第一章金属的结晶构造和结晶过程

1、L o g oL o g o第二节第二节金属的结晶构造和结晶过程金属的结晶构造和结晶过程 L o g oL o g o金属与合金的晶体构造及其结晶过程 基本概念基本概念l金属：金属：l 合金：合金： 由一种金属元素所组成。如由一种金属元素所组成。如Cu，Al，Mg，Zn由一种金属元素为主，加入其他金属由一种金属元素为主，加入其他金属（或非金属）元素所组成，例（或非金属）元素所组成，例 Fe C 铁碳合金铁碳合金(钢、铸铁钢、铸铁)Cu Zn 铜锌合金铜锌合金(黄铜黄铜) L o g oL o g o第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1、晶体：原子在三维

2、空间内的周期性规则排列。、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。 长程有序，各向异性。有固定熔点。长程有序，各向异性。有固定熔点。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。 长程无序，各向同性。无固定熔点。长程无序，各向同性。无固定熔点。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。维都是晶体。 L o g

3、oL o g o金属晶体模型L o g oL o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数名词术语晶体晶体非晶体非晶体晶格晶格晶胞晶胞 晶格常数晶格常数原子呈有序排列原子呈有序排列原子呈无序排列原子呈无序排列描述原子排列规律的空间格子描述原子排列规律的空间格子组成晶格的最基本单元组成晶格的最基本单元晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架L o g oL o g oL o g oL o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数L o g oL o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数

4、晶胞：空间点阵中能代表晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。成空间点阵的最基本单元。 晶胞表示方法晶胞表示方法 三个棱边的长度三个棱边的长度a,b,c及及其夹角其夹角,表示。表示。L o g oL o g o二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数晶面晶面：晶格中原子所构成的平面。：晶格中原子所构成的平面。晶向晶向：原子所构成的方向。：原子所构成的方向。L o g oL o g o三、金属中常见的三种晶格类型三、金属中常见的三种晶格类型l常见金属晶格类型常见金属晶格类型体心立方晶格体心立方晶

5、格 Mn，Mo，W，Cr，V，Fe ，Fe等等L o g oL o g o体心立方晶格体心立方晶格v体心立方晶格的晶胞中体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方八个原子处于立方体的角上体的角上,一个原子处于立方体的中心一个原子处于立方体的中心, 角角上八个原子与中心原子紧靠。上八个原子与中心原子紧靠。 v 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征： 晶格常数：晶格常数：a=b=c, =90L o g oL o g o体心立方晶格体心立方晶格 原子个数原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。每个晶胞实际占有的原子个数。 （分析时要认真考虑每个原子的空间状况）（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）在体心立方晶

6、胞中在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时每个角上的原子在晶格中同时属于属于8个相邻的晶胞个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。个。 L o g oL o g o体心立方晶格体心立方晶格原子半径原子半径v晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线角线, 所以原子半径与晶格

7、常数所以原子半径与晶格常数a之间的关系之间的关系为：为： L o g oL o g o体心立方晶格体心立方晶格致密度致密度v晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度之比称为致密度(也称密排系数也称密排系数)。致密度越大。致密度越大, 原原子排列紧密程度越大。子排列紧密程度越大。v 体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞的致密度为：v晶胞晶胞(或晶格或晶格)中有中有68%的体积被原子所占据的体积被原子所占据, 其余其余为空隙。为空隙。 L o g oL o g o面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格 Cu，Ag，Pb，Ni， F

8、e 等等L o g oL o g o面心立方晶格面心立方晶格v金属原子分布在立方体的八个角上和六个金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。的原子紧靠。v面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： 晶格常数：晶格常数：a=b=c, =90L o g oL o g o面心立方晶格面心立方晶格 原子个数原子个数4原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）L o g oL o g o密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格 Mg，Zn，Be，Cd等等L o g oL o g o密排六方晶格密排六方晶格v十二个金属

9、原子分布在六方体的十二个角上十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在在上下底面的中心各分布一个原子上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间上下底面之间均匀分布三个原子。均匀分布三个原子。 v密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征： 晶格常数晶格常数：用底面正六边形的边长：用底面正六边形的边长a和两底面之间和两底面之间的距离的距离c来表达来表达, 两相邻侧面之间的夹角为两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为侧面与底面之间的夹角为90。L o g oL o g o密排六方晶格密排六方晶格 原子个数原子个数6原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）R=a/2L o g

10、oL o g o第二节第二节 金属的结晶金属的结晶 一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象l金属的结晶金属的结晶n 冷却曲线冷却曲线 （热分析法）（热分析法）（液态金属转变为固态金属的过程液态金属转变为固态金属的过程）L o g oL o g o一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象Tm是理论结晶温度是理论结晶温度T1是实际结晶温度是实际结晶温度T1不变不变T1 Tm特点特点过冷度过冷度 T T1 - Tm 冷却速度冷却速度 T 纯金属结晶纯金属结晶冷却曲线冷却曲线L o g oL o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l形核和长大形核和长大自发形核

11、自发形核 非自发形核非自发形核 呈树枝状呈树枝状 特点特点在一定时间内完成在一定时间内完成 过程：局部过程：局部 整体整体 实质：实质：形核形核 长大长大 L o g oL o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核长大晶核长大沿着有利于散热的方向按树枝状方式生沿着有利于散热的方向按树枝状方式生长。长。晶核晶核在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚集成为结晶核心。集成为结晶核心。术语术语L o g oL o g o二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制细晶强化的基本原理细晶强化的基本原理 v形核形

12、核， v长大长大细晶强化的方法细晶强化的方法 - 增大过冷度增大过冷度T (中、小型零件中、小型零件) 形核率，形核率， v长大长大 - 变质处理变质处理 形核率形核率 - 震动、搅拌结晶震动、搅拌结晶 v长大长大， 形核率形核率金属晶粒愈细小，力学性能愈好！金属晶粒愈细小，力学性能愈好！L o g oL o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变特点特点：转变发生于固态转变发生于固态在一定温度下进行在一定温度下进行晶格类型发生变化晶格类型发生变化 形核形核 长大长大 局部局部整体整体 1 538L

13、(体心体心)912(体心体心)1 394(面心面心)Fe FeFeL o g oL o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变纯铁的同素异构转变曲线纯铁的同素异构转变曲线L o g oL o g o三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变v金属的同素异晶有一定的转变温度并金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜放出结晶潜热。热。v金属的同素异晶转变具有金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向较大的过冷倾向。v金属的同素异晶转变往往金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化伴随着体积的变化，因，因而容易在金属中引起较大的内应力。而容易在金属中引起较大的内应力。v金属的同素异晶转变为其热

14、处理提供基础，钢能金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。同素异晶转变。L o g oL o g o四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构l单晶体与多晶体单晶体与多晶体L o g oL o g o四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构v如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在

15、电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。行业中广泛使用的硅或锗单晶体。v实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。v单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。L o g oL o g o第三节第三节 合金的基本显微组织结构合金的基本显微组织结构 一、合金的相结构一、合金的相结构 合金合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。属经一定方法合成的具有金属特性的

16、物质。 组元组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。是化合物。 （如一元、二元、三元合金（如一元、二元、三元合金 合金系合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如成分合金的总称。如Fe-CFe-C，Fe-CrFe-Cr等。等。 相相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构组织组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。

17、如单相、两相、多相合金。体。如单相、两相、多相合金。 金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。显微组织。L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构相的分类相的分类： 合金中的相按结构可分为：合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物 。 固溶体固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。：晶体结构与其某一组元相同的相。 金属化合物金属化合物：组元之间形成的新相，：组元之间形成的新相， 其结构不同于任何组元。其结构不同于任何组元。L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l固溶体固溶体合金

18、的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。多；另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用固溶体用、等符号表示。等符号表示。A A、B B组元组成的固溶组元组成的固溶体也可表示为体也可表示为A(B), A(B), 其中其中A A为溶剂为溶剂, B, B为溶质

19、。例如铜锌为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示表示, , 亦可表亦可表示为示为Cu(Zn)Cu(Zn)。L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构n 置换固溶体置换固溶体 溶质原子取代溶剂原子溶质原子取代溶剂原子n 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体特点特点b，HB， ，k (晶格畸变晶格畸变 ，强化效果，强化效果) 晶格：与溶剂相同晶格：与溶剂相同性能：产生固溶强化性能：产生固溶强

20、化 (体心体心) (六方六方) (体心体心)FeCFL o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子对晶格畸变影响示意图L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l金属化合物金属化合物合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质 特点特点一般，T熔，HB，晶格：与各组元不同晶格：与各组元不同 性能：硬而脆性能：硬而脆(不同于各组元不同于各组元) Fe C Fe3C(体心体心) (六方六方) (复杂复杂)L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构 渗碳体渗碳体( Fe3C )

21、晶格结构示意图晶格结构示意图L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构金属化合物的特性金属化合物的特性 力学性能力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。具钢、高速钢等钢中的重要组成相。 物化性能物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形

22、状记忆材料、储氢材料等。材料、形状记忆材料、储氢材料等。L o g oL o g o一、合金的相结构一、合金的相结构l机械混合物机械混合物各组元在固态下以混合的形式存在各组元在固态下以混合的形式存在 特点特点 F Fe3C P(体心体心) (六方六方) (体心六方体心六方 )晶格：晶格：保持各组元晶格类型保持各组元晶格类型性能：性能：取决于各组元的性能和数量比取决于各组元的性能和数量比形式：形式：固固+ +固、固固、固+ +化、固化、固+ +元素、化元素、化+ +化、元素化、元素+ +化、元素化、元素+ +元素等元素等 L o g oL o g o二、二元合金相图二、二元合金相图 合金相图是用

23、来表示合金在不同成分、温度下的组织合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图或平衡图）或平衡图）是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺等的重要工具。加工和热处理工艺等的重要工具。L o g oL o g o二、二元合金相图二、二元合金相图l二元合金相图的建立二元合金相图的建立v 金相法金相法v 膨胀法膨胀法v 电阻法电阻法v 热分析法（以热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：系相图为例）： 配制一系列成分不同的配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；合金； 测定上述合金的冷却曲线测定上述合金的冷却曲线 找出各合金的临界点找出各合金的临界点 以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点连接起来即得到界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图合金相图L o g oL o g o二、二元合金相图二、二元合金相图匀晶相图L o g oL o g o二、二元合金相图二、二元合金相图l匀晶相图匀晶相图 特点：液态