1.2金属的晶体结构与结晶

1、也称为也称为 “ “过冷液体过冷液体” 。非晶体非晶体晶体晶体固体固体物质物质非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体:固态金属固态金属金刚石、金刚石、NaCl、冰、冰 等。等。液体液体图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞图图5 5 体心立方球体模型及其晶胞体心立方球体模型及其晶胞属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、W、V等。它们等。它们都具有都具有较好的塑性和较大的强度较好的塑性和较大的强度。体心立方晶格晶胞图体心立方晶格晶胞图 图图1 16 6 面心立方球体模型及其晶胞面心立方球体模型及其晶胞属于这类晶格的金属有属于这类

2、晶格的金属有 -Fe 、Cu、Al、Ni等。等。它们都具有它们都具有较好的塑性较好的塑性。面心立方晶格晶胞图面心立方晶格晶胞图图图1 17 7 密排六方球体模型及其晶胞密排六方球体模型及其晶胞属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有g 、n 、d 、e等。等。这类金属这类金属塑性较差塑性较差。密排六方晶格晶胞图密排六方晶格晶胞图单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶的晶体（理想晶体）。如单晶体）。如单晶Si半导体。半导体。多晶体多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（晶粒（单晶体）单晶体）晶界晶界（1 1）点缺陷：空位、

3、间隙原子、置换原子）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷晶体缺陷 晶体中原子偏离原来平衡位置晶体中原子偏离原来平衡位置晶体缺陷晶体缺陷导致晶格畸变导致晶格畸变强度强度，硬度，硬度，电阻，电阻（1）点缺陷）点缺陷点缺陷是指点状的，即在所有方向上尺寸都很小点缺陷是指点状的，即在所有方向上尺寸都很小的晶体缺陷。的晶体缺陷。 （空位、间隙原子或置换原子）（空位、间隙原子或置换原子）a 空位空位是结晶时晶格上应被原子占据是结晶时晶格上应被原子占据的结点未被占据；如的结点未被占据；如1b间隙原子则是个别具有较高能量

4、的间隙原子则是个别具有较高能量的原子摆脱晶格对其的束缚，脱离平衡原子摆脱晶格对其的束缚，脱离平衡位置，跳到晶界处或晶格间隙处而形位置，跳到晶界处或晶格间隙处而形成成间隙原子间隙原子，或跳到结点上形成，或跳到结点上形成置换置换原子原子。如。如2，3导致晶格畸变导致晶格畸变强度强度，硬度，硬度点缺陷点缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，线缺陷是指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，这就是位错，由晶体中原子平面的错动引起。（刃型这就是位错，由晶体中原子平面的错动引起。（刃型位错和螺位错。）位错和螺位错。） 在外力作用下会产生在外力作用下会产生运动，运动，位错位错堆积和缠结，堆积和缠结

5、，冷塑性变形冷塑性变形就是通过晶就是通过晶体中位错缺陷大量增加体中位错缺陷大量增加来大幅度提高金属的强来大幅度提高金属的强度，这种方法称为度，这种方法称为形变形变强化。强化。刃型位错刃型位错晶界处晶格畸变晶界处晶格畸变强度高强度高, 熔点低，易腐蚀熔点低，易腐蚀(亚晶界：晶粒内小位向差的晶块边界亚晶界：晶粒内小位向差的晶块边界)晶界晶界 亚晶界亚晶界T温度温度T0Tn时间时间结晶规律：结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程结晶过程是晶核不断形成和长大的过程 液体中瞬时有许多规则排列的原子团，液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散。时聚时散。形核形核晶核长大晶核长大不断生成不断生成新晶

6、核新晶核长大长大晶粒晶粒相碰相碰多晶体多晶体形核形核1 1）增大过冷度）增大过冷度 提高金属的冷却速度，增大提高金属的冷却速度，增大过冷度过冷度T，以细化晶粒。，以细化晶粒。 由图可见，当由图可见，当T较小时，较小时，N比比G增长的慢增长的慢;而当而当T较大时较大时N比比G的增长要快得多，使单位体的增长要快得多，使单位体积中晶核数目大大增多。积中晶核数目大大增多。 例如：采用金属型铸造。例如：采用金属型铸造。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1-10c 1-10c 间隙固溶体晶格畸变间隙固溶体晶格畸变1-10d 1-10d 置换固溶体晶格畸变置换固溶体晶格畸变图图1-11a 1-11a 石墨

7、的晶格石墨的晶格图图1-11b 1-11b 渗碳体的晶格渗碳体的晶格弥散强化（第二相强化）弥散强化（第二相强化）：当金属化合物以细小颗粒均匀分布在当金属化合物以细小颗粒均匀分布在固溶体上，可使合金的强度固溶体上，可使合金的强度 ，硬度，硬度 ，耐磨性，耐磨性 。 利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化生的变化。所以，相图在生产中，可以作为制定金属材。所以，相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据料熔炼、铸

8、造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据 图1-12 Cu-Ni合金相图的测绘（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图上临界点：上相变点上临界点：上相变点 a,b下临界点：下相变点下临界点：下相变点a,b 两点：两点：纯组元的熔点；纯组元的熔点；两线：两线：L, SL, S相线；相线；三区：三区：L, , L+L, , L+。单相区单相区 L单相区单相区液相线液相线固相线固相线两相区两相区L +结晶过程：结晶过程：t1 : L1 b1t2 : L2 b2t3 : L3 b3固溶体合金结晶的特点：固溶体合金结晶的特点： 在一定温度范围内结晶；在一定温度范围内结晶； 已结晶的已结晶的固相成分不断沿固相成分

9、不断沿固相线变化固相线变化，剩余液相不断，剩余液相不断沿液相线变化。沿液相线变化。 数值确定：数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 注意：只适用于两相区；三点注意：只适用于两相区；三点( (支点和端点支点和端点) )要选准。要选准。平衡结晶平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程，：每个时刻都能达到平衡的结晶过程，在在极其缓慢冷却的条件下才能实现。极其缓慢冷却的条件下才能实现。平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析 冷却曲线冷却曲线：温度时间曲线；：温度时间曲线； 相（组织）与相变；相（组织）与相变； 成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分均匀化：每时刻

10、结晶出的固溶体的成分不同。成分不同。 共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶PbSn合金相图Pb(Sn): Sn(Pb)： MF溶解度曲溶解度曲线线MEN共晶线共晶线AE匀晶转变开始线匀晶转变开始线AM匀晶转变结束线匀晶转变结束线室温组织（室温组织（）Lc Lc （ +）v相组成：相组成： +1961.997.5%4 .45%100*195 .979 .615 .97aW%6 .54%100*195 .97199 .61W室温组织室温组织: +: +（+) )共共+ 相组成：相组成：

11、+L 1 L+ 2 +（+）2 以下以下 +（+)共共12L 1 L+ 2 3 +室温组织室温组织 +123一个确定成分的液体和一个确定成分的固体一个确定成分的液体和一个确定成分的固体在恒定温度下生成一个确定成分的固体。在恒定温度下生成一个确定成分的固体。L LC C+ a+ aP P D D三个单相区：三个单相区：L L， ， 三个两相区三个两相区（L+L+ ）（）（L+L+）（ + +）一个三相区：一个三相区：L+L+ L+ +L+v点点v线线D点即为共晶点。点即为共晶点。结晶过程分析结晶过程分析12室温组织为：室温组织为：+1：L 2 2：L LC C+ a+ aP P D D2 2点之

12、后：点之后： 冷却，析出冷却，析出a1 1点之前：点之前：L L冷却；冷却；相为：相为：+121 1点之前：点之前：L L冷却；冷却；1：L 2 2：L LC C+ a+ aP P D Da a相剩余相剩余2点之后：点之后： a ，冷却，冷却，析出析出a和和 室温组织为：室温组织为： a + +相为：相为：+与共晶转变比较：与共晶转变比较：同：恒温转变，同时生成两个同：恒温转变，同时生成两个 成分、结构不同的固相成分、结构不同的固相异：异：共析共析 母相是固相，在固态转变母相是固相，在固态转变 共晶共晶 母相是液相，在液态转变母相是液相，在液态转变共析转变：共析转变：恒温下，一个恒温下，一个固相固相中中同时析出两种成分、结构不同的固同时析出两种成分、结构不同的固相。相。 + +转变产物：共析组织（共析体）转变产物：共析组织（共析体）