶格类型有哪些?试绘图说明其特征。5.为什么单晶体呈各向异性,而多晶体却呈各向同性?6.什么是晶体缺陷?金属晶体中的晶体缺陷有哪些?它们对金属的力学性能有什么影响?7.什么是金属的结晶过程?8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系?它对铸件的晶粒大小有什么影响?9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程。10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影响?11.用哪些方法可以获得细晶粒组织?其依据是什么?12.什么是金属的同素异构转变?同素异构转变与金属液结晶有什么异同之处?
