第二章晶体结构与结晶

1、第一节第一节 金属晶体结构金属晶体结构 o 晶体： 原子（离子）按一定几何形状，作 有规律的重复排形成的物质。 金刚石，硅酸盐 非晶体： 原子无规则堆聚，形成的物质。 玻璃，松香第二章第二章 晶体结构与结晶晶体结构与结晶 为便于分析晶体中原子排列规律及几何形状的几个概念：晶格： 把原子假想为几何点，用直线由中心联结形成的空间格子（是人为假设）用来表示晶体中原子的排列状态的。 o 晶面：晶格中各种方位的原子面。o 晶向：晶格中由结点（原子）连成的任一 直线（方向）。o 晶胞：重复堆砌形成晶格的最基本单元 晶格常数： 晶胞的各边边 长 a、b、 c 各边之间的夹角、晶体晶格类形、常数不同，则物理

2、化学及机械性能不同二、常见金属的晶格类型二、常见金属的晶格类型： 金属原子接合力强，有密排倾向，晶格有对称性、几何形状。 非金属晶体，复杂、对称性低的晶格。 金属晶格种类只有三种形式： 体心立方、面心立方、密排六方晶格。 体心立方晶格体心立方晶格 由八个原子构成立方格，格中心有一个原子，则晶格上共9个原子的晶格。 面心立方晶格：面心立方晶格： 由八个原子构成立方格， 在六个表面中心再各有一个原子的晶格。 如 ： 9 1 2 1394以下的纯铁；铜 ，铝 ，镍 CulAiN 密排六方晶格： 如此排列的金属铍 镁 锌 。 eBgMnZ三、单晶体的各向异性性：三、单晶体的各向异性性： 各向异性性各向

3、异性性： 晶面、晶向上原子排列密度不同，表现出性能不同的现象。 单晶体单晶体 ： 结晶方位完全一致的晶体。单晶体具有各向异性。在各方向的物、化，机械性能不同。铁的单晶体示意图铁的单晶体示意图第二节第二节 实际金属结构实际金属结构 一、实际金属的多晶体结构一、实际金属的多晶体结构 由许多小晶粒构成，每个小晶粒内晶格方位一致，无各向异性性，实际金属材料几乎均为多晶结构，而非单晶体o 显微组织：显微组织： 显微镜下观察到晶粒的形态、大小、分布情况，叫做“显显微组织微组织”。 晶界：晶界： 相邻小晶体（晶粒）不同晶格方位的过渡区，晶界上原子排列“紊乱”。 晶粒：晶粒：具有不规则颗粒状外形的小晶体。钢铁

4、晶粒尺寸一般为 mm。311010 二、晶格缺陷：二、晶格缺陷： 金属晶体中存在各种晶格缺陷（并不全似图中所示），晶格缺陷使晶体中某些原子偏离正常位置，造成晶格畸变晶格畸变。 晶格缺陷分为晶格缺陷分为： 点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。 o 点缺陷：点缺陷： 晶格空位、置换原子、间隙原子三种。o 产生原因原因：分子热运动形成间隙原子引起。 使原子发生靠拢或撑开，使位置、排列变化，引起晶格畸变晶格畸变。o 线缺陷：线缺陷： 晶体中呈线状分布的缺陷，具体形式为各种“位错”，如图示的“刃型位错”。实际金属中存在大量位错。o 面缺陷：面缺陷： 指金属中的晶界晶界、亚晶界亚晶界。 o 晶界：晶界： 相邻两晶

5、粒间，不同方位晶格的过渡区（晶体中晶粒位向差 在 之间）时的过渡 区。004030 亚晶界：亚晶界： 同一晶粒内部晶格方位的过渡区（一般几十分到 时）的过渡区。o 亚晶粒：亚晶粒： 同一晶粒内部被亚晶界隔开的小晶块。0021o 晶界、亚晶界的存在存在，即面缺陷的存在，必将引起晶粒、亚晶粒内部晶格畸变。o 所有这些缺陷，引起晶格畸变晶格畸变，对金属的机械，物理和化学性能产生显著影响这是研究缺陷的原因之一。 第四节第四节 金属的结晶金属的结晶 金属材料一般都是由矿石熔炼熔炼、浇铸浇铸成锭成锭、成形后，再经冷、热加工成材来使用的。 结晶结晶形成的组织，对材料内部的组织和性能的形成很重要。 一、结晶的

6、概念：一、结晶的概念：o 结晶结晶： 金属由液态原子不规则的排列，向固态有规则的排列，形成晶体的转变过程 结晶过程。结晶过程可用冷却曲线表示。 冷却曲线： 是在金属的结晶过程中，用热分析（平衡）热分析（平衡）法法测得金属结晶过程中，结晶温度随时间变化的数据而形成的曲线。 纯金属的结晶过程（冷却曲线）。曲线1： 理论冷却曲线 以上液体金属 液体金属开始结晶，结晶是在恒温下恒温下进行。 结晶终止，固体金属的温度下降至室温。 0T0T曲线2： 实际冷却曲线 实际结晶过程是温度降至 “实际结晶” 过冷度： 1T10TTT 过冷度大小取决于液体金属的性质、纯度及冷却速度。金属总是在过冷的情况下结晶总是在

7、过冷的情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。 一、金属的结晶过程：一、金属的结晶过程： 1、金属结晶过程： 原子无序热运动，无严格的排列规则。 生核晶核。 原有核长大，再生核。 继续全部结晶。 2、结晶时，晶核沿各向长大速度不同形成 “枝晶”，按枝晶长大。二、影响生核与长大的因素：二、影响生核与长大的因素： 金属结晶过程始于生核终于晶核长大。 结晶晶粒的大小与形核形核率率N、长大速度G有关。 影响形核率N，长大速度G的主要因素因素为过冷度、难熔杂质。 （一）过冷度的影响：（一）过冷度的影响： 过冷度K点前，GN得粗 大颗粒结晶。 过冷度K点后， GN得细 密颗粒。 适当控制过冷度即采用不同的

8、冷却速度，得不同晶粒度的材料。过快冷却会引起铸件内铸造应力增大，产生铸件缺陷 （二）难熔杂质的影响：（二）难熔杂质的影响： 难熔（高熔点）添加剂即杂质， 形核率形核率大大提高，细化晶粒。 “变质处理变质处理”： 向液态金属中加入晶体结构与结晶金属“相似”的难熔添加剂，获得细化晶粒方法。四、四、 金属的同素异构性金属的同素异构性 有些金属结晶后并不只不只具有一种晶体结构，可根据温度的变化，具有不同类型的晶体结构。 同素异构转变：同素异构转变： 金属晶体结构，随温度变化而转变的现象。 如纯铁的同素异构转变（见图221）： 1394 转变为 912 转变为 可逆转。 遵循结晶过程的生核长大规律 是一种固态结晶过程。eF 0CeF eF 0C一、金属铸