1、金属的晶体结构与结晶 2.1 金属的晶体结构2.2 金属的同素异构转变2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响2.4 金属的结晶金属是指由金属原子或金属原子与其他非金属原子组合起来具有金属特性的物质。2.1 金属的晶体结构金属特性包括导电性、导热性、可塑性、光泽性、不透明性、电阻和正的电阻温度系数等性能。组成物质的质点(原子、分子、或离子)之间通过某种相互作用而联系在一起，这种作用力称为“键”。结合键对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合力较强的离子键、共价键、金属键和结合力较弱的分子键与氢键。金属原子结构的特点是外层电子数不饱和，容易失去电子，变成正离子，而脱离的电子变成自由电子，为整
2、个金属所共有，并在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和公有的自由电子之间相互作用而结合的方式称为“金属键”。除铋、锑、锗和镓等金属为共价键结合外，其余绝大多数的固态金属主要是金属键结合。2.1 金属的晶体结构根据金属键结合的特点可以解释金属晶体的一些性能。根据金属键结合的特点可以解释金属晶体的一些性能。导电性导热性可塑性光泽性不透明性电阻和正的电阻温度系数等性能2.1 金属的晶体结构 晶体的基本概念晶体的基本概念 1晶体晶体 非晶体非晶体 所谓晶体是指其原子（离子或分子）所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。在空间呈规则排列的物体。非晶体非晶体则反之。则反之。非晶
3、体晶体特点：晶体有确定的熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。非晶体无确定的熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。2.1 金属的晶体结构2.晶格与晶胞晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：组成晶格最基本的几何单元。2.1 金属的晶体结构abc晶 胞 示意图原子3.晶格常数晶胞棱边长度a,b,c三棱边之间的夹角，2.1 金属的晶体结构 3种常见的金属晶格类型种常见的金属晶格类型1.体心立方晶格 bodycentered cubic lattice特点：强度高、塑性低。如：912 Fe,Cr,Mo,V等。含有2个原子体积组成。2.1 金属的晶体结构特点：强度低、塑性好。如：9
4、12 Fe,Cu,Al 等金属。含有4个原子体积组成。2.面心立方晶格 facecentered cubic lattice2.1 金属的晶体结构abC3.密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice特点：硬度高、强度不高、脆性大。如：锌(Zn),镁(Mg),镉(Cd)等金属。a=bc2.1 金属的晶体结构2.2 金属的同素异构转变同素异构体:同一种金属的不同晶体结构的晶体，称为该金属的同素异构体。金属在固态下，随温度的改变由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象叫做“同素异构转变”。2.2 金属的同素异构转变-Fe -Fe -Fe1394912意义:由于纯铁具有同
5、素异构转变的特点，因而才有可能对铁碳合金进行各种热处理，以改变其组织和性能。但同素异构转变时均伴随着体积变化，产生较大内应力，如-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀1%，这可引起钢热处理时产生内应力，严重时导致工件变形和开裂。2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响纯铁的显微组织多晶体结构金属的显微组织：金属的显微组织：是指金属在显微镜下所表现出来的特征和形貌。2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际晶体中排列不规则的区域统称为实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下3种情
6、况种情况1.点缺陷点缺陷 晶体中的空位、间隙原子、晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。杂质原子都是点缺陷。钢的化学热处理就是依靠原子的扩散来完成的。2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响 2.线缺陷线缺陷 线缺陷是晶格中的各种位错。所谓“位错”，是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。位错的种类很多，常见的类型有两种，即刃型位错和螺型位错，2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响2.线缺陷线缺陷刃型位错示意图2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响2.线缺陷线缺陷螺型位错示意图2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响3.面缺陷面缺陷主要是指
7、晶界和亚晶界，晶界的过渡结构示意图亚晶界的面缺陷示意图 实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能力较强。除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不规则，也存在着晶格畸变。凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和力学性能发生显著的变化。晶体缺陷对晶体性能的影响晶体缺陷对晶体性能的影响点缺陷点缺
8、陷点缺陷周围晶格发生畸变，材料的点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。阻增加。线缺陷线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。强度的变化与位错密度有关。面缺陷面缺陷晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。氧化，耐腐蚀性能降低。细晶强化细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。法称为
9、细晶强化。凝固与结晶的关系凝固与结晶的关系 凝固：液体转变为固态凝固：液体转变为固态 结晶：液态转变为具有晶体结构的固态结晶：液态转变为具有晶体结构的固态 关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式 特征：恒温点完成特征：恒温点完成2.4 金属的结晶2.4 金属的结晶 液态金属的结构特点 对液态金属进行X射线分析表明，液态金属原子总体看来呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时聚时散的原子团，液态金属的这种结构特征称为“短程有序”。而固态金属是晶体，其内部原子在很长距离内呈规则排列，并以一定的平横位置为中心不停地作热振动。固态金属的这种结构特征称为“长程有序”。
10、2.4 金属的结晶过冷现象与过冷度1.凝固过程的测定 热分析法测定冷却曲线 原理：利用凝固过程的热效应热分析装置示意图纯金属的冷却曲线2.纯金属凝固冷却曲线2.4 金属的结晶过冷现象：过冷现象：实际开始结晶温度（实际开始结晶温度（TN）总是低于理论结晶温度（）总是低于理论结晶温度（TO）过冷度：过冷度：T=T=TO TNT T随随V V冷却而变：冷却而变：V V冷却冷却，T T 当当V V冷却及其缓慢时，冷却及其缓慢时，TN TO，TO 为熔化与结晶的平衡点为熔化与结晶的平衡点 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶体核金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶
11、体核心心(简称简称生核生核)和晶核进行长大和晶核进行长大(简称为简称为核长大核长大)。1.1.两种形核方式两种形核方式 均匀形核均匀形核：晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形：晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。成，不受杂质粒子或外表面的影响。非均匀形核非均匀形核：晶核依附于固态杂质或模壁上形成。这是金属：晶核依附于固态杂质或模壁上形成。这是金属凝固过程中主要形核方式。凝固过程中主要形核方式。金属的结晶过程示意图结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成微小的微小的晶核
12、晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方式长大，当成长的，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方式长大，当成长的枝晶枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属相互接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最后形成了许多小晶粒。液全部凝固为止，最后形成了许多小晶粒。二、晶粒大小对金属力学性能的影响 晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响，一般情况下，细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、强度、塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。人们常用细化晶粒的方法来改善金属的力学性能。常用的细化晶粒的方法有以下几种：晶粒平均直径晶粒平均直径/
13、mm b/MPa s /MPa /%单晶体单晶体14015030403050多晶体多晶体7.018038312.521144400.226357490.1626465510.127811650bs.增加过冷度 如图2-14所示，金属的形核率和长大速度均随过冷度而变化，但两者变化速率并不相同，当过冷度达到一定值后，形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度就越大，金属结晶后其晶粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造改为金属模铸造，就是利用这个道理来细化晶粒的。这种方法只适用于中、小型铸件。对于大型铸件，提高冷却速度又容易使铸件产生裂纹或变形等
14、缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。图图2-14 形核率和长大形核率和长大速度速度 2.变质处理 变质处理，也叫孕育处理，就是在液态金属中加入一定的变质剂(或叫孕育剂)，使其分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒数目显著增加，或者抑制晶核的长大速度，从而细化晶粒的方法。.振动处理 在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。1 1金属材料都是晶体，主要有体心立方、面金属材料都是晶体，主要有体心立方、面心立方、密排六方等三种晶体结构。心立方、密排六方等三种晶体结构。2 2金属结晶的必要条件是过冷。金属结晶的必要条件是过冷。3 3实际金属是多晶体。存在着各种晶体缺陷，实际金属是多晶体。存在着各种晶体缺陷，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷。包括点缺陷、线缺陷、面缺陷。4 4晶体缺陷是金属强度的影响因素，工程金晶体缺陷是金属强度的影响因素，工程金属的强化方法靠增加晶体缺陷实现的。属的强化方法靠增加晶体缺陷实现的。5 5固溶强化、细晶粒强化是强化金属材料的固溶强化、细晶粒强化是强化金属材料的重要措施之一。重要措施之一。6 6金属的同素异构转变过程。金属的同素异构转变过程。小结
