1、第三章 金属的结构与结晶第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构第二节第二节 金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷第三节第三节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭一、晶体的概念一、晶体的概念 金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构 晶体晶体：指原子（离子、分子或原子团）呈规则排：指原子（离子、分子或原子团）呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。非晶体：非晶体：指原子呈无序排列的固体。指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。第一节第一节 金属的晶体结构金属的
2、晶体结构?晶体和非晶体的区别？晶体和非晶体的区别？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的三维空间格架。直线的交架。直线的交点（原子中心）点（原子中心）称称结点结点。由结由结点形成的空间点形成的空间点的阵列称点的阵列称空空间点阵。间点阵。晶胞晶胞：能代表晶格原能代表晶格原子排列规律的最小几子排列规律的最小几何单元何单元。晶格常数晶格常数：l晶胞各边的尺寸晶胞各边的尺寸 a、b、c（）l各棱间的夹角用各棱间的夹角用、表示。表示。二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格 晶系晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为根据晶胞参数不同，将晶体分为
3、七种晶系，十四种布拉菲点阵七种晶系，十四种布拉菲点阵。90%以上的金属具有立方晶系和六以上的金属具有立方晶系和六方晶系。方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：六方晶系：a=b c，=90，=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜1、体心立方晶格体心立方晶格(bcc)晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)2、面心立方晶格、面心立方晶格（fcc）晶格常数：晶格常数：a3、密排六方晶格（、密排六方晶格（hcp）晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633三、三、晶格的致密度和配位数晶格的致密度和配位数表示晶体中原子排列的紧密程
4、度（其值越大越紧密）表示晶体中原子排列的紧密程度（其值越大越紧密）“致密度致密度”晶胞中所包含的原子所占体积与该晶胞体晶胞中所包含的原子所占体积与该晶胞体积之比积之比 k k “配位数配位数”晶格中任何一个原子周围晶格中任何一个原子周围最近邻且等距离的原子数最近邻且等距离的原子数 *晶胞原子数 原子体积晶胞体积晶格类型晶格类型体心立方晶格体心立方晶格 bcc面心立方晶格面心立方晶格fcc密排六方晶格密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞结构性能性能塑性较好塑性较好塑性优于体心立塑性优于体心立方晶格的金属方晶格的金属脆性较大脆性较大晶胞内原子数晶胞内原子数原子半径原子半径致密度致密度0.680.740.
5、74配位数配位数81212典型金属典型金属-Fe,-Ti，Mo,W,V -Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag等等-Ti,Mg,Zn,镉镉(Cd)等等a43a42a21四四、晶面和晶向分析、晶面和晶向分析 晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面晶面。各方向上的原子列各方向上的原子列称称晶向晶向。1.晶面指数晶面指数 表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数。晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。坐标轴上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数
6、，加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为（hkl）。2.晶向指数晶向指数 表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：确定原点，建确定原点，建立坐标系，过原立坐标系，过原点作所求晶向的点作所求晶向的平行线。平行线。求直线上任一求直线上任一点的坐标值并按点的坐标值并按比例化为最小整比例化为最小整数，加方括弧。数，加方括弧。形式为形式为uvw。例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指例二、已知
7、晶向指数为数为110,画出该画出该晶向。晶向。找出找出1、1、0坐标点坐标点,连连接原点与该点的直接原点与该点的直线即所求晶向。线即所求晶向。1102343.3.晶面族和晶向族晶面族和晶向族晶面族晶面族 晶体中凡是具有相同的原子排列方式而只是晶体中凡是具有相同的原子排列方式而只是空间位向不同的各组晶面的统称，用空间位向不同的各组晶面的统称，用hklhkl 表示。表示。晶向族晶向族 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向的原子排列相同但空间位向不同的所有晶向的统称，以统称，以uww 表示。表示。4.4.晶面和晶向的原子密度晶面和晶向的原子密度晶面（向）的原子密度指其单位面积（长度）的原子数。晶面（
8、向）的原子密度指其单位面积（长度）的原子数。bccbcc中，具有最大原子密度的晶面是中，具有最大原子密度的晶面是110110，具有最大原，具有最大原子密度的晶向是子密度的晶向是111111。fccfcc中，具有最大原子密度的晶面是中，具有最大原子密度的晶面是111111，具有最大原，具有最大原子密度的晶向是子密度的晶向是。五、晶体的各向异性五、晶体的各向异性 晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列密度不晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列密度不同，原子间相互作用力也不同，因而其同，原子间相互作用力也不同，因而其不同晶不同晶面和晶向上的性能不同面和晶向上的性能不同。实际金属多为多晶体，表现为各向同性。
9、实际金属多为多晶体，表现为各向同性。一、一、单晶体与多晶体单晶体与多晶体 单晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体多晶体：许多位向不同的小晶体组成的晶体。：许多位向不同的小晶体组成的晶体。晶粒晶粒：彼此方位不同、外形不规则的小晶体。彼此方位不同、外形不规则的小晶体。晶界晶界第二节金属的实际结构和晶体缺陷第二节金属的实际结构和晶体缺陷单晶体单晶体多晶体多晶体晶粒越细小，晶晶粒越细小，晶界面积越大。界面积越大。亚晶粒亚晶粒：每个晶粒内有微小位向差的小区域：每个晶粒内有微小位向差的小区域（亚结构）（亚结构）光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界金属中的
10、亚晶组织金属中的亚晶组织l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mm。二、晶体缺陷二、晶体缺陷 晶格的不完整部位晶格的不完整部位称称晶体缺陷晶体缺陷。实际金属中存在着实际金属中存在着大量的晶体缺陷。大量的晶体缺陷。按缺陷的几何形状按缺陷的几何形状点缺陷点缺陷(point defect)线缺陷线缺陷（line defect）面缺陷面缺陷(plane defect)1.点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都很空间三维尺寸都很小的缺陷。小的缺陷。以一个点为中以一个点为中心，在其周围造心，在其周围造成原子排列不规成原子排列不规则，产生晶格畸则，产生晶格畸变和内应力变和内
11、应力 l空位空位：原子被热激活留下的空结点原子被热激活留下的空结点 l间隙原子间隙原子：挤进晶格间隙中的原子挤进晶格间隙中的原子l置换原子置换原子：取代原来原子位置的外来原子取代原来原子位置的外来原子 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶晶格畸变格畸变。从而。从而使强度、硬度提高，塑性、韧使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变2.线缺陷线缺陷某一列或若干列原子发生有规律的错排现象某一列或若干列原子发生有规律的错排现象 位错位错（dislocation）：晶格中一部分晶体相对于另
12、晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线。分为区的交界线。分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 位错能够在金属的结晶、塑性变形位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成和相变等过程中形成。位错密度位错密度：单位体积内所包含的位单位体积内所包含的位错线总长度。错线总长度。=S/V=S/V(cm/cm(cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2)金属的位错密度为金属的位错密度为10104 410101212/cm/cm2 2（退火态最低退火态最低）位错对性能的影响位错
13、对性能的影响：金属的塑性变金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此形主要由位错运动引起，因此阻碍阻碍位错运动是强化金属的主要途径位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)3.3.面缺陷面缺陷主要指主要指晶界晶界和和亚晶界亚晶界晶体中不同区晶体中不同区域之间的晶格位向过渡造成域之间的晶格位向过渡造成 晶界宽度为晶界宽度为510510个原子间距，位向个原子间距，位向差一般为差一般为20402040。亚晶界也可看作。亚晶界也可看作位
14、错线的堆积或位错线的堆积或“位错壁位错壁”（小角度（小角度位向差）。位向差）。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则原子排列不规则。熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附，外来原子易，外来原子易在晶界偏聚。在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部位，是强化部位，因而实际使用的金属力求获因而实际使用的金属力求获得细晶粒。得细晶粒。相变时优先形核。相变时优先形核。显微组织的显示显微组织的显示三、金属中的扩散三、金属中的扩散 金属中发生的结晶、相变、再结晶、烧结、合金化过程金属中发生的结晶、相变、再结晶、烧结、合金化
15、过程都会扩散。都会扩散。1 1、扩散的概念和机制、扩散的概念和机制扩散扩散由于热运动而导致原子、分子在介质中迁移的现象由于热运动而导致原子、分子在介质中迁移的现象 面心立方晶体的八面体间隙及（面心立方晶体的八面体间隙及（001001）晶面）晶面原子的自由能与位置之间的关系原子的自由能与位置之间的关系原子迁移需越过的势垒原子迁移需越过的势垒自扩散自扩散异扩散异扩散间隙扩散间隙扩散间隙原子通过晶格间隙之间的跃迁间隙原子通过晶格间隙之间的跃迁空位扩散空位扩散依靠空位大量的移动，原子很快完成长距离依靠空位大量的移动，原子很快完成长距离 迁移迁移填隙扩散填隙扩散晶格结点的原子会出现间隙，将邻近点阵原晶格
16、结点的原子会出现间隙，将邻近点阵原 子挤到间隙中，并取而代之。所需能量子挤到间隙中，并取而代之。所需能量换位扩散换位扩散 直接换位直接换位相邻两原子直接交换位置相邻两原子直接交换位置 环形换位环形换位同一平面数个原子瞬时轴旋转换位同一平面数个原子瞬时轴旋转换位机机制制换位机制换位机制填隙机制填隙机制空位机制空位机制间隙机制间隙机制2、影响扩散的主要因素、影响扩散的主要因素温度温度RTQeDD0QRT0D扩散常数扩散常数 cm2/s扩散激活能扩散激活能 J/mol=8.31 J/molR 气体常数气体常数绝对温度绝对温度 K晶体结构晶体结构体心体心面心面心空隙多，克服势垒空隙多，克服势垒表面及晶
17、体缺陷表面及晶体缺陷金属的表面及内表面，存在缺陷金属的表面及内表面，存在缺陷，晶格畸变，晶格畸变，原子能量状态，原子能量状态，Q，易实现跃迁，易实现跃迁一、结晶的概念一、结晶的概念 物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为物质由液态转变为晶态的过程称为结晶结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变相变。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。3 3 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭液态金属结构液态金属结构固态金属结构固态金属结构1、冷却曲线、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的
18、关系曲线系曲线称称冷却曲线冷却曲线。曲线曲线上水平阶段所对应的温度上水平阶段所对应的温度称称实际结晶温度实际结晶温度Tn。Q：冷却曲线上为什么会出：冷却曲线上为什么会出现平台？现平台？TmTn纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线TmTnT液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化2 2、过冷与过冷度、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度纯金属都有一个理论结晶温度T Tm m(熔点熔点或平衡结晶温或平衡结晶温度度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。液体和晶体处于动平衡状态。过冷：过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。液态金属在理论结晶温度以下开始结
19、晶的现象。过冷度过冷度 T T=T Tm m T Tn n 过冷度大小与冷却过冷度大小与冷却速度有关，速度有关，冷速越冷速越大，过冷度越大，大，过冷度越大，G G越大越大。二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程1、结晶的基本过程、结晶的基本过程 包括晶核的形成、长大包括晶核的形成、长大同时进行同时进行（有（有“孕育期孕育期”）T0以下，以下，较大尺寸且稳定的晶坯较大尺寸且稳定的晶坯晶核晶核 2、晶核的形成方式、晶核的形成方式 形核有两种方式，即形核有两种方式，即自发形核自发形核和和非自发形核非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核自发形核。以液体中
20、存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核非自发形核。非自发形核更容易、更普遍。非自发形核更容易、更普遍。自发形核自发形核非自发形核示意图非自发形核示意图3、晶核的长大方式、晶核的长大方式实际金属结晶主要以实际金属结晶主要以树枝状长大树枝状长大。这是由于存在。这是由于存在负温度负温度梯度梯度（液相中过冷度随离界面距离增加而增大（液相中过冷度随离界面距离增加而增大），且晶核），且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴一次轴，一次，一次轴又会产生轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度三、
21、影响形核和成大的因素三、影响形核和成大的因素1、过冷度、过冷度T的影响的影响T，N、G（但（但N增加更增加更快）快）当当T太大时，原子扩散能太大时，原子扩散能力力，形核、长大都困难，形核、长大都困难2、未熔杂质的影响、未熔杂质的影响 可熔化杂质可熔化杂质 未熔杂质未熔杂质悬浮于金属液体中悬浮于金属液体中充当晶核充当晶核在金属结晶时，加入某些难熔杂质在金属结晶时，加入某些难熔杂质人工晶核人工晶核（变质剂）（变质剂）细化晶粒细化晶粒变质处理变质处理如铸铝如铸铝ZL101中加入钠盐（中加入钠盐（NaCl、NaF）四、晶粒大小及控制四、晶粒大小及控制1 1、晶粒大小对金属力学性能的影响、晶粒大小对金属
22、力学性能的影响常温下晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑常温下晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。性、韧性越好。细晶强化细晶强化2 2、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制 控制过冷度，提高液态金属的冷却速度：控制过冷度，提高液态金属的冷却速度：随过冷度随过冷度增加，增加，N/GN/G值增加，晶粒变细。值增加，晶粒变细。变质处理变质处理（孕育处理）：（孕育处理）：在浇注前向液态金属内加在浇注前向液态金属内加入某些难熔物质（入某些难熔物质（“变质剂变质剂”、“人工晶核人工晶核”）来促进）来促进晶粒细化，改善力学性能。晶粒细化，改善力学性能。冷速过快冷速过快 变形、开裂，只变形、开裂，只适
23、用于小铸件，简单件适用于小铸件，简单件电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图 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另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显枝晶破碎，使晶核数目显著增加。著增加。在实际生产中，液态金属被浇注到锭在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到模中便得到铸锭铸锭（结晶后还要进行（结晶后还要进行轧制、锻压等压力加工）轧制、锻压等压力加工），而注入，而注入到铸型模具中成型则得到
24、到铸型模具中成型则得到铸件铸件。铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的缺陷对其的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。加工和使用性能有着直接的影响。五、金属铸锭的组织及缺陷五、金属铸锭的组织及缺陷1 1、铸锭的组织、铸锭的组织 表层细晶区表层细晶区-强过冷强过冷,非均匀形核。非均匀形核。特点：无方向性、枝晶发达、组特点：无方向性、枝晶发达、组织致密织致密柱状晶区柱状晶区-过冷度减小过冷度减小,形核困难形核困难,沿散热方沿散热方向生长。（向生长。（主晶轴垂直于模壁）主晶轴垂直于模壁）1 1等轴细晶区；等轴细晶区；2 2柱状晶区；柱状晶区；3 3粗大的等轴晶区粗大的等轴晶区特点特点:各向异
25、性、组织致密、界面脆弱各向异性、组织致密、界面脆弱中心等轴晶区中心等轴晶区-成分过冷区越来越宽、非均匀形核、均匀散热、熔体对流成分过冷区越来越宽、非均匀形核、均匀散热、熔体对流导致细晶漂移或枝晶破碎。导致细晶漂移或枝晶破碎。特点：晶粒粗大、有缩孔（松）特点：晶粒粗大、有缩孔（松）2 2、铸锭的缺陷、铸锭的缺陷 缩孔和疏松缩孔和疏松 孔隙集中在凝固的最后部位为缩孔；孔隙分孔隙集中在凝固的最后部位为缩孔；孔隙分散地分布于枝晶间为疏松散地分布于枝晶间为疏松 气孔气孔 液态金属凝固时，如果所析出的气体来不及逸液态金属凝固时，如果所析出的气体来不及逸出，就会保留在铸锭内部，形成气孔。出，就会保留在铸锭内部，形成气孔。偏析偏析 分为宏观偏析和微观偏析分为宏观偏析和微观偏析。
