第二章合金的晶体结构与结晶

1、第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 内容内容: : 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 目的目的: : 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备识的准备一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 （一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体

2、晶体和和非晶体非晶体两大类。两大类。 纯铁纯铁纯铜纯铜纯铝纯铝晶体晶体玻璃玻璃沥青沥青松香松香非晶体非晶体第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 1 1、晶格、晶格 抽象的、用于描述抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称的几何空间格架，简称晶格。晶格。 2 2、晶胞、晶胞 只从晶格中，选取只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞几何单元称为晶胞（二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、

3、晶格常数第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、晶格常数、晶格常数 以棱边长度以棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。cb、ar、第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构（三）、金属中常见晶格（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。种晶格类型。 1 1、体心立方晶格、体心立方晶格( (bbc)bbc) 第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构晶胞原子数 2

4、原子半径：a a4 43 3r r 0 0. .6 68 8a aa a4 43 33 34 42 2K K3 33 3晶胞体积为晶胞体积为a a3 3，晶胞内含有晶胞内含有2 2个原子个原子所以它的所以它的致密度致密度是：是：已知：已知：体心立方结构的原子半径体心立方结构的原子半径第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构原子个数原子个数：2 2致密度：致密度：0.680.68属于该类晶格的常见金属有属于该类晶格的常见金属有-Fe(912oC)-Fe(1400 (1400o oC)C)、CrCr、W W、MoMo、V V等等晶格常数：晶格常数：a a( (a a= =b b= =

5、c c) )原子半径原子半径：a a4 43 3第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 2 2、面心立方晶格（、面心立方晶格（fccfcc） 第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构晶胞原子数晶胞原子数 4 422原子半径：原子半径：a a4 42 2r r 致密度：致密度：0.740.74第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构a a2 21 1r r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属： MgM

6、g、ZnZn、 Be Be、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， c/a=1.633 c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格铬、钨、钼、钒等铬、钨、钼、钒等铝、铜、铅、金等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、镁、锌、铍、镉、钛等钛等第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构 单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体全一致的晶体。多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体由多晶

7、粒组成的晶体结构结构晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成不规则的小晶体组成. .第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构单晶体的各向异性 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同铁的单晶体及其各方向上弹性模量 （E）示意图第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 三、晶体的缺陷晶体的缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性

8、能、化学性能、金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷、线缺陷点缺陷、线缺陷和面缺陷面缺陷。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 1 1、点缺陷、点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 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被原子所占据，这种空着的位置称为空位空位。同时。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占又可能在个别空隙处出现多余的原子，这

9、种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为称为间隙原子间隙原子。l空位l间隙原子l置换原子第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 由于空位和间隙原子的存在由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、，如强度、硬度和电阻增加。硬度和电阻增加。 晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子平衡浓度的空位和间隙原子，空

10、位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。属材料的热处理过程极为重要。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 2 2、线缺陷、线缺陷位错位错 线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是型的位错。较简单的一种是“刃型位错刃型位错”.”.第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构刃位错的形成刃位错的形成刃位错滑移刃位错滑移

11、_ _立体图立体图第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构地毯挪动第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的着大量的晶界晶界和和亚晶界亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度

12、较高，态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 四、合金的相结构四、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。分为固溶体和金属化合物两大类。 1 1、固溶体、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为相称为固溶体固溶体。 第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶不管

13、溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以

14、在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。 2 2、金属化合物、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（钢中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子和是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格

15、形式。具有复杂的晶格形式。第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为这一现象称为弥散强化弥散强化。金属化合物在合金中常作为。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金

16、属化合绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的的数量、大小、形态和分布数量、大小、形态和分布状况。状况。 第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构总结总结 1 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。另一种的变化会引起体积的变化。 2 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强

17、化可以提高金属材料的力学性能，所以，合和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。金化是提高金属性能的方法之一。 3 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位

18、错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。的力学性能有关。 第一节第一节 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律结晶的现象与规律 同素异晶同素异晶( (构构) )转变转变第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、一、 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.1.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。2.2.结晶结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。 物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远程有序排远程有序

19、排列列的过程。的过程。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶ToTo二、二、 结晶的现象与规律结晶的现象与规律一）一）. .结晶的一般过程结晶的一般过程 1. 1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1T1结晶平台结晶平台第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶时间2. 2. 过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度 过冷现象过冷现象 金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象。 过冷度过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷. 过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件。 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶3.3.金属结晶

20、的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶二二).).结晶的一般规律结晶的一般规律 形核形核 长大长大第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶1.1.晶核的形成晶核的形成当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核晶核。形核有形核有自发形核自发形核和和非自发形核非自发形核两种方式。两

21、种方式。自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；产生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。它比自发形核容易得多。 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状雾凇雾凇第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶金属的树枝晶金属的树枝晶

22、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第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶3.3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素影响晶核的形核率和晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶过冷度的影响过冷度的影响过冷度：过冷度：TT大，形核率大，形核率N N和长大速和长大速度度G G都大，且都大，且N N的增加比的增加比G G增加得快，增加得快，提高了提高了N N与与G G的比值，晶粒变细。的比值，晶粒变细。当过冷度很大时，金属当过冷度很大时，金属不再通过结晶方式凝固，不再通过结晶方式凝固，而是形成了非晶态

23、的金而是形成了非晶态的金属属激冷凝固工艺激冷凝固工艺第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶三）细化晶粒的途径三）细化晶粒的途径v1 1）提高冷却速度）提高冷却速度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v2 2）变质处理）变质处理 工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质变质处理处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。v3 3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶 纯铁的纯铁的同素异晶转变同素异晶转变反应式反应式: :1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe第三

24、节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 - -FeFe、 -Fe-Fe为为体心立方结构体心立方结构( (BCC)BCC)， -Fe-Fe为为面心立方结构面心立方结构( (FCC)FCC)。都是铁的都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fe第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 合金合金 ( ( alloy )alloy ) 组元组元 ( ( 元元 ) ( ) ( element ) element ) 相相 ( ( phase )phase ) 显微组织显微组织 ( ( microscopic microsco