最新工程材料金属的晶体结构和结晶

1、22:46:11金属的晶体结构和结晶22:46:11l对材料的认识：对材料的认识： 宏观（表现）；微观（纳，微米）宏观（表现）；微观（纳，微米）l微观认识。微观认识。 如：晶体结构（上海光源视频如：晶体结构（上海光源视频）22:46:11l18631863年，年，光学显微镜光学显微镜首次应用首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜pb-sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的人类对材料的认识是逐步深入的22:46:11si表

2、面的重构图象表面的重构图象x-射线衍射仪射线衍射仪22:46:11结构：材料中各原子结构：材料中各原子的具体组合状态。的具体组合状态。一般通过一般通过x-射线衍射线衍射射或透射电镜研究。或透射电镜研究。al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的x-射线衍射谱射线衍射谱22:46:11透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下22:46:12l1934年年位错理论位错理论的提的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度与实验测得的实际强度之间存在的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料

3、的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错22:46:12第一节 金属的晶体结构l一、什么（非）晶体一、什么（非）晶体？1 1、晶体。、晶体。 如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2 2、非晶体。、非晶体。 如玻璃、沥青等。如玻璃、沥青等。 金属的结构金属的结构晶晶 态态非晶态非晶态22:46:12l二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞 空间规则排列的原子空间规则排列的原子刚球模型刚球模型 晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间

4、格架） 晶胞（具有周期性最小组成单元）晶胞（具有周期性最小组成单元）22:46:12l晶格常数晶格常数：晶胞个边：晶胞个边的尺寸的尺寸 a、b、c；棱；棱间的夹角用间的夹角用 、 、 表表示。示。22:46:12 1. 22:46:1222:46:12l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -fe、cr、w、mo、v、nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：22:46:1222:46:1222:46:12 a42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致

5、密度：0.74常见金属：常见金属： -fe、ni、al、cu、pb、au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格22:46:1222:46:1222:46:12a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： mg、zn、 be、cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格22:46:12 实际晶体实际晶体：理想晶体：理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷 晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。按空间

6、尺寸分为三种：陷。按空间尺寸分为三种： 1 1 点缺陷。主要是空位、置换原子、间隙原子。点缺陷。主要是空位、置换原子、间隙原子。 2 2 线缺陷。主要是位错。线缺陷。主要是位错。 3 3 面缺陷：主要是晶界和亚晶界面缺陷：主要是晶界和亚晶界22:46:121点缺陷。点缺陷。主要是空位、置换原子、间隙原子。主要是空位、置换原子、间隙原子。空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子 点缺陷与性能：点缺陷与性能： 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、

7、韧性下降。性下降。22:46:12 2线缺陷。线缺陷。主要是位错。主要是位错。位错对性能的影响：位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。途径。22:46:12电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)22:46:13l3、面缺陷。、面缺陷。主要是晶界与亚晶界主要是晶界与亚晶界l晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，个原子间距，位向差一般为位向差一般为2040。l亚晶界亚晶界亚晶粒之间的交界

8、面亚晶粒之间的交界面。亚晶粒。亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界22:46:13l晶界与性能：晶界与性能：（1） 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，外易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。来原子易在晶界偏聚。（2） 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部，是强化部位，因而实际使用的金属力求位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。获得细晶粒。显微组织的显示显微组织的显示22:46:13l实际金属晶体结构分类实际金属

9、晶体结构分类 单晶体：单晶体：内部晶格位向完全一致，各内部晶格位向完全一致，各向同性。向同性。 多晶体：多晶体：由许多位向各不相同的单晶由许多位向各不相同的单晶体块组，各向异性。体块组，各向异性。 实际金属实际金属多晶体多晶体 伪各向同性伪各向同性纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图22:46:13l一、结晶概念一、结晶概念（凝固和结晶区别？） 凝固：凝固： l（液态）s（固态） ， s可以是非晶体 结晶：结晶： 一次结晶：ls晶态 二次结晶：ss晶态 近程有序结构近程有序结构结晶结晶远程有序结构远程有序结构22:46:13二、冷却曲线和过冷现象（宏观）二、冷却曲线和过冷现象（宏观）l冷却曲线

10、：冷却曲线：曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。l过冷现象：过冷现象：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。l过冷度过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差t t= t0 t1 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线22:46:131 1、结晶的基本过程、结晶的基本过程 结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和长大长大两个基本过程组成。两个基本过程组成。 22:46:132 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，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。22:46:13四、金属晶粒的大小及影响因素四、金属晶粒的大小及影响因素 1.晶粒度晶粒度22:46

11、:142.2.晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对力学性能的影响 金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好？金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好？ 22:46:14 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。 n/g比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。过冷度 t，n，gn/g增大，细化晶粒。增大，细化晶粒。3.控制晶粒度的因素控制晶粒度的因素提高过冷度提高过冷度22:46:14变质处理变质处理又又称孕育处理称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而 细化晶粒的方法。细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫所加入的非均匀形核物质叫 变质剂变质剂（或（或称孕育剂称孕育剂）。）。振动，搅拌等振动，搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可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，另一方面也可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可 使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。22:46:141394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - fe - fe - fe22:46:14l纯铁的纯铁的同素异晶同素异晶( allomorph )