第一章金属的结构与结晶

1、第一章 金属的结构与结晶第一章 金属的结构与结晶 金属的特性和金属键；金属的特性和金属键； 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一；金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一； 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响；是力学性能有着重大的影响； 纯金属结晶过程；纯金属结晶过程； 晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细化晶粒的途径和方法。化晶粒的途径和方法。1.1 金属的特征金属的特征 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 1.3 实际晶体中的缺陷实

2、际晶体中的缺陷 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 1.5 晶粒大小控制晶粒大小控制第一章 金属的结构与结晶与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。和金属光泽。1.1 金属的特征金属的特征1. 1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性有的非金属也可能表现出上述某些特性： 如： 石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽；2. 2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬

3、、钒等金属是一种“脆性”金属。 因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。 3. 3. 金属的特征：金属的特征：正的电阻温度系数正的电阻温度系数1.1 金属的特征金属的特征主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关金属为何具有上述这些特性呢？金属为何具有上述这些特性呢？金属键金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。1.1 金属的特征

4、金属的特征金属材料金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：u良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。u正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。u不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。u具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。 1.1 金属的特征金属的特征返回返回1.2 1.2 金属的

5、晶体结构金属的晶体结构 物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定了物质的性能。决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为结构。为结构。C601.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶体：晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列长程有序。 非晶体：非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”短程有序。 晶体和非晶体在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体和非晶体在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体晶体金刚石、NaCl、冰 等

6、。液体液体非晶体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。一一. .晶体与非晶体晶体与非晶体1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构a 原子堆垛模型b 空间点阵空间点阵空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞晶格晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为

7、其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。 晶系：晶系：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。90%90%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。立方晶系：立方晶系：a a= =b b= =c c， = = = = =90=90 六方晶系：六方晶系：a a1 1= =a a2 2= =a a3 3 c c， = = =90=90 ， =120=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 晶格常数：晶格常数：晶胞个边的尺晶胞个边的尺寸寸 a a、b b、c c。各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表表示。示。1.

8、2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构七大晶系，十四个空间点阵：七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一大方向上相邻原子间距的一半。半。晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包一个晶胞内所包含的原子数目。含的原子数目。配位数：配位数：晶格中与任一原子距晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。离最近且相等的原子数目。致密度：致密度：晶胞中原子本身所占晶胞中原子本身所占的体积百分的体积百分数。数。1.2 1.2 金属的晶体结

9、构金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构 1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构 金属键。金属键。 金属原子趋向于紧密排列金属原子趋向于紧密排列价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l常见纯金属的晶格类型有体常见纯金属的晶格类型有体心立方心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构体体心心立立方方晶晶格格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶格体心立方晶格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶格体心立方晶格的的参数参数1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结

10、构 体心立方晶格体心立方晶格原子个数：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等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 面面心心立立方方晶晶格格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构面面心立方晶格心立方晶格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构面面心心立立方方晶晶格格的的参参数数1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 a42r= =：原子半原子半径径原子个数：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

11、、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：a 面心立方晶格面心立方晶格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 密密排排六六方方晶晶格格1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构密密排排六六方方晶晶格格的的参参数数1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6配位数：配位数： 1212致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属： MgMg、ZnZn、 BeBe、CdCd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a a 和高和高 c c，轴比为轴比为： c/a=1.633c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格1.2 1.2

12、 金属的晶体结构金属的晶体结构1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原晶体中各方位上的原子面称子面称晶面晶面。各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向晶向。表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶晶面指数面指数。其确定步骤为：其确定步骤为： 确定原点，建立坐确定原点，建立坐标系，求出所求晶面标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截在三个坐标轴上的截距。距。 取三个截距值的倒取三个截距值的倒数并按比例化为最小数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形整数，加圆括弧，形式为式为（hkl）。 例一例一. .求截距为求截距为 、1 1、 晶面的

13、指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0 0、1 1、0 0，加圆括弧，加圆括弧得（得（010010） 例二例二. .画出（画出（112112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最化成最小整数为小整数为2 2、2 2、1 1，即为，即为X X、Y Y、Z Z三坐三坐标轴上的截距标轴上的截距表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其其确定步骤为：确定步骤为：晶向指数晶向指数 确定原点，建立坐标确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向系，过原点作所求晶向的平行线。的平行线。 求直线上任一点的坐求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小标值并

14、按比例化为最小整数，加方括弧。形式整数，加方括弧。形式为为 uvwuvw 。例一、例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为0.50.5、0.750.75、1 1，求该直线的晶向指数。，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234234。例二、例二、已知晶向指数为已知晶向指数为110, 画出该晶向。画出该晶向。找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接原点与连接原点与该点的直线即所求晶向。该点的直线即所求晶向。110234 ( (hklhkl) )与与 uvwuvw 分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶

15、面。 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶晶向族向族或或晶面族晶面族。分别用分别用 hklhkl 和和 表示表示。晶面族与晶向族晶面族与晶向族立方晶系常见的晶面为立方晶系常见的晶面为)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见立方晶系常见的的晶向晶向111111111111:111110011101011101110:1100010101

16、00:100 、111111111111XZY说明：说明： 在立方晶系中，指数相同在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放号放在该指数的上方在该指数的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110 三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方晶格密排六方晶格体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面 三种常见晶

17、格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3 面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序的堆垛

18、顺序为为ABABAB 面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为为ABCABCABC有确定的熔点有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体的特点的本质晶体的特点的本质各向异性各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回p 理想晶体：理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。p 实际晶体：实际晶体：多晶体+晶体缺陷p 晶体缺陷：晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何

19、尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。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1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶格的不完整部位称晶格的不完整部位称晶体缺陷。晶体缺陷。实际金属中存在着大实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线状可分三类，即点、线、面缺陷。、面缺陷。1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的

20、缺陷 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都很小的空间三维尺寸都很小的缺陷。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1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷a a. . 空位：晶格中某些缺排原空位：晶格中某些缺排原子的空结点。子的空结点。b b. . 间隙原子：挤进晶格间隙间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原属原子，也可以是外来原子。子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷c c. . 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换取代原来原子位置的外来原子称

21、置换原子。原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。硬度提高，塑性、韧性下降。空位空位间隙原子间隙原子大大置换原子置换原子小置换原子小置换原子1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错位错：晶格中一部分晶位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交

22、上滑移区与未滑移区的交界线称作位错线界线称作位错线分为刃型位错和螺型位错分为刃型位错和螺型位错刃型刃型位错位错 螺型螺型位错位错1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错刃位错刃位错的的形成形成1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ “ ”表

23、示。表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ “ ”表示。表示。1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷设想在简单立方晶体的右端施加一切应力，使其右端上、下两部分晶体沿滑移面ABCD发生一个原子间距的相对切变，此时左半部分晶体仍未产生滑移(塑性变形)，出现了已滑移区和未滑移区的边界bb即螺型位错线。螺型位错示意图1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位错单位体积内所包含的位错线总长度。线总长度。 = S/V= S/V(cm/cm(cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2) )金属的位错密度为金属的位

24、错密度为10104 410101212/cm/cm2 2位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错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途径。运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷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)1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷

25、电子显微镜下的位错观察 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷概念：概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。类型：类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。1. 1. 晶界晶界根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又可将晶界分为大角度晶界（10）和小角度晶界（10）两类。1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷对称倾对称倾側側晶界晶界扭转晶界扭转晶界1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷亚晶界亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚

26、晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。亚晶界亚晶界1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷返回返回晶界的特点：晶界的特点： 原子排列不规则。原子排列不规则。 熔点低。熔点低。 耐蚀性差。耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。聚。 阻碍位错运动，是强化部位，因而实阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。际使用的金属力求获得细晶粒。 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1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷位错密度位错密度 ：单位体积中位错线的总长度, 或单位面积上位错线

27、的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系,当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷晶体晶体液体液体结晶结晶1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为

28、结晶。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。而结晶过程是相变过程。一、液态金属的结构一、液态金属的结构 经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：是近程有序远程无序结构，见右图；存在着能量起伏和结构起伏。1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程局部的近程有序局部的近程有序二、结晶过程的宏观现象二、结晶过程的宏观现象 研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或

29、热分析曲线，见右图。TmTT理论结晶温度开始结晶温度T = Tm - T时间时间温温度度纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程三三. . 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 过冷后，液固相自由能之差G就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。TmTT液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程四、金属结晶的微观基本过程四、金属结晶的微观基本过程 形核长大过程形核长大过程液态金属形核晶核长大完全结晶结晶过程示意图1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程1. 1. 形核形核 液态金属在结晶时，其形核方式一般