第二章__金属的晶体结构与结晶

1、第二章第二章 金属及合金的晶体金属及合金的晶体结构与结晶结构与结晶 内容 金属的晶体结构金属的晶体结构 合金的晶体结构合金的晶体结构 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 目的 掌握掌握晶体结构晶体结构及其对材料的力学及其对材料的力学性能性能及工艺性及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备准备第一节第一节 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构 晶体晶体 在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列排列 。(金属一般都是晶体金属一般都是晶体)非晶

2、体非晶体非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）香、玻璃、沥青） 1 1、晶体和非晶体、晶体和非晶体为了便于研究晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固为了便于研究晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，连接起来，构成一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格晶格。2 2、晶体结构的

3、基本概念、晶体结构的基本概念从晶格中，选取一个从晶格中，选取一个能够完全反映能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元晶格特征的、最小的几何单元来分来分析晶体中原子排列的规律，这个最析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元小的几何单元称为称为晶胞晶胞 晶胞的形状和大小晶胞的形状和大小 可用晶胞的可用晶胞的棱棱边长度边长度a、b、c(晶格常数）和晶格常数）和棱面夹角棱面夹角、来表示。来表示。晶格就是有许多大小、形状晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。(1)(1)体心立方晶格（体心立方晶格（bccbcc晶格）晶格） a）其晶胞形状为立方

4、体）其晶胞形状为立方体 b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。 c）每个体心立方晶胞中仅包含）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。个原子。 d) 晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比即致密度为晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比即致密度为0.68 属于这类金属的有：属于这类金属的有： -Fe、Mn、Cr、V、W、Mo等等3、常见金属的晶格类型、常见金属的晶格类型(2)(2)面心立方晶格（面心立方晶格（fccfcc晶格）晶格） a）其晶胞为立方体。）其晶胞为立方体。 b）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处。）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处。

5、c）每个晶胞中含有）每个晶胞中含有4个原子。个原子。d) 致密度为致密度为0.74具有面心立方晶格的金属：具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。等。(3)(3)密排六方晶格（密排六方晶格（hcphcp晶格）晶格） a）其晶胞形状为六方柱体。）其晶胞形状为六方柱体。 b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。柱体中心还有三个原子。c）每个晶胞中含有）每个晶胞中含有6个原子。个原子。d) 致密度为致密度为0.74 属于这类金属的有：属于这类金属的有：Mg、Zn、 -Ti等。等。二、金属

6、的实际晶体结构与晶体缺陷二、金属的实际晶体结构与晶体缺陷1.1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶晶格位向完全一致的晶体叫做体叫做单晶体。单晶体。工业上使用的金属都是工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的由许多小晶体组成的多多晶体晶体. .每个小晶体称为每个小晶体称为晶粒晶粒。晶粒与晶粒之间的界面晶粒与晶粒之间的界面称称晶界晶界。亚晶粒之间的交界称为亚晶粒之间的交界称为亚晶界。亚晶界。晶粒晶界2 2、晶体缺陷、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：几何特征可分为三种： 点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷 (1)(1)点缺陷点

7、缺陷晶格空位和间隙原子晶格空位和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为种空着的位置称为空位空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为为间隙原子间隙原子。点缺陷点缺陷 导致导致晶格畸变晶格畸变 强强度度，硬度，硬度如如:合金化合金化(2)线缺陷线缺陷位错位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律

8、的错排现象，称为为位错位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。(3)面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界 晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。 晶粒细晶粒细晶界面积晶界面积大大强度高强度高如如:晶粒细化晶粒细化晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷与性能的关系1. 晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性晶体缺陷的存在

9、破坏了晶体的完整性,使晶格产生使晶格产生畸变畸变,晶晶格格能量增加能量增加,因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一种不稳定状态种不稳定状态,它们在外界条件它们在外界条件(温度外力等温度外力等)变化时会首先变化时会首先发生变化发生变化,从而引起金属性能的变化从而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的晶体缺陷的存在影响金属的强度强度,一般情况下一般情况下,强度随晶体强度随晶体缺陷的增加而增加缺陷的增加而增加,可通过增加缺陷的办法可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度提高金属的强度. 点缺陷点缺陷合金化合金化增加缺陷的办法增加缺陷的办法 线缺陷线缺陷

10、增加塑性变形增加塑性变形(如加工硬化如加工硬化) 面缺陷面缺陷晶粒细化晶粒细化3. 晶体缺陷晶体缺陷金属缺点金属缺点四、金属的结晶四、金属的结晶凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。结晶结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常通常, ,金属的凝固过程属于结晶过程。金属的凝固过程属于结晶过程。例如：北方冬例如：北方冬天窗花天窗花热热 分分 析析 法法1. 冷却曲线与过冷现象冷却曲线与过冷现象 差热分析法原理差热分析法原理To时间温度实际冷却曲线实际冷

11、却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)纯纯金金属属结结晶晶时时的的冷冷却却曲曲线线T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1：实际结晶温度：实际结晶温度 过冷过冷：实际结晶温度：实际结晶温度 T T1 1 总是低于理论结晶温度总是低于理论结晶温度 T T0 0 的现象的现象过冷度过冷度 T = TT = T0 0 - T - T1 1 （ 冷速冷速 T T ）结晶的必要条件：过冷结晶的必要条件：过冷 理论冷却曲线理论冷却曲线2. 金属的结晶过程金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存

12、在同时进行。大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。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晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶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晶粒越细晶粒越细塑性、韧性越好；强度、硬度越高塑性、韧性越好；强度、硬度越高 金属结晶后晶粒大小取决金属结晶后晶粒大小取决于于形核率形核率N（单位时间、单（单位时间、单位体积液态金属中生成的位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核数目）和晶核长大

13、率晶核长大率G（单位时间内晶核长大的（单位时间内晶核长大的线速度）线速度）NG晶粒越细晶粒越细细化晶粒的途径细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度）提高冷却速度，增加过冷度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小2）进行变质处理）进行变质处理3）附加振动：）附加振动：机械振动机械振动 超声波振动超声波振动 电磁搅拌等。电磁搅拌等。* *对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快 变形、开变形、开裂裂, ,因此只适用于小铸件，简单件因此只适用于小铸件，简单件常用于大铸件，实际效果较好常用于大铸件，实际效果较好4.金属的铸锭组织金属的铸锭组织1)表面细等轴晶层表面细等轴

14、晶层力学性能虽力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。个铸锭的性能影响不大。2)柱状晶区柱状晶区比较致密，对于塑比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。法获得柱状晶组织。3)中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区的性能没有的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），成

15、很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能这种疏松的组织致使力学性能降低降低第四章第四章 合金的结构与相图合金的结构与相图 纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。工业上广泛应用的是合金材料。例如：例如： Fe: b=250MPa C: b =0 Fe-C合金合金(0.45%C) 正火态正火态: b =610MPa 组织组织: : 是指用显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、是指用显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。分布和各相之间的组合状态。 合金：合金：一种金属元素与其他金属元素或

16、非金属元素通一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 相相: : 是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元组元: : 组成合金的最基本独立单元。组成合金的最基本独立单元。( (元素或化合物元素或化合物) ) 一、合金的概念一、合金的概念相与组织是影响合金性能的重要因素相与组织是影响合金性能的重要因素。PFe3C1. 固溶体固溶体（一）定义：（一）定义：一种组元的原子

17、溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：（二）分类：2. 间隙固溶体间隙固溶体1. 置换固溶体置换固溶体二、固态合金中的相结构二、固态合金中的相结构 溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体的固溶体。 形成置换固形成置换固溶体时，溶质原溶体时，溶质原子在溶剂晶格中子在溶剂晶格中的溶解度主要取的溶解度主要取决于两者的晶格决于两者的晶格类型、原子半径类型、原子半径差及它们在周期差及它们在周期表中的位置。表中

18、的位置。 溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。 形成条件：溶质形成条件：溶质原子半径很小而溶剂原子半径很小而溶剂晶格间隙较大晶格间隙较大, ,一般一般 r r溶质溶质/ /r r溶剂溶剂0.590.59时时，才能形成间隙固溶，才能形成间隙固溶体。体。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体固溶体的特性固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬 度提高度提高即即固溶强化，固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因同时有较好的塑性和韧性。因

19、 此此常作为结构材料的常作为结构材料的基本相基本相 2. 金属间化合物金属间化合物（一）定义（一）定义 合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且全不同于任一组元且具有金属特性的具有金属特性的新相新相即为金属间化合即为金属间化合物。物。（二）特征（二）特征 有金属性质有金属性质晶体结构不同于任何组元晶体结构不同于任何组元成分可用分子式表示成分可用分子式表示,如如:Fe3C（三）性能：（三）性能： 熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相强化相存在。存在。 （2）电子化合物）电子化合物

20、组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物在许多有色金属中化合物称为电子化合物。此类化合物在许多有色金属中作为重要的强化相。作为重要的强化相。 （3）间隙化合物）间隙化合物 由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。（四）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）（四）分类（根据金属间化合物的形成条件

21、结构特点分） （1 1）正常价化合物）正常价化合物 组元间负电性相差较大，且形成的化合物严格遵守组元间负电性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： MgMg2 2SiSi、 CuCu2 2SeSe、ZnSZnS、AlPAlP等。等。三、三、 二元合金相图二元合金相图相图相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关系的图形。系的图形。（又称状态图，平衡图）（又称状态图，平衡图）二元合金相图的建立二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）（以铜镍合金为例）1）配置各

22、种成分的合金；）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分垂线上；垂线上；4）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相或组织名称或组

23、织名称 .（1）纯铜、纯镍结晶在恒温下进行（一个临界点）纯铜、纯镍结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的三条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）中间的三条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）（3）将各临界点描绘在温度成分坐标系中得到图（将各临界点描绘在温度成分坐标系中得到图（b）。）。1.匀晶相图匀晶相图两组元在液态和固态均能两组元在液态和固态均能无限互溶无限互溶时且形成无限时且形成无限固溶体固溶体 。1) 相图分析相图分析液相线之上为液相线之上为液液相区相区，用，用L表示表示液相线与固相线液相线与固相线之间是之间是液、固两液、固两相相，用，用L+

24、固相线下方为固相线下方为固固相区相区，用，用表示表示A点为铜的熔点点为铜的熔点B点为镍的熔点点为镍的熔点以图中以图中K点成分合金为例分析点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出点温度时，开始从液相中结晶出固溶体；随着温度的下降，固溶体；随着温度的下降，相增多，而相增多，而L相减少；至相减少；至2点时，点时，结晶过程结束，结晶过程结束，L相全部转变为相全部转变为相相2）合金结晶过程分析）合金结晶过程分析例：例：K点成分的点成分的合金从高温液态合金从高温液态缓慢冷却至缓慢冷却至3点点时，其液相部分时，其液相部分具有具有3/点的成分点的成分，而

25、固相部分具，而固相部分具有有3/点的成分。点的成分。液相与固相的平液相与固相的平均成分才是均成分才是K点点的成分。的成分。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； 已结晶的固相成分不断沿固已结晶的固相成分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。相线变化。2.共晶相图：共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图。应所构成的相图。1）相图分析）相图分析（1 1）共晶反应共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复：是指冷却时由液相

26、同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。合混合物的反应。 L L+ + （2 2）共晶体共晶体：共晶反应的产物（：共晶反应的产物（相相相）是共晶体。相）是共晶体。（3 3）共晶点：共晶点： E E点点（4 4）共晶线：共晶线： MENMEN线线 (5) (5)共晶组织共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。：共晶体的显微组织是共晶组织。 (6)(6)亚共晶合金：亚共晶合金：成分在成分在M ME E间的合金。间的合金。 (7) (7)过共晶合金：过共晶合金：成分在成分在E EN N间的合金。间的合金。（1 1）共晶成分的合金）共晶成分的合金 E E点点成分的合金是具有共晶成成分的合金是具有共晶成分的

27、合金。在冷却过程中分的合金。在冷却过程中经过经过E E点时发生共晶反应，点时发生共晶反应，生成共晶体。生成共晶体。 L (L (+ +) ) 结晶终了后的合金其室温结晶终了后的合金其室温组织为组织为( (+ +) )共晶体共晶体 2）典型合金结晶过程分析：）典型合金结晶过程分析：（2 2）无共晶反应的合金）无共晶反应的合金 M M点左侧和点左侧和N N点右侧的合金在冷却过程中不会发生共点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金晶反应。如图合金冷却至冷却至1 1点时结晶出点时结晶出1 1 相相, ,经经过过2 2点时全部转变为点时全部转变为1 1 相相, ,经过经过3 3点时点时, ,开

28、始脱溶出开始脱溶出相相, ,即即 LL+ LL+1 1 1 1 1 1 同理，同理，N N点右侧的合金在冷却过程中也会有点右侧的合金在冷却过程中也会有1 1 相和相和相相生成。最终组织为生成。最终组织为 1 1 。(3)(3)亚共晶成分的合金亚共晶成分的合金 在冷却过程中经过在冷却过程中经过1 1点时结点时结晶出晶出1 1相；经过相；经过2 2点时，点时，剩余液相发生共晶反应生剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却成共晶体；继续冷却1 1相相还会脱溶出还会脱溶出相。相。室温组织为室温组织为1 (+)。LL+1 1 (+) 1 (+)122以下以下(4)(4)过共晶成分的合金过共晶成分的合金

29、在冷却过程中经过在冷却过程中经过1 1点时结晶出点时结晶出1 1相；经过相；经过2 2点，剩余点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却1 1相脱相脱溶出溶出相，最终组织为相，最终组织为1 1 ( (+ +) )。122以下以下L LL+ L+ 1 1 1 1 ( (+ +) ) 1 1 ( (+ +) )3 3）合金的相组分与组织组分）合金的相组分与组织组分 4. 共析相图共析相图二元合金相图中高温通过匀晶转变形成的固溶体，在冷却到某一温二元合金相图中高温通过匀晶转变形成的固溶体，在冷却到某一温度时，又发生分解而形成两个新的固相，这种相图称为共析相图

30、。度时，又发生分解而形成两个新的固相，这种相图称为共析相图。由一个固相中同时析出由一个固相中同时析出两个不同成分的固相转两个不同成分的固相转变，称为变，称为共析转变共析转变.c为共析点，为共析点，dce为三相为三相共存的共存的共析线共析线，在该温，在该温度下（共析温度），从度下（共析温度），从c点成分（共析成分）的点成分（共析成分）的固溶体中同时析出固溶体中同时析出d点成分的点成分的和和e点成分点成分的的固相，反应式为固相，反应式为 + 共析与共晶转变的对比共析与共晶转变的对比 同同：恒温转变，同时生成两个成分、结构不同的固相：恒温转变，同时生成两个成分、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 1 1）共析转变需要有较大的过冷度。）共析转变需要有较大的过冷度。2