工程材料及热加工工艺 第2章晶体结构

1、第第2章金属的晶体结构与结晶章金属的晶体结构与结晶2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构2.2 2.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构2.3 2.3 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭C602.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体晶体：指原子呈规则排列的物质，如金刚石、石墨和固态金属及合金：指原子呈规则排列的物质，如金刚石、石墨和固态金属及合金等。晶体具有固定的熔点、规则的外形、各向异性。等。晶体具有固定的熔点、规则的外形、各向异性。 非晶体非晶体：原子呈无规则排列的物质，如玻璃、松香、沥青、石蜡等。：原子呈无规则排列的物质，如玻璃、松香、沥青、石蜡等。非晶体没有固定的熔

2、点、规则的外形，各向同性。非晶体没有固定的熔点、规则的外形，各向同性。2.1.1、晶体基础、晶体基础1、晶体与非晶体、晶体与非晶体晶态晶态非晶态非晶态金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构非晶态非晶态晶态晶态2、晶格、晶胞与晶格常数、晶格、晶胞与晶格常数l 晶格：晶格：用假想的直线用假想的直线将原子中心连接起来所形将原子中心连接起来所形成成的三维空间格架。的三维空间格架。直线直线的交点（原子中心）称结的交点（原子中心）称结点。点。由结点形成的空间点由结点形成的空间点的阵列称的阵列称空间点阵空间点阵晶胞晶胞：从晶格中取出来的、能够完全反映晶格特：从晶格中取出来的、能够完全反

3、映晶格特征的最小几何单元。征的最小几何单元。n 晶系晶系：n根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。n90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。n立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 n六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 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。各棱间各棱间的夹角用的夹角用 、 、 表示。表示。n 原子半径原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。：晶胞中原子密度最大方向上相

4、邻原子间距的一半。l 晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。：一个晶胞内所包含的原子数目。l 配位数：配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。l(8) 致密度致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。：晶胞中原子本身所占的体积百分数。图图2-1简单立方晶格与晶胞示意图简单立方晶格与晶胞示意图a)晶体中原子排列晶体中原子排列b)晶格晶格c)晶胞及晶格参数晶胞及晶格参数体心立方：（BCC）abc，90Fe、W、Mo、Cr、V等金属为bcc结构面心立方：（FCC）abc，90,Fe、Cu、Al、Ni、Pb等金属为fcc结构密排六方：（HC

5、P）边长为a，高为c，c/a1.633,例如：Zn、Mg、Be等金属为hcp结构 体心立方：（bcc）面心立方：（fcc）密排六方（hcp）2.1.2 常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构BCCFCCHCP1）体心立方晶格）体心立方晶格BCC （Body Centered Cube ）晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：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等等原子半径：晶胞中原子密度原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的最大方向上相邻原子间距的一半。一半。体心立方晶格的参数

6、体心立方晶格的参数2）面心立方晶胞）面心立方晶胞FCC Face-Centere Cube 晶格常数晶格常数：a原子个数原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属常见金属： -Fe、Ni、Al、 Cu、Pb等等ar42 原子半径：原子半径：面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数In NaCl, bigger Chlorine atoms pack together in FCC structure, leaving Na to squeeze into the remaining holes.3)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed

7、 晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633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ar21 原子半径：原子半径：密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数BCCBCC、FCCFCC、HCPHCP晶胞的重要参数晶胞的重要参数 晶晶胞胞 晶体学参数晶体学参数 原子半原子半径径 晶 胞 原晶 胞 原子数子数 致密度致密度 FCC FCC a=b=c,a=b=c,= = =90 =90o o 2 2 68% 68% BCC BCC a = b = c , a = b = c , = =90900

8、0 4 4 74% 74% HCP HCP a=a=b b c,cc,c/a=1.6/a=1.633, 33, =90=90o o, , =120 =120o o a/2 a/2 6 6 74% 74% 课堂讨论课堂讨论1.一个一个BCC和和FCC晶胞有多少个原子晶胞有多少个原子?2. BCC, FCC晶体胞致密度是多少？晶体胞致密度是多少？（列出计算公式（列出计算公式）单晶体：整块金属晶粒取向完全一致，力学整块金属晶粒取向完全一致，力学性能呈各向异性，体心立方铁：性能呈各向异性，体心立方铁：A向：E290000Mpa;X轴：E135000Mpa;多晶体多晶体：由许多晶取向各不相同的单晶体块由

9、许多晶取向各不相同的单晶体块组成组成，所以整体呈各向同性，所以整体呈各向同性， 各向平均各向平均E210000Mpa; X轴A向体 心 立 方(bcc) 理想晶体理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 2.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构2.1.1 多晶体多晶体光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图2.2.2 实际金属晶体缺陷（点、线、面缺陷）n晶格的不完整部位称晶格的不完整部位称晶晶体缺陷体缺陷。n实际金属中存在着大量实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺

10、陷。三类，即点、线、面缺陷。n1. 点缺陷点缺陷 n空间三维尺寸都很小空间三维尺寸都很小的缺陷。的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生使晶格发生畸变畸变，性能产生变，性能产生变化，如强度、硬度提高，塑性、化，如强度、硬度提高，塑性、韧性下降。韧性下降。空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作滑移，滑移面上滑移区与未滑移

11、区的交界线称作位错位错。有有刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错两种类型。两种类型。2.线缺陷：线缺陷：原子的不规则排列在一个方向尺寸很大，其余原子的不规则排列在一个方向尺寸很大，其余两个方向的尺寸很小。如位错。两个方向的尺寸很小。如位错。n刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是是刃型位错刃型位错。n半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面

12、以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。n位错密度位错密度：单位体积内所：单位体积内所 包含的位错线总长度。包含的位错线总长度。 = S/V= S/V (cm/cm (cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2) )n金属中的位错密度为金属中的位错密度为10104 410101212 /cm/cm2 2 。n位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此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阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从途径。从 - - 关系可以看出，关系可以看出，减少或增加位错密度减少或增加位错密度都可以提高都可以提高金属的强

13、度。金属的强度。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)3. 3. 面缺陷面缺陷: :原子排列不规则区域在空间两个方向上尺寸很大，原子排列不规则区域在空间两个方向上尺寸很大，如如晶界晶界n晶界的特点：晶界的特点：n 原子排列不规则原子排列不规则。n 熔点低熔点低。n 耐蚀性差耐蚀性差。n 易产生内吸附易产生内吸附，外来原子易，外来原子易在晶界偏聚。在晶界偏聚。n 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部位，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得因而实际使用的金属力求获得细晶粒。细晶粒。n 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示

14、晶体晶体液体液体结晶结晶结晶结晶： 液体液体 - - 晶体晶体凝固：凝固： 液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）2.3 纯金属的结晶与铸锭2.3.1 纯金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T过冷度过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条纯金属结晶的条件就是应当有一件就是应当有一定的过冷度定的过冷度1.1.冷冷却却曲曲线线与与过过冷冷度度冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。比如：纯铁的结晶过冷现象和过冷度过冷现象和过冷度T T0 0 ： FeFe的理论结晶温的理论结晶温度度=1539=1539； T

15、 Tn n ： FeFe的实际结晶温的实际结晶温度（实际生产时的冷却度（实际生产时的冷却速度下结晶温度）速度下结晶温度）T T ： TnTn温度下结温度下结晶，释放结晶潜热，温晶，释放结晶潜热，温度升高形成的平台，极度升高形成的平台，极缓慢条件下缓慢条件下=1538 =1538 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线TT0TntTT=TT=T0 0-T-Tn n 为过冷度为过冷度3. 3. 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶结晶过程结晶过程 形核与长大形核与长大两种形核方式两种形核方式两种长大方式两种长大方式均

16、匀长大均匀长大自发形核自发形核：以液体中具有临界半径：以液体中具有临界半径r r* *的小晶体为核心，长大的小晶体为核心，长大成一个个晶粒。成一个个晶粒。 外来形核外来形核：往溶液中添加高熔点物质，使之成为结晶核心，：往溶液中添加高熔点物质，使之成为结晶核心，细化晶粒。例如：往钢水中添加细化晶粒。例如：往钢水中添加AlAl，脱氧的同时产生，脱氧的同时产生AlAl2 2O O3 3核心；核心；往灰口铁溶液中加入硅铁或硅钙铁合金，可以细化灰口铁晶粒，往灰口铁溶液中加入硅铁或硅钙铁合金，可以细化灰口铁晶粒，称为孕育铸铁或变质铸铁。称为孕育铸铁或变质铸铁。均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大树枝状晶体

17、生长示意图树枝状晶体生长示意图 （1） 增加过冷度增加过冷度T：TFrTFr* *数量数量；（金属型与砂型铸造晶粒大小比较）（金属型与砂型铸造晶粒大小比较）（2） 变质处理：增加外来形核；变质处理：增加外来形核；（3 3）振动浇注：产生断晶，形成新核心。）振动浇注：产生断晶，形成新核心。 晶粒大小及控制晶粒大小及控制细化晶粒的方法：细化晶粒的方法：形核率形核率N 、长大速度、长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系2.3.3 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变同素异构转变同素异构转变：一种一种金属，在不同温度下，金属，在不同温度下，能以几种晶体结构存能以几种晶体结构存在的现象在的现象，称为同素，称为同素异构转变异构转变 -Fe(bcc)-Fe(fcc)-Fe(bcc)1) -Fe1) -Fe和和-Fe -Fe 溶解碳的能力不溶解碳的能力不同，因此快速冷却可得到过饱和的同，因此快速冷却可得到过饱和的-Fe-Fe，写做，写做亦称为马氏体亦称为马氏体（M M）；）；2) -Fe2) -Fe和和-Fe-Fe的比容不同，淬火的比容不同，淬火后体积略有膨胀，这是淬火变形和后体积略有膨胀，这是淬火变形和开裂的主要原因；开裂的主要原因；3)