1、第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 教学内容教学内容 -金属及其合金的结构与结晶金属及其合金的结构与结晶教学要求教学要求 -掌握金属材料的晶体结构和金属的三掌握金属材料的晶体结构和金属的三种典型晶格结构。种典型晶格结构。-掌握纯金属和合金的结晶掌握纯金属和合金的结晶 重点重点 -晶体结构基本概念、金属的三种典型晶体结构基本概念、金属的三种典型晶体结构晶体结构 难点难点 -相图建立和典型相图分析相图建立和典型相图分析 -合金的一些基本概念的掌握合金的一些基本概念的掌握2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体概念一、晶体概念1.1.晶体与非晶体晶体与非晶体*晶体晶体
2、：材料的原子（离子、分子）在三维空间：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。金属等。*非晶体非晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空：材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等晶体特点晶体特点 天然规则外形天然规则外形 各向异性各向异性同一性能在不同方向测同一性能在不同方向测试，结果不同试，结果不同 具有一定熔点具有一定熔点非晶体特点非晶体特点 一般没有天然规则外形一般没有天然规则外形 各向同性各向同性同一性能在不同方向测试，同一性能在不
3、同方向测试，结果相同结果相同 没有一定熔点没有一定熔点晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞晶格晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空直线所形成的空 间格架。间格架。晶格常数晶格常数晶胞的三个棱边的长度晶胞的三个棱边的长度a,b,ca,b,c晶胞晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。能反映晶格特征的最小组成单元。晶体结构晶体结构晶体中原子（离子或分子）晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式规则排列的方式.二、二、常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构 体心立方晶格体心立方晶格（BCCBCC Body-Centered Cube Body-Centered C
4、ube）有：钼（有：钼（MoMo）、钨、钒、铬、铌、）、钨、钒、铬、铌、-Fe-Fe等等CrCr、-Fe-Fe、-Fe-Fe等等 面心立方晶格面心立方晶格（FCCFCC Face-Centered Cube Face-Centered Cube）面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、金、银、金、银、-Fe-Fe等。密排六方晶胞密排六方晶胞（HCP HCP Hexagonal Hexagonal Close-Packed Close-Packed）密排六方晶格金属有：镁、镉（密排六方晶格金属有：镁、镉（CdCd）、）、锌、铍（锌、铍（BeBe）等。）等。三、单晶体的各向
5、异性三、单晶体的各向异性 在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶面晶向上的各种性能也不同，这种现象称为面晶向上的各种性能也不同，这种现象称为“各向异性各向异性”。晶体内部的晶格位向（即原子排晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体列方向）完全一致的晶体单晶体单晶体。第二节第二节 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构 实际使用的金属材料是由许多小晶体实际使用的金属材料是由许多小晶体组成的。由许多小晶体组成的晶体称为组成的。由许多小晶体组成的晶体称
6、为多晶体多晶体。在多晶体中，一般不显示各向异性。在多晶体中，一般不显示各向异性。晶界晶界晶粒晶粒 多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，一般在显微镜下才能看到。在显方法有关，一般在显微镜下才能看到。在显微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，称为显微组织。情况，称为显微组织。晶粒大小对材料的性能影响很大，在晶粒大小对材料的性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性愈好。韧性愈好。二、晶体缺陷二、晶体缺陷 实际使用的金属，某些区域的原子规实际使用的金属，某些
7、区域的原子规律排列受到破坏，这种区域称为律排列受到破坏，这种区域称为晶体晶体缺陷缺陷。（一）点缺陷（一）点缺陷三维尺度上都很小，三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。不超过几个原子直径的缺陷。空位空位 间隙原子间隙原子 置换原子置换原子 点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开，点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。造成晶格畸变。点缺陷的形成主要是由于原子在各自平点缺陷的形成主要是由于原子在各自平衡位置上做不停的热运动的结果。衡位置上做不停的热运动的结果。（二）线缺陷（二）线缺陷二维尺度很小而第三维二维尺度很小而第三维 尺度很大的缺陷。尺度很大的缺陷。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错位错
8、线周围的晶位错线周围的晶格发生了畸变。格发生了畸变。实际金属晶粒内实际金属晶粒内存在着大量的位错，存在着大量的位错，晶体中的位错密度以晶体中的位错密度以单位体积中位错线的单位体积中位错线的总长度来表示总长度来表示。（3 3）面缺陷）面缺陷二维尺度很大而第三维尺二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。度很小的缺陷。晶界晶界 亚晶界亚晶界 亚晶界亚晶界 金属晶体缺陷的影响金属晶体缺陷的影响 点缺陷点缺陷-造成局部晶格畸变造成局部晶格畸变,使金属的电阻率使金属的电阻率;屈服强度增加屈服强度增加,密度发生变化。密度发生变化。线缺陷线缺陷-形成位错对金属的机械性能影响很大，形成位错对金属的机械性能影响很大，
9、位错极少时位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。金属强度也会提高。面缺陷面缺陷-晶界和亚晶界越多，晶粒越细，晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属强度越高，金属塑性变形的能力越大，金属塑性变形的能力越大，塑性越好。塑性越好。n物质由液态转变为固态的物质由液态转变为固态的过程称为凝固。过程称为凝固。n物质由液态转变为晶态的物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。过程称为结晶。n物质由一个相转变为另一物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。而结晶过程是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶2.3 2.3
10、 金属的结晶金属的结晶n最常用的是最常用的是热分析法热分析法。一、结晶的概念一、结晶的概念结晶结晶金属由液态变为固金属由液态变为固态晶体的过程。态晶体的过程。T1 实际结晶温度实际结晶温度T0 理论结晶温度理论结晶温度 实践证明，实践证明，金属都是在一定的过冷度金属都是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。件。过冷过冷实际结晶温度低于理论结晶温度的实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。现象。过冷度：过冷度：T TT T0 0T T1 1冷速冷速，T T1 1 TT，结晶能力，结晶能力雾凇雾凇二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l结晶由结晶由晶
11、核的形成晶核的形成和和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.T TT T0 0 时时 晶核晶核 长大长大吸附吸附周围原子周围原子同同 时时新晶核新晶核 长大长大同同 时时 n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.n这是由于存在负温度梯度，且晶核棱这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴一次轴，一次轴又会产生二次轴，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树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察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
12、枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶三、影响生核与长大的因素三、影响生核与长大的因素控制结晶过程控制结晶过程形核率形核率NN长大速度长大速度 GG 细化晶粒细化晶粒(一一)过冷度的影响过冷度的影响 金金属结晶时，形核率和长大速属结晶时，形核率和长大速度都决定于过冷度。在一般的液体度都决定于过冷度。在一般的液体金属的过冷范围内，过冷度愈大，金属的过冷范围内，过冷度愈大，形核率愈高，则长大速度相对较小，形核率愈高，则长大速度相对较小，金属凝固后得到的晶粒就愈细；当金属凝固后得到的晶粒就愈细；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗大。大。n形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。形核有两
13、种方式，即均匀形核和非均匀形核。n由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。n以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图（二）难熔杂质的影响（二）难熔杂质的影响 所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。核率。（三）晶粒大小及控制（
14、三）晶粒大小及控制（1 1）晶粒度的概念）晶粒度的概念 晶粒度晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的平均线长度（或直径）表示。平均线长度（或直径）表示。影响晶粒度的主要因素是影响晶粒度的主要因素是形核率形核率和和长大速度长大速度。-N N愈大，结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。愈大，结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。-若若N N不变，晶粒的不变，晶粒的G G愈小，则结晶所需的时间愈长，愈小，则结晶所需的时间愈长，能生产的核心愈多，晶粒就愈细。能生产的核心愈多，晶粒就愈
15、细。l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过通过100100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。来评级。（2 2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制增加过冷度增加过冷度 冷速冷速TT结晶能力结晶能力形核数形核数变质处理变质处理 难熔颗粒难熔颗粒 充当晶核充当晶核 阻止晶核长大阻止晶核长大振动处理振动处理 振动振动 大晶核破裂大晶核破裂 细小晶核细小晶核气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)Al-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷未变质未变
16、质变质变质铸铁变质处理前铸铁变质处理前后的组织后的组织变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后变质处理使组织变质处理使组织细化。变质剂为细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。硅铁或硅钙合金。晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响n常温下，晶粒越细，晶界面积常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。即细晶强化。n高温下，晶界呈粘滞状态，在高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒生
17、应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。过大、过小都不好。晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系单晶叶片单晶叶片s=i+Kd-1/2四、金属的同素异构性四、金属的同素异构性纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l物质在固态下晶体结构物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称随温度变化的现象称同同素素异构转变异构转变。同素异晶。同素异晶转变属于相变之一转变属于相变之一固固态相变。态相变。l例如铁、钴、锡、锰等。例如铁、钴、锡、锰等。L -Fe -Fe -FeL -Fe -Fe -Fe15381394912体心体心立方立方体心体心立方立方面心面心立方立方-Fe-Fe 金属的同素异构转变是通过原子的金属的同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。晶过程。遵循液态金属结晶的一般规律：遵循液态金属结晶的一般规律：-有一定的转变温度有一定的转变温度-转变时需要过冷转变时需要过冷-有潜热释放有潜热释放-转变过程也是通过形核和晶核长大完转变过程也是通过形核和晶核长大完成的。成的。
