工程材料及成形技术3-金属的晶体结构与结晶课件

1、第三章 金属的结构与结晶第一节 金属的晶体结构第二节 金属的实际结构和晶体缺陷第三节 金属的结晶与铸锭一、晶体的概念 金属的结构晶态非晶态SiO2的结构 晶体：指原子（离子、分子或原子团）呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。 非晶体：指原子呈无序排列的固体。 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。第一节 金属的晶体结构 ?晶体和非晶体的区别？晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶格常数：晶胞各边的尺寸 a、b、c（） 各棱间的夹角用、 表示。二、三种常见

2、的金属晶格 晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，十四种布拉菲点阵 。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a=b c，=90， =120立方六方四方菱方正交单斜三斜1、 体心立方晶格(bcc)晶格常数：a(a=b=c)2、面心立方晶格 （fcc）晶格常数：a3、密排六方晶格（hcp）晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633三、晶格的致密度和配位数表示晶体中原子排列的紧密程度（其值越大越紧密）“致密度”晶胞中所包含的原子所占体积与该晶胞体积之比 k “配位数”晶格中任何一个原子周围最近邻且等距离的原子数 晶格类型体心立方晶格 bcc面

3、心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构性能塑性较好塑性优于体心立方晶格的金属脆性较大晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74配位数81212典型金属-Fe,-Ti，Mo,W ,V -Fe,Al,Cu,Ni ,Au ,Ag等-Ti,Mg,Zn,镉(Cd )等四、晶面和晶向分析晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。1.晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为： 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。2.晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为： 确定原点，建立坐标系，过

4、原点作所求晶向的平行线。 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，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234。例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。1102343.晶面族和晶向族晶面族 晶体中凡是具有相同的原子排列方式而只是空间位向不同的各组晶面的统称，用hkl表示。晶向族 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向的统称，以表示。4.晶面和晶向的原子密度晶面（向）的原子密度指其单位面积（长度）的原子数。 bcc中，具有最大原子密度的晶面是110，

5、具有最大原子密度的晶向是111。 fcc中，具有最大原子密度的晶面是111，具有最大原子密度的晶向是。 五、晶体的各向异性 晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列密度不同，原子间相互作用力也不同，因而其不同晶面和晶向上的性能不同。实际金属多为多晶体，表现为各向同性。一、单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：许多位向不同的小晶体组成的晶体。晶粒：彼此方位不同、外形不规则的小晶体。晶界：晶粒之间的交界面。第二节金属的实际结构和晶体缺陷单晶体多晶体晶粒越细小，晶界面积越大。亚晶粒：每个晶粒内有微小位向差的小区域（亚结构）光学金相显示的纯铁晶界金属中的亚晶组织变形金属晶粒尺寸约110

6、0m，铸造金属可达几mm。二、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷。按缺陷的几何形状点缺陷 (point defect)线缺陷（line defect）面缺陷 (plane defect)1.点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。以一个点为中心，在其周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力 空位：原子被热激活留下的空结点 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子置换原子：取代原来原子位置的外来原子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、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变2. 线缺陷某一列或若干列原子发生有规律的错排现象 位错（

7、dislocation）：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线。分为刃型位错和螺型位错。刃型位错 螺型位错位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V (cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为1041012/cm2（退火态最低） 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。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2) 加工硬化态(1011-1012/cm2) 3.面缺陷主要指晶界和亚晶界晶体中不同区域之间的

8、晶格位向过渡造成 晶界宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。亚晶界也可看作位错线的堆积或“位错壁”（小角度位向差）。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁晶界的特点： 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。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。相变时优先形核。 显微组织的显示三、金属中的扩散 金属中发生的结晶、相变、再结晶、烧结、合金化过程都会扩散。1、扩散的概念和机制扩散由于热运动而导致原子、分子在介质中迁移的现象 面心立方晶体的八面体间隙及（001）晶面原子的自由能与位置之间的关系原子迁移需越过的势垒自扩散异扩散间隙扩散间隙原子通过晶格

9、间隙之间的跃迁空位扩散依靠空位大量的移动，原子很快完成长距离 迁移填隙扩散晶格结点的原子会出现间隙，将邻近点阵原 子挤到间隙中，并取而代之。所需能量换位扩散 直接换位相邻两原子直接交换位置 环形换位同一平面数个原子瞬时轴旋转换位机制换位机制填隙机制空位机制间隙机制2、影响扩散的主要因素温度扩散常数 cm2/s扩散激活能 J/mol=8.31 J/molR 气体常数绝对温度 K晶体结构体心面心空隙多，克服势垒表面及晶体缺陷金属的表面及内表面，存在缺陷，晶格畸变，原子能量状态，Q，易实现跃迁一、结晶的概念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结晶。物质由一个相转变为另一

10、个相的过程称为相变。 结晶过程是相变过程。3 金属的结晶与铸锭液态金属结构固态金属结构1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度Tn。 Q：冷却曲线上为什么会出现平台？TmTn纯金属结晶时的冷却曲线TmTnT液体和晶体自由能随温度变化2、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度Tm(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。过冷度T = Tm Tn过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大，G越大。二、金属的结晶过程1、结晶的基本过程包括晶核的形成、长大同时进行（有“孕育期

11、”） T0以下，较大尺寸且稳定的晶坯晶核 2、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非自发形核更容易、更普遍。自发形核非自发形核示意图3、晶核的长大方式实际金属结晶主要以树枝状长大。这是由于存在负温度梯度（液相中过冷度随离界面距离增加而增大），且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。负温度梯度三、影响形核和成大的因素1、过冷度T的影响T，N、G （但N增加更快） 当T太大时，原子扩散能力，形核、长大都困难2、未熔杂质的影响 可熔化杂质 未熔杂

12、质悬浮于金属液体中充当晶核在金属结晶时，加入某些难熔杂质人工晶核（变质剂） 细化晶粒变质处理如铸铝ZL101中加入钠盐（NaCl、NaF）四、晶粒大小及控制1、晶粒大小对金属力学性能的影响常温下晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。细晶强化2、晶粒大小的控制 控制过冷度，提高液态金属的冷却速度： 随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。 变质处理（孕育处理）： 在浇注前向液态金属内加入某些难熔物质（“变质剂”、“人工晶核”）来促进晶粒细化，改善力学性能。冷速过快 变形、开裂，只适用于小铸件，简单件电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图 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。在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭（结晶后还要进行轧制、锻压等压力加工），而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。五、金属铸锭的组织及缺陷1、铸锭的组织 表层细晶区-强过冷,非均匀形核。特点：无方向性、枝晶发达、组织致密柱状晶区-过冷度减小,形核困难,沿散热方向生长。（主晶轴垂直于