机械工程材料第2章-金属的晶体结构和结晶-课件

机械工程材料第2章-金属的晶体结构和结晶-课件第2章

金属的晶体结构与结晶第2章

金属的晶体结构与结晶第2章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.2金属中的晶体缺陷2.3纯金属的晶体结构与结晶2.4合金的晶体结构及结晶2.5综合练习题第2章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构2.1.1晶体与非晶体2.1.2晶体结构的基本知识2.1金属的晶体结构2.1.1晶体与非晶体2.1.1晶体与非晶体

所有物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两大类。晶体是指原子沿三维空间按一定几何规律重复排列成的有序物质。如图2-1a所示。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。非晶体是指其组成微粒没有规则堆积在一起的物质，如沥青、玻璃、石蜡、松香等都是非晶体。另外，现代科技的发展，也制成了具有特殊性能的非晶体状态的金属材料。晶体与非晶体的根本区别在于原子排列是否规则。2.1.1晶体与非晶体(1)金属键

由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称金属键。金属键示意(1)金属键由金属正离子和自由电子（a）晶体中的原子排列（b）晶格（c）晶胞图2-1简单立方晶格与晶胞示意图（a）晶体中的原子排列（b）晶格(2)晶体与非晶体

晶体是指原子沿三维空间按一定几何规律重复排列成的有序结构。特性:具有固定的熔点。单晶体具有各向异性。

非晶体是指原子本身沿三维空间无规律地垛在一起形成的无序结构。特性:没有固定的熔点，各向同性。

图2-1(a)晶体结构示意

(2)晶体与非晶体晶体是指原子沿三维空间按一定几2.1.2晶体结构的基本知识晶体结构指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。1.晶格2.晶胞3.晶格常数4.常见的晶格类型

2.1.2晶体结构的基本知识1.晶格

将晶体中的原子（或离子）视为几何结点，用一些假想的直线从其中心将各结点连接起来，形成一个空间几何格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格架，称为晶格。(b)晶格和晶胞

2.晶胞晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元.1.晶格(b)晶格和晶胞2.晶胞3.晶格常数把晶胞各棱边的长度用a、b、c表示，称为晶格常数，其大小通常以埃为计量单位。晶胞各边之间的相互夹角分别用α、β、γ表示。a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。金属的晶格常数一般为10～70nm。3.晶格常数

4.常见的晶格类型根据这六个晶格常数的不同，可以把晶格分成七大晶系，十四种空间点阵。在金属材料中，对已知的80多种金属元素，大部分金属的晶体结构都属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种类型或表2-1所示。4.常见的晶格类型

（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各排列着一个原子。如图2-2所示。其晶格常数a=b=c。具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)、铁(a-Fe)等元素。图2-2体心立方晶格示意图（1）体心立方晶格图2-2体心立方晶格示意图（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子，如图2-3所示。具有这种晶格的金属有金(Au)、银(As)、铝(Ai)、铜(Cu)、镍(Ni)、γ铁(γ-Fe)等。图2-3面心立方晶格示意图（2）面心立方晶格图2-3面心立方晶格示意图（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各排列着一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，如图2-4所示。具有此种晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。晶格类型和晶格常数发生变化，将引起金属体积和物理、化学、力学性能的变化。图2-4密排六方晶格示意图（3）密排六方晶格图2-4密排六方晶格示意图密排立方晶格示意密排立方晶格示意5.晶体结构（1）单晶体是指一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致的晶体。则称该块晶体为单晶体。如图2-5所示.（2）多晶体由多个单晶粒组成的晶体为多晶体，一般金属材料都是多晶体。多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。由于多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故具有多晶体结构的金属是各向同性的。5.晶体结构晶粒晶界多晶体示意图

多晶体结构由多个单晶粒组成的晶体为多晶体通常钢铁材料晶粒尺寸为0.1～0.001mm

显微组织：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同的组成物。

a)单晶体

b)多晶体图2-5单晶体与多晶体示意图

晶粒晶界多晶体示意图多晶体结构由多个单晶粒组成的晶体滑移变形示意图

单晶体和多晶体的塑性变形晶体滑移变形示意图单晶体和多晶体的塑性变形位错运动引起的滑移变形图机械工程材料第2章-金属的晶体结构和结晶-课件多晶体塑性变形示意图多晶体塑性变形示意图2.2金属中的晶体缺陷2.2.1常见晶体缺陷及分类2.2.2晶体缺陷

2.2金属中的晶体缺陷2.2.1常见晶体缺陷及分类2.2金属中的晶体缺陷2.2.1常见晶体缺陷及分类理想晶体应该是原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，要偏离理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。2.2金属中的晶体缺陷2.2.1常见晶体缺陷及分类间隙原子晶格空位2.2.2晶体缺陷

1.点缺陷点缺陷：是指在三维空间上的尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷,↗↘。原子空缺的位置叫空位；存在于晶格间隙位置的原子叫间隙原子，最常见的是晶格空位和间隙原子，如图2-6所示。图2-6点缺陷示意图间隙原子晶格空位2.2.2晶体缺陷图2-6点缺陷示意图线缺陷：在晶格中呈线状分布的缺陷。↗↗，↘↘线缺陷2.线缺陷

线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。即原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如图2-7所示。图2-7刃型位错示意图线缺陷：在晶格中呈线状分布的缺陷。↗↗，↘↘线缺陷面缺陷：呈面状分布的缺陷。↑↑，↓↓面缺陷３.面缺陷

面缺陷：是指原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大,而在第三个方向上的尺寸却很小，一般都是指晶界和亚晶界。在晶粒内，存在许多尺寸很小，位向差也很小的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒，两相邻亚晶粒的界面称为亚晶界，如图2-8所示。图2-8面缺陷(晶界、亚晶界)结构示意图面缺陷：呈面状分布的缺陷。↑↑，↓↓面缺陷３.面缺陷2.3纯金属的晶体结构与结晶2.3.1纯金属的结晶2.3.2金属的同素异构转变2.3纯金属的晶体结构与结晶2.3.1纯金属的结晶

金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。大多数的金属制品都是经过熔化、冶炼和浇注而获得的。结晶后的组织直接影响金属的性能，因此研究金属结晶的目的就是为了掌握结晶的基本规律，以便指导实际生产，获得所需要的组织和性能。金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。大多数的金2.3.1纯金属的结晶1.冷却曲线与过冷度纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个临界点(或结晶温度)。它的结晶过程可用冷却曲线来描述。首先将金属熔化，然后以缓慢的速度冷却,在金属液缓慢冷却的过程中，观察平台并记录温度随时间变化的数据,这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。由冷却曲线如图2-9可知，纯金属在缓慢的冷却条件下(即平衡条件下)结晶，所测得的结晶温度称为理论结晶温度,可用T0表示。2.3.1纯金属的结晶图2-9纯金属的冷却曲线图2-9纯金属的冷却曲线结晶的条件

纯金属的结晶过程可通过热分析法测得纯金属的冷却曲线来表示，如图。由冷却曲线可知，结晶的必要条件是具有一定的过冷度。金属的冷却曲线

理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之间的温度差称为过冷度，写作

△T=T0-T1。

结晶的条件纯金属的结晶过程可通过热分析法测得纯金属2.纯金属的结晶过程金属的结晶是一个不断形成晶核和晶核不断长大的两个过程。当液态金属达到结晶温度时，要形成一些极细小的微晶体，即晶核，晶核就是指结晶的中心。随着时间的变化，已形成的晶核不断长大，与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至液态金属全部凝固为止。如图2-10所示为纯金属的结晶过程。

液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来完成的。2.纯金属的结晶过程液态金属结晶是由形核纯金属与合金结晶过程,纯金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程

图2-10-1纯金属与合金结晶过程比较示意纯金属与合金结晶过程,纯金属的结晶过程是晶核形成和(a)液态金属(b)形成晶核(c)晶核长大(d)部分结晶(e)完全结晶图2-10-2纯金属的结晶过程(1)晶核的形成

液态金属结晶时晶核常以两种方式形成：自发形核:指依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。非自发形核:指依附于金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。金属结晶过程中晶核的形成主要是以非自发形核方式为主。

(a)液态金属(b)形成晶核(c)晶核长大(d)部分结金属结晶过程

金属结晶过程（2)晶核的长大当晶核出现后，液态金属的原子就以它们为中心，按照一定规律的几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体沿着各个方向长大的速度是不同的，它主要是沿着长大速度最大的方向发展，这样就形成了晶轴。在主干长大过程中，晶轴继续长大,又不断生出分枝(二次、三次晶轴)，并在其上长出许多小的晶轴，发展成为树枝状,这是结晶初期常见的形状。所以称为枝晶，如图2-11所示。（2)晶核的长大

晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。图2-11树枝状晶体长大过程

金属晶体常以树枝状的形式长大，如图2-11所示。晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。图2-3.晶粒大小的控制晶粒大小主要取决于形核速度N(简称形核率)和长大速度G(简称长大率)。形核率是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数。长大率是指单位时间内晶核长大的线速度。如图2-12所示。图2-12形核率和长大率与过冷度的关系3.晶粒大小的控制图2-12形核率和长大率与

(1)增大过冷度金属结晶时,随过冷度的增加,形核率(N)和长大率(G)均增加当过冷度较小时,形核率增加速度小于长大率;过冷度较大时,形核率增加速度大于长大率。增大过冷度可使晶粒细化。(1)增大过冷度(2)变质处理

在浇注前,可人为地向金属液中加入一定量的难熔金属或合金元素(称变质剂),增加非自发晶核,以增加形核率,这种方法称为变质处理。例如,向钢液中加人铝、钒,向铸铁液中加人硅铁合金等。(2)变质处理(3)附加振动在金属液结晶过程中,对其采用机械振动、超声波振动、电磁振动等措施,可使枝晶破碎、折断,这样不仅使已形成的晶粒因破碎而细化,而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用,增加了形核率。(3)附加振动2.3.2金属的同素异构转变大多数金属在固态下只有一种晶体结构，无论温度如何变化，始终保持其晶格结构。如铝、铜、银等金属在任何温度下均为面心立方晶格。但有部分金属在固态下，却存在着两种或两种以上的晶格，如铁、钴、钛等金属,在结晶成固态后继续冷却时晶格类型还会发生变化。这种在固态下金属材料随温度的变化，由一种晶格类型变为另一种晶格类型的现象，称为金属的同素异构转变或称同素异晶转变。2.3.2金属的同素异构转变图2-13纯铁的冷却曲线图2-13纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线和晶格变化

金属在固态下随温度的变化，由一种晶格类型变为另一种晶格类型的现象，称为金属的同素异晶转变。图2-13-2纯铁的冷却曲线演示图纯铁的冷却曲线和晶格变化金属在固态下随温度的变化，由

金属的同素异晶转变是一个结晶过程，同样遵循结晶规律：有一定的转变温度，转变时需要过冷、有潜热产生。转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。只不过这个结晶是在固态下进行的，因此，把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶。金属的同素异晶转变是一个结晶过程，同样遵循结晶规律：图2-14γ-Fe与α-Fe同素异构转变示意图123456图2-14γ-Fe与α-Fe同素异构转变示意图122.4合金的晶体结构及结晶2.4.1合金的基本概念2.4.2合金的晶体结构2.4.3合金的结晶2.4合金的晶体结构及结晶2.4.1合金的基本概念2.4.1合金的基本概念

合金是指由两种或两种以上的金属元素组成或金属与非金属元素组成物质。由于纯金属品种少，力学性能低，成本高，应用受限，所以工业中使用的金属材料大多是合金。在纯金属或合金中，把具有化学成分相同、晶体结构和物理性能并与其他部分以界面分开的均匀组成部分称为相。比如某金属在熔点温度以上或以下时，分别为液相或固相，而在熔点温度时则为液、固两相共存。合金在固态下，可以形成均匀的单相组织，也可以形成由两相或两相以上组成的多相组织，这种组织称为两相组织或称为复相组织。2.4.1合金的基本概念

1.合金合金：是指由两种或两种以上元素经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的材料。

2.组元

组元：组成是合金最基本的、独立的物质单元称为组元，简称元。组元可以是元素，也可以是稳定的化合物，如Fe3C在铁碳合金中可以作为组元。

3.相

相：是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开。例如，在铁碳合金中α-Fe为一个相，Fe3C为一个相；水和冰虽然化学成分相同，但其物理性能不同，故为两个相。1.合金

4.组织组织：是用金相观察法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。由于合金的性能由组织决定，而组织又取决于合金中的相，因此，为了掌握合金的组织和性能，必须了解合金晶体的结构。

5.合金系

由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列化学成分不同成分的合金，称为合金系。由两个组元组成的合金系叫二元合金系，三个组元组成的合金系叫三元合金系，三个以上组元组成的合金系叫多元合金系。4.组织2.4.2合金的晶体结构合金的晶体结构组成合金的最基本的独立物质称为合金的组元。按组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金等。例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金；硬铝是铝、铜、镁组成的三元合金。根据合金中各组元间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三大类。2.4.2合金的晶体结构

1.固溶体

固溶体：是指合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相称为固溶体。大多数合金只能有限固溶，根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。不论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，所以固溶体不但有较高的强度和硬度，如果适当控制固溶体中溶质的含量，还能在显著提高金属材料强度的同时仍然可保持较高的塑性和韧性。1.固溶体（a）置换固溶体图3-15固溶体的类型（b）间隙固溶体（a）置换固溶体图3-15固溶体的类型（b）间隙固溶体

2.金属化合物金属化合物：是指合金组元间相互作用生成的具有金属特性的一种新相。一般可用分子式来表示。金属化合物熔点高，硬而脆。渗碳体是铁碳合金中的一种重要的金属化合物，例如，铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳组成的化合物，用化学式Fe3C表示，其晶体结构如图2-16所示。图2-16Fe3C的晶体结构2.金属化合物图