第二章金属的晶体结构与结晶

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 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，为后续课程的学习学性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做好理论知识的准备第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。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）（如松香、玻璃、沥青） 晶体晶体非晶

2、体非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列规律作周期性地排列 。1 1、晶体和非晶体、晶体和非晶体 原子在三维空间呈有原子在三维空间呈有规则规则的周期性重复排列；的周期性重复排列； 具有具有一定的熔点一定的熔点，如铁的熔点为，如铁的熔点为1538，铜的熔，铜的熔点为点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有体具有各向异性；各向异性；晶体不同方向上性能不同的性质

3、晶体不同方向上性能不同的性质叫做叫做晶体的各向异性晶体的各向异性。 在一定条件下有在一定条件下有规则的几何外形规则的几何外形晶晶体体的的特特点点 原子在三维空间呈原子在三维空间呈不规则不规则的排列。的排列。 没有固定熔点没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终，随着温度的升高将逐渐变软，最终 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向各向同性同性。非非晶晶体体的的特特点点 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固为了便于表明晶体内部原子排列的

4、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，各原子的中心就处在格架的几连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称何空间格架，简称晶格晶格。2 2、晶体结构的基本概念、晶体结构的基本概念由于晶体中原子有规则排列且有周期性的由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，选通常只从晶格中，选取一个能够完全反映

5、晶格特征的、最小的取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为这个最小的几何单元称为晶胞晶胞 整个晶格就是有许多大小、形状和位向相整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。同的晶胞在空间重复堆积而成的。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为，并称之为晶轴晶轴，而且规定，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以，反之

6、为反方向，并以（晶格常数）（晶格常数）棱边长度和棱面夹角棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形来表示晶胞的形状和大小状和大小 。表示晶面的符号称为表示晶面的符号称为晶面指数晶面指数。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为为晶面晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为其所指方向称为晶向晶向。表示晶向的符号称为表示晶向的符号称为晶向指数晶向指数。3、立方晶系的晶面、晶向表示方法、立方晶系的晶面、晶向表示方法晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的是指一个晶胞内真正包含的原子数目。原子数目。 原子半径原子半

7、径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。原子之间距离的一半。 致密度（致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，是指晶胞中原子所占体积分数， 即即K = n v/ V 。式中，式中，n为晶胞所含原子数为晶胞所含原子数 v为单个原子体积为单个原子体积 V为晶胞体积。为晶胞体积。 4 4、常见金属的晶格类型、常见金属的晶格类型 晶格常数晶格常数 a=b=c,=90a=b=c,=90。 原子半径原子半径 。 晶胞所含原子数晶胞所含原子数 2 2个原子。个原子。 体心立方晶格（体心立方晶格（bccbcc晶格）晶格） 原子排列特征原子排列特征 体心立方晶格的晶

8、胞如图所示。体心立方晶格的晶胞如图所示。 ar43致密度致密度 68%。具有体心立方晶格的金属：具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等等30余种金属。余种金属。 晶格常数晶格常数 a=b=c,=90。原子半径原子半径 。晶胞所含原子数晶胞所含原子数 4个原子。个原子。(5)致密度致密度 74%。(6)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、Au、Ag等。等。 面心立方晶格（面心立方晶格（fccfcc晶格）晶格） 原子排列特征原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。面心立方晶格的晶胞如图所示。 ar42第二节第二节 金属的实际

9、晶体结构金属的实际晶体结构 晶体的基本概念晶体的基本概念 金属晶体的缺陷：金属晶体的缺陷：点缺陷点缺陷晶体空格、间隙原子晶体空格、间隙原子线缺陷线缺陷位错位错面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界一、单晶体和多晶体一、单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫做晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体单晶体。实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是小晶体就是晶粒晶粒

10、，它们之间的交界即为，它们之间的交界即为晶界晶界。由多晶。由多晶粒构成的晶体称为粒构成的晶体称为多晶体多晶体。在一个晶粒内部其结晶方。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界亚晶界。二、晶体缺陷二、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：分为三种： 点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷由于晶体形成

11、条件、原子热运动及其它各种因素的影响由于晶体形成条件、原子热运动及其它各种因素的影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为通常把这种区域称为晶体缺陷晶体缺陷 1 1、点缺陷、点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

12、，而处在晶格空隙之间的原子称为为间隙原子间隙原子。由于空位和间隙原子的存在由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和体积，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和体积( (固溶强化固溶强化) )。晶体中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。晶体中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，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，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。料的热处

13、理过程极为重要。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的错排现象，称为为位错位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的主要类型有刃型位是指单位体积内，位错线的总长度。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。错和螺旋位错。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如

14、强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错金属材料的塑性变形与位错的移动有关的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。工硬化），就是由于位错密度的增加所致。3、面缺陷、面缺陷面缺陷面缺陷通常是指通常是指晶界晶界和和亚晶界亚晶界。多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位相是不同的，所以晶界处是多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位相是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层。晶界原子处于不稳定不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层。晶界原子处于不稳定状态，能量较高，因此

15、晶界与晶粒内部有着一系列不同特性状态，能量较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特性 。常温下晶界有较高的强度和硬度常温下晶界有较高的强度和硬度 晶界处原子扩散速度较快晶界处原子扩散速度较快 易被腐蚀、熔点低易被腐蚀、熔点低 第三节第三节 纯金属的结晶纯金属的结晶 凝固与结晶的基本概念凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程金属的结晶过程 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结晶过程结晶过程 组织组织使用性能和工艺性能使用性能和工艺性能 一、一、 凝固与结晶的基本概念凝固与结晶的基本概念凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成

16、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。物质中的原子由物质中的原子由近程有序近程有序排列向排列向远程有序远程有序排列排列的过程。的过程。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热热 分分 析析 法法二、冷却曲线与过冷现象二、冷却曲线与过冷现象 差热分析法原理差热分析法原理To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线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)T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）：平衡结晶温度

17、（理论结晶温度）T1：纯金属的实际结晶温度：纯金属的实际结晶温度 纯纯金金属属结结晶晶时时的的冷冷却却曲曲线线过冷是结晶的必要条件。结晶推动力过冷是结晶的必要条件。结晶推动力E=E固固-E液液0 过冷度：过冷度：T = T0 T1为为什什么么？三、金属的结晶过程三、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，同时存在同时进行。大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。自发形核自发形核 T = 200非自发形核非自发形核 T = 20金属结金属结晶过程晶过程示意图示意图晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状金属的

18、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纯金属结晶过程录像纯金属结晶过程录像四、晶粒大小对金属力学性能的影响四、晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。性能均有很大影响。细晶粒细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀性好。蚀性好。过过冷冷度度的的影影响响NG晶粒越细晶粒越细金属结晶后晶粒大小取决于形核率金属结晶后晶粒大小取决于形核率N晶核形成数晶核形成数目目（mm3.s）和和长大率长大率G（mm/s）细化晶粒的途径细化晶粒的途径1）提高冷却速度

19、，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(孕育孕育)向液态金属中加入某些难熔质点，向液态金属中加入某些难熔质点，作为外来晶核，使晶粒变细，这种方法称为变质处理，如向铁作为外来晶核，使晶粒变细，这种方法称为变质处理，如向铁水中加入硅、钙，向铝硅合金液体中加入钠或钠盐等。水中加入硅、钙，向铝硅合金液体中加入钠或钠盐等。 3）附加振动：）附加振动：使正在生长的晶体破碎，破碎的枝使正在生长的晶体破碎，破碎的枝晶尖端可以起到晶核的作用，从而细化晶粒。晶尖端可以起到晶核的作用，从而细化晶粒。如机械振动超声波振动电磁搅拌等。如机械振动超声波振

20、动电磁搅拌等。 晶粒大小与性能的关系录像晶粒大小与性能的关系录像第四节第四节 合金的相结构合金的相结构 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性能性能工艺工艺相相材料材料加热、保温、冷却加热、保温、冷却 组织组织: : 是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形是指用肉眼或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。状、尺寸、分布和各相之间的组合状态

21、。 合金：合金：一种金属元素与其他金属元素或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: : 组成合金的元素称为组元。组成合金的元素称为组元。 纯金属纯金属合金合金结晶过程：结晶过程：液固两相共存液固两相共存结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存 熔点以上：熔点以上：液相液相 熔点以上：液相熔

22、点以上：液相 结晶完毕：结晶完毕：单一固相单一固相 结晶完毕：结晶完毕：组元发生相互作用组元发生相互作用 化合物化合物组元彼此均匀溶解组元彼此均匀溶解 固溶体固溶体固态合金中的相结构可分为固态合金中的相结构可分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两大类。两大类。合金的组织主要有合金的组织主要有固溶体固溶体、金属化合物金属化合物及及机械混合物机械混合物一、固溶体一、固溶体（一）定义：（一）定义：一种组元的原子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.

23、 间隙固溶体间隙固溶体1. 置换固溶体置换固溶体 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、原子直径类型、原子直径及它们在周期表及它们在周期表中的位置。中的位置。无限固溶体无限固溶体:铜镍合金铜镍合金 有限固溶体有限固溶体:锌溶解在铜中锌溶解在铜中,不大于不大于39% 溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。溶质原子分布于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

24、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，才能形成间隙固溶体。才能形成间隙固溶体。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体（三）（三） 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 度提高度提高即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因 此此常作为结构材料的基本相。常作为结构材料的基本相。 3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电、在

25、物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电 阻率下降，电导升高。阻率下降，电导升高。铁素体（铁素体（F）：碳溶与碳溶与-Fe中形成的间隙中形成的间隙固溶体。固溶体。性能性能-强度和硬度低，塑强度和硬度低，塑性和韧性好性和韧性好 1、铁素体（、铁素体（F） 铁素体是碳溶解在铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。 由于由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含）所以是几乎不含碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。硬度却较低。 性能：性能： b =180230MPa HB=5080 =