第2章 常见金属的晶体结构与结晶

1、第第2章章 常见金属的晶体结构与结晶常见金属的晶体结构与结晶2.1 金属的晶体结构2.2 纯金属的结晶 2.3 合金的相结构及二元合金相图 2.4 合金性能与相图的关系 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.1.1 晶体与非晶体晶体与非晶体 固体物质按其内部原子或分子排列方式的不同，可分为晶体和非晶体两大类。晶体是指材料内部的原子或分子按一定规律规则排列的物质，如金刚石、水晶、氯化钠等。晶体具有固定的熔点或凝固点，具有各向异性。非晶体是指材料内部的原子或分子无规则地堆积在一起的物质，如沥青、松香、玻璃等。非晶体没有固定的熔点或凝固点，表现出各向同性。 2.1 金属的晶体结构 第2章 常见金属的晶

2、体结构与结晶2.1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 1.晶体结构 （1）晶格晶格：抽象的、用来描述原子在晶体中排布规律的空间格架。节点：晶格中直线的交点。晶格的结点为金属原子(或离子)振动平衡中心的位置。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）晶胞 晶胞：晶格中能完全反映该晶格特征的最小几何单元。晶胞在三维空间作周期性重复排列即构成晶格。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（3）晶格常数晶格常数：晶胞中各棱边的长度。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条 、 等六个参数来描述。 当晶格常数a=b=c，且棱边夹角=90时，这种晶胞称为简单立方晶胞，具有简单立方晶胞的晶格称为简单立方

3、晶格。金属的晶格常数一般为(17)10-10m。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（4）晶面和晶向 晶面：晶体中通过原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线所代表的晶格空间的方向。在同一晶格的不同晶面和晶向上，原子排列的密度不同，使得原子结合力不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，使晶体具有各向异性。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.常见的金属晶体结构 （1）体心立方晶格 晶胞中，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，原子在立方体对角线上紧密排列。一个体心立方晶胞所含的原子数为：2个。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）面心立方晶格 晶胞中，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一

4、个原子，原子在每个面对角线上紧密排列。 一个面心立方晶胞所含的原子数为：4个。第2章 常见金属的晶体结构与结晶（3）密排六方晶格晶格常数用正六边形的边长a和柱体的高c来表示，且c/a=1.633，两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。一个密排六方晶胞所含的原子数为：6个。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.1.3 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 晶体内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。实际使用的金属材料都是由许许多多的小晶体组成的，称为多晶体。 这种外形不规则的颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由于各晶粒的位向是任意的，其性能是位向不同晶粒的

5、平均值，表现出各向同性的特点，这种现象称为“伪各向同性”。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶1.点缺陷 点缺陷是指在空间三维尺寸上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。 （1）空位 在晶体的晶格中, 某些结点未被原子占有，这种空缺的位置称为空位。 （2）间隙原子位于晶格间隙之中的多余原子称为间隙原子。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（3）置换原子金属中的异类原子占据了晶格中的节点位置，代替了金属原来的原子，则这种异类原子称为置换原子。 由于点缺陷的存在，使其周围的原子偏离了原来的平衡位置，晶格发生变形，这种现象称为晶格畸变，对于金属强化起着重要作用。晶格中的空位和间隙原子总是处于不停的运动和变

6、化之中，是金属中原子扩散的主要方式之一。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.线缺陷线缺陷是指空间两维尺寸都很小而第三维尺寸很大的缺陷。主要是指在晶体中某部位出现一列或数列原子发生有规律的错排现象，这种现象称为位错。晶体中的位错主要有刃型位错和螺型位错两种。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（1）刃型位错 在晶体ABC晶面的E点以上，多出一个垂直方向的原子面，使得晶体上下两部分产生错排现象，这个多余的原子面犹如刀刃一样插入晶体，在刃口EF附近形成缺陷，称为刃型位错，EF线称为刃型位错线。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）螺型位错 在晶体ABCD晶面上，左右两部分的原子排列上下错动了一个原

7、子的距离，使不吻合的过渡区域（BC线附近区域）的原子排列呈螺旋状，故称螺型位错，BC线称为螺型位错线。 位错的存在使得其附近区域产生严重的晶格畸变，是强化金属的重要方式之一，位错的运动及其密度的变化对金属的性能、塑性变形过程等都起重要作用。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶3.面缺陷 面缺陷是指在空间两维方向上尺寸都很大而第三维尺寸很小的呈面状分布的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要是指晶界和亚晶界。 （1）晶界实际金属为多晶体，相邻晶粒之间的晶格位向是不同的，位向差一般大于1015，称为大角度晶界。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）亚晶界 一般晶粒内部也是由许多位向相差很小的亚晶粒组成的。亚

8、晶粒之间的边界称为亚晶界。 由于晶界和亚晶界处的原子排列极不规则，晶格畸变程度很大，而且位错密度很高，在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用，使得晶界处具有较高的强度和硬度。 晶粒越细，晶界和亚晶界越多，金属强度和硬度就越高。细化晶粒是强化金属的一个重要手段。第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.2 纯金属的结晶 金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。2.2.1 纯金属的冷却曲线和过冷度纯金属的冷却曲线和过冷度 冷却曲线是纯金属的结晶时温度与时间的关系曲线，通常用热分析法进行测量。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶纯金属在冷却速度极其缓慢的条件下测得的结晶温度称为理论结晶温度(T0)。金属的实际结

9、晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用 T表示，即T= T0- T1。 过冷度与冷却速度有关。金属结晶时，冷却速度越快，过冷度就越大，其实际结晶温度也就越低。第2章 常见金属的晶体结构与结晶金属结晶之所以要在一定过冷度下进行，是由液相和固相的自由能差决定的。只有在过冷的条件下，固相自由能才小于液相自由能，液相才能自发地向固相转变，即开始结晶。过冷度T越大，液相与固相的自由能差E也越大，结晶的推动力就越大。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.2.2 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程1.晶核的形成 金属结晶时，首先由液态金属内部生成一些极细小晶

10、体作为结晶的核心，这些细小晶体称为晶核。 （1）自发形核当温度降到结晶温度以下时，液态金属中的短程有序原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心，这一过程称为自发形核。由液态金属内部自发形成的晶核称为自发晶核。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）非自发形核实际金属中往往含有许多杂质，当液态金属降到一定温度后，这些固态的杂质质点可附着金属原子，成为结晶核心，这一过程称为非自发形核。依附于杂质而形成的晶核称为非自发晶核。 在液态金属中，自发形核和非自发形核是同时存在的，但实际金属结晶时往往以非自发形核为主，它起着优先和主导作用。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.晶核的长大晶核的长大的实质就是

11、原子由液体向固体表面的转移。（1）平面长大 当过冷度很小或在平衡状态时，金属晶体以其结晶表面向前平行推移的方式长大。在长大过程中，晶体一直保持着规则的形状，直到与其他晶体接触后，规则的外形才被破坏。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）树枝状长大 当过冷度较大，尤其是液态金属中存在非自发形核时，金属晶体常以树枝状的形式长大。在晶核长大的初期，晶体的外形是较为规则的。但随着晶体的继续长大，晶体的棱角和棱边由于散热条件优越而优先生长，成为伸入到液体中的晶枝。结晶后得到的是树枝状的晶体，称为枝晶。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.2.3 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响

12、金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小对金属力学性能有很大的影响。晶粒大小通常用单位截面积上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。一般来说，晶粒越细小，则金属的强度越高，同时塑性和韧性也越好。细化晶粒可以提高金属的力学性能，这种方法称为细晶强化。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.2.4 影响晶粒大小的因素及晶粒大小的控制影响晶粒大小的因素及晶粒大小的控制 1.影响晶粒大小的因素金属结晶后的晶粒大小主要取决于形核速率和长大速率。形核率是指单位时间内在单位体积液态金属中产生的晶核数，长大率是指单位时间内晶核长大的线速度。形核率越大，单位体积中所生成的晶核数目越多，晶粒就越细小；若形核率一定，

13、长大率越小，则结晶时间越长，生成的晶核越多，晶粒也越细小。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.晶粒大小的控制 （1）增大金属的过冷度 当过冷度较小时，形核率增加速度小于长大率；随着过冷度的增大，形核率比长大率增大得更快，使晶粒细化；当过冷度过大或温度过低时，形核率和长大率反而下降。 增大过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）变质处理 在浇注前向液体金属中加入某些物质，形成大量分散的固体质点，增加非自发晶核的数量，使晶粒得到细化。加入的物质称为变质剂，如向铸铁液中加入的硅铁、硅钙、硅钙钡合金。 （3）振动或搅拌采用机械振动、超声波振动或电磁搅拌等方法

14、，促使液态金属剧烈运动，造成正在生长中的较大的树枝状晶体折断、破碎，破碎的晶枝又成为新的晶核，增大了形核率，使晶粒细化。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.3 合金的相结构及二元合金相图 2.3.1 合金的相结构合金的相结构 1. 合金的基本概念 （1）合金 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素，通过熔化或其他方法结合在一起的具有金属特性的物质。（2）组元 组成合金的最基本的独立的物质叫做组元。组元可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（3）合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，称为合

15、金系。 （4）相 合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并有界面与其它部分分开的均匀组成部分称为相。 （5）组织 通过肉眼、放大镜或显微镜等所观察到的材料内部的微观形貌图象称为组织。用肉眼或放大镜观察到的组织称为宏观组织，在光学或电子显微镜下观察到的组织称为显微组织。（6）结构 晶体中原子的排列方式称为结构。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2. 合金的相结构 合金的相结构是指合金组织中相的晶体结构。 （1）固溶体 在固态下合金组元之间相互溶解形成的均匀的相称为固溶体。固溶体是单相，其晶格类型与其中某一组元相同，该组元称为溶剂，另一组元称为溶质。 按溶质原子在溶剂晶格中存在的位置不同，固溶体可分

16、为置换固溶体和间隙固溶体两类。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶 置换固溶体 溶质原子代替了部分溶剂原子而占据了溶剂晶格某些结点位置的固溶体。 按溶质原子在溶剂中的溶解度不同，置换固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。 形成置换固溶体时，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者在周期表中的相互位置、晶格类型和原子半径差。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶 间隙固溶体 是溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙内形成的固溶体。 随着溶质原子的溶入，晶格将发生畸变，增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而提高固溶体的强度和硬度。这种通过溶入溶质原子，使固溶体的强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 第2章

17、常见金属的晶体结构与结晶（2）金属化合物 合金组元相互作用形成的具有金属特性的新相称为金属化合物。一般可用分子式来表示。 当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度和耐磨性提高，而对塑性和韧性影响不大，这一现象称为弥散强化。 正常价化合物 指严格遵守原子化合价规律的化合物，如Mg2Sn、Mg2Si、ZnS等。 电子价化合物 指不遵守一般的化合价规律，但按一定电子浓度化合的化合物，如CuZn、FeAl、Cu5Zn8、CuZn3等。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶 间隙化合物指由原子直径较大的过渡族金属元素和原子直径较小的非金属元素形成的化合物，如VC、WC、Fe3C、

18、Cr7C3、Cr23C6等。 Fe3C是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，通常称为渗碳体。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.3.2 二元合金相图二元合金相图 合金相图是表示合金系在平衡条件下合金的成分、温度与合金状态之间关系的图解，也称为平衡图或状态图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶用热分析法建立铜镍合金相图的步骤：（1）配制一系列不同成分的铜镍合金； （2）用热分析法分别测定各成分合金的冷却曲线；

19、 （3）根据冷却曲线上的转折点或平台温度，确定各合金的相变点；（4）将各成分合金的相变点分别标注在成分-温度的坐标图中，并连接意义相同的相变点，得到铜镍二元合金相图。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.3.3 二元合金相图的基本类型二元合金相图的基本类型 1. 匀晶相图 合金的两组元在液态和固态均能无限互溶的合金相图称为匀晶相图。 具有这类相图的二元合金系主要有Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni等。这类合金结晶时，都会由液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（1）相图分析 A点为纯铜熔点(1083)，B点为纯镍熔点(1452)。ACB线

20、为合金开始结晶的温度线，称为液相线；ADB线为合金结晶终了的温度线，称为固相线。液相线以上为液相区，用L表示；固相线以下为固相区，合金全部形成均匀的单相固溶体，用表示；液相线与固相线之间为液相与固相共存的区域，称为两相区，用（L+）表示。第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）合金的结晶过程 以wNi=60%的铜镍合金为例进行分析： 在t1温度时，开始从成分为L1(wNi=60%)的液相中结晶出的是成分为1的固溶体；温度降至t2时，通过原子扩散，固溶体的成分沿固相线变化为2，液相的成分则沿液相线变化为L2；温度进一步降至t3时，结晶终了，全部转变为成分与原合金相同的3(wNi=60%)的固溶体。

21、 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（3）晶内偏析 在实际生产中，由于冷却速度较快，原子来不及充分扩散，使晶粒内部产生化学成分不均匀的现象，称为晶内偏析；由于晶粒通常是以树枝状方式长大的，故又称枝晶偏析。 在铜镍合金的实际结晶过程中，先结晶的树枝状晶轴含高熔点的镍较多，而后结晶的分枝及枝间部分则含低熔点的铜较多，造成晶粒内呈现出心部镍含量较多，表层镍含量较少。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶2.共晶相图 合金的两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，且在结晶过程中发生共晶转变所形成的相图，称为共晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。这类合金结晶

22、时，在一定温度(共晶温度)下，从具有一定成分的液相中同时结晶出两种不同的固相，这种结晶过程称为共晶转变或共晶反应。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（1）相图分析 A点为纯铅熔点，B点为纯锡熔点；C点为共晶点，其成分为wSn=61.9%，温度为183。 具有共晶成分的液态合金在共晶温度(183)将发生共晶转变，同时结晶出E点成分的相和F点成分的相。 183 LC E+ F 共晶转变产物为两个固相的机械混合物，称为共晶体。第2章 常见金属的晶体结构与结晶ACB线为液相线，AECFB线为固相线；ED线为锡在铅中的固溶线，FG线为铅在锡中的固溶线。水平线ECF为共晶转变线，成分在EF范围内的合金平衡

23、结晶时都会发生共晶反应。合金系有L、和三个相，L为铅锡合金形成的液相，相为锡溶于铅中的固溶体，相为铅溶于锡中的固溶体。相图中有L、和三个单相区，(L+)、(L+) 、(+)三个双相区。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶（2）典型合金的结晶过程 合金 1点以上 合金为液相； 12点 合金从1点开始结晶出固溶体，到2点全部结晶为 固溶体；23点 固溶体不发生任何结构变化； 3点以下 从3点开始，将从相中不断析出相。合金的室温组织为+。第2章 常见金属的晶体结构与结晶 合金 合金为共晶成分(wSn=61.9%)，当液态合金冷却到1点(183)时，将发生共晶转变，同时结晶出E和F固溶体。 183 LC

24、 E+ F 共晶转变是在恒温(183)下进行的，直到液相全部消失为止。合金的室温组织全部为共晶体(+)。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶 合金 1点以上 合金为液相； 12点 合金从1点开始发生匀晶转变，结晶出固溶体。到2点时，剩余液相将发生共晶转变，合金组织为初生固溶体和共晶体 (+)。 2点以下 初生相中将不断析出相。合金的室温组织为+(+)。 第2章 常见金属的晶体结构与结晶3.包晶相图 合金的两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，且在结晶过程中发生包晶反应所形成的相图，称为包晶相图。由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相，这种结晶过程称为包晶转变或包晶反应。图中e点为包晶点，e点对应的温度为包晶温度，水平线ced为包晶转变线。 1186 C+ LD E 第2章