工程材料金属的晶体结构和结晶

1、金属的晶体结构和结晶7/13/20221对材料的认识： 宏观（表现）；微观（纳，微米）微观认识。 如：晶体结构（上海光源视频）7/13/202221863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的7/13/202231912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象X-射线衍射仪7/13/20224结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。Al的高分辨透射

2、电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点7/13/202251932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m） 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 光镜下电镜下7/13/202261934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。 金属钛中的位错7/13/20227第一节 金属的晶体结构一、什么（非）晶体？1、晶体。 如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2、非晶体。 如玻璃、沥青等。 金属的结构晶 态非晶态7/13/20228二、晶格与晶胞 空间规则排列的原子刚

3、球模型 晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架） 晶胞（具有周期性最小组成单元）7/13/20229晶格常数：晶胞个边的尺寸 a、b、c；棱间的夹角用、表示。7/13/202210三、常见的三种金属晶体结构 1. 体心立方晶格7/13/2022117/13/202212体心立方晶格原子个数：2配位数： 8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：7/13/2022132.面心立方晶格7/13/202214面心立方晶格的参数7/13/202215a42r=：原子半径原子个数：4配位数： 12致密度：0.74常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu

4、、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格7/13/2022163. 密排六方晶格7/13/202217密排六方晶格的参数7/13/202218a21r=：原子半径原子个数：6配位数： 12致密度：0.74常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格7/13/202219 实际晶体：理想晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。按空间尺寸分为三种： 1 点缺陷。主要是空位、置换原子、间隙原子。 2 线缺陷。主要是位错。 3 面缺陷：主要是晶界和亚晶界第二节 实际金属的晶体结构7/13/2022201点缺陷。主要是空

5、位、置换原子、间隙原子。空位间隙原子大置换原子小置换原子 点缺陷与性能： 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。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。7/13/202221 2线缺陷。主要是位错。位错对性能的影响：金属的塑性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途径。7/13/202222电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）7/13/2022233、面缺陷。主要是晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。亚晶界亚晶粒之间的交界面。亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差

6、也很小(10 2 )的小晶块。大角度晶界-晶界小角度晶界-亚晶界7/13/202224晶界与性能：（1） 原子排列不规则， 熔点低， 耐蚀性差， 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。（2） 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。显微组织的显示7/13/202225实际金属晶体结构分类 单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组，各向异性。 实际金属多晶体 伪各向同性纯铁组织晶粒示意图7/13/202226第三节 金属的结晶一、结晶概念（凝固和结晶区别？） 凝固： L（液态）S（固态）， S可以是非晶体 结晶： 一次结晶：LS晶态 二次

7、结晶：SS晶态 近程有序结构结晶远程有序结构7/13/202227二、冷却曲线和过冷现象（宏观）冷却曲线：曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。过冷现象：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T T= T0 T1 纯金属的冷却曲线7/13/202228三、纯金属的结晶过程（微观）1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和长大两个基本过程组成。 7/13/2022292、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。7/13/202230四、金属晶粒的大小及影响因素 1.晶粒度7/13/2022312.晶粒大小对力学性能的影响 金属的

8、晶粒越细，常温下的力学性能越好？ 15:49:1332 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 N/G比值越大，晶粒越细小。过冷度 T，N，GN/G增大，细化晶粒。3.控制晶粒度的因素提高过冷度7/13/202233变质处理又称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而 细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫 变质剂（或称孕育剂）。振动，搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可 靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可 使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。7/13/202234同素异构转变：纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe7/13/202235纯铁的同素异晶( allomorph )