第三章 金属的晶体结构与结晶

第3章金属的晶体结构与结晶

§3-1纯金属的晶体结构§3-2

实际金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念二、常见的金属晶格类型一、金属是多晶体二、金属的晶格缺陷三、金属结构的致密性§3-3

金属的结晶一、金属的结晶过程二、金属的同素异构转变三、金属铸锭的组织特点物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。分为金属键，离子键，共价键和分子键。C60

材料的结合方式1金属键以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛材料的结合方式2共价键如金刚石3离子键如NaCl4分子键（氢键）材料的结合方式金属的结构晶态非晶态SiO2的结构1、晶体与非晶体（1）晶体:是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。（2）非晶体:是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。§3-1纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2、晶格与晶胞⑴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。§3-1纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念⑶晶格常数：●晶胞各边的尺寸a、b、c。●各棱间的夹角用、、表示。§3-1纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念3、晶面与晶向

§3-1纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念⑴晶面：晶格中由一系列原子组成的平面。（2）晶向：晶格中任意两个结点的连线。常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。§3-1纯金属的晶体结构二、常见的金属晶格类型1、体心立方晶格在立方体的八个角上各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在立方体中心有一个原子。1、体心立方晶格原子个数：2致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr

、W、Mo、V、Nb等强金属性金属晶格常数：a=b=c原子半径：§3-1纯金属的晶体结构二、常见的金属晶格类型

a42r=：原子半径原子个数：4致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等大部分有色金属。晶格常数：a=b=c2、面心立方晶格§3-1纯金属的晶体结构二、常见的金属晶格类型a21r=：原子半径原子个数：6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=1.6333、密排六方晶格§3-1纯金属的晶体结构二、常见的金属晶格类型晶胞中所包含的原子总体积与该晶胞体积之比。1、晶体结构的致密度§3-1纯金属的晶体结构三、晶体结构的致密度2、常见金属晶格的致密度体心立方晶格k=0.68

面心立方晶格k=0.74

密排六方晶格k=0.74§3-2实际金属的晶体结构一、金属是多晶体单晶体：原子按照一定的取向规则排列而成。具有各向异性，如：水晶、食盐。多晶体：由各自取向不同的许多小晶粒所组成。具有各向同性。（1）单晶体具有各向异性

晶体中不同晶向上的原子排列紧密程度不同、不同晶面的间距不同，所以不同方向上原子的结合力不同，从而导致晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能出现一定的差异。1、单晶体的各向异性§3-2实际金属的晶体结构一、金属是多晶体（2）单晶体具有较高的强度、耐蚀性、导电性和其他性能。2、多晶体的各向同性§3-2实际金属的晶体结构一、金属是多晶体（1）实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体晶格位向一致，而小晶体之间彼此晶格位向不同。这种外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒之间的界面称为晶界。由于晶界是相邻两晶粒不同位向的过渡区，故晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为多晶体，多晶体呈各向同性。2、多晶体的各向同性§3-2实际金属的晶体结构一、金属是多晶体（2）钢铁材料的晶粒尺寸一般为10～10mm左右，须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，叫做显微组织。（3）同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差也很小的小晶块，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界称为亚晶界。-3-12、多晶体的各向同性§3-2实际金属的晶体结构一、金属是多晶体晶粒：这种外形不规则的小晶体。晶界：晶粒之间的界面。

（1）空位（2）间隙原子（3）置换原子§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷1、点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。(1)空位：晶格中某些缺排原子的空结点。(2)间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷（3）置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。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。空位间隙原子小置换原子大置换原子从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴

”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬

”表示。§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷2、线缺陷：空间三维一个方向上尺寸很大的缺陷。

§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷2、线缺陷：

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104~1012/cm2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。3、面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁3、面缺陷—晶界与亚晶界亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷晶界的特点：①原子排列不规则。②熔点低。③

耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤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。⑥是相变的优先形核部位。

显微组织的显示§3-2实际金属的晶体结构二、金属的晶格缺陷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个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶1、结晶的概念§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程2、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T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。

纯金属的冷却曲线§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程

3、过冷与过冷度

纯金属都有一个理论结晶温度T0(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。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。

§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程3、过冷与过冷度4、液态金属的结晶过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。

在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚将会长大，称为晶核。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程(1)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。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程4、液态金属的结晶过程(2)晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大树枝状长大的实际观察§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程4、液态金属的结晶过程§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程

实际金属结晶主要以树枝状长大——枝晶长大方式

这是由于存在负温度梯度，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。4、液态金属的结晶过程树

枝

状

结

晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程（1）影响晶核形成和长大的因素表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影响单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制(2）铸态金属晶粒细化的方法●

控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。●变质处理：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。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制铸铁孕育处理前后的组织处理前处理后孕育处理使组织细化。孕育剂为硅铁或硅钙合金。§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制●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。电磁搅拌细化晶粒示意图§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(下)§3-2金属的结晶一、金属的结晶过程5、晶粒的大小及其控制§3-2金属的结晶二、金属的同素异构转变1、金属的同素异构性

一种金属具有两种或两种以上的晶体结构。2、金属的同素异构转变（重结晶）金属在固态时随着温度的改变而改变其晶格结构的现象。如：铁、钴、锡、锰等。§3-2金属的结晶二、金属的同素异构转变3、纯铁的同素异构转变（重结晶）§3-2金属的结晶二、金属的同素异构转变3、纯铁的同素转变（重结晶）

纯铁的同素异构转变遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但是这种转变是