晶体的结构和结晶

晶体的结构和结晶第1页/共62页1.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。三、晶体中几个基本概念为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体。刚性球体—原子浓缩成一个点（空间点阵）—用假想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）—取出一个有代表性的最小几何单元—单位晶体（晶胞）。第2页/共62页2.晶胞：晶体中有代表性的最小的几何单元，称为晶胞。第3页/共62页3.晶格常数：晶胞的三个棱边的尺寸a、b、c。用埃（Å）表示。1Å=10-8cm各棱间的夹角用、、表示。第4页/共62页四、三种典型的晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方。第5页/共62页第6页/共62页1.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。2.晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。3.配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。4.致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。第7页/共62页体心立方晶格的参数第8页/共62页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：ar43=

第9页/共62页面心立方晶格的参数第10页/共62页

a42r=：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、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格第11页/共62页a21r=：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密排六方晶格第12页/共62页§1－2实际金属的晶体结构一、多晶体结构和亚结构单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发生改变的晶体。多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各向异性？为什么？多晶体由许多晶格位向不同的晶粒组成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为各向同性。第13页/共62页第14页/共62页二、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，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。第15页/共62页①点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子第16页/共62页a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.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。c.置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。第17页/共62页点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位间隙原子小置换原子大置换原子第18页/共62页位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。②线缺陷—（在一维方向上尺寸较大的缺陷)

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。第19页/共62页第20页/共62页位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。第21页/共62页位错密度：单位体积位错线总长度。

=L/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：以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。第22页/共62页强度第23页/共62页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）第24页/共62页③面缺陷（一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域）㈠

晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原子排列紊乱，具有非晶态特征。晶界的重要特性：1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬度高—细晶强化。2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。固态下结构的改变首先从晶界开始。第25页/共62页晶界示意图第26页/共62页㈡

亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于2º。晶界亚晶界ABCD第27页/共62页1.几个重要概念：合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质叫合金。组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。相：金属或合金中，具有相同化学成分，相同结晶构造，并有明显界面分开的独立组成部分。组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌。三、合金的晶体结构第28页/共62页一致的晶体结构和原子排列方式；相同的物理、化学性能；与周围的非同相物质之间有确定的界面；不同的相可予以机械性分离。相的基本属性第29页/共62页2.合金中的基本相根据固态下，合金的组元间作用方式不同，合金的相结构（基本相）分为两种，即固溶体和金属间化合物。1)固溶体固态下各组元之间互相溶解而形成的均匀的晶态固体称固溶体.固溶体中保持原来晶体结构的组元叫溶剂，其它溶入且晶格消失的组元称溶质。第30页/共62页固溶体的结构与分类根据溶质原子在溶剂晶格中的位置分：（1）间隙固溶体形成间隙固溶体的条件：r质/r剂<0.59，过渡族元素Fe、Mn等）为溶剂与尺寸小的非金属元素C、N、B、H形成。（2）置换固溶体Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体第31页/共62页按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度分（1）有限固溶体间隙固溶体一定是有限固溶体。（2）无限固溶体在置换固溶体中，当溶质与溶剂原子半径差别较小，在化学元素周期表上的位置靠近，且晶格形式也相同时，可能形成无限固溶体。否则，是有限固溶体。所以无限固溶体一定是置换固溶体，反过来不成立。间隙固溶体一定是有限固溶体，反过来不成立。第32页/共62页固溶体的结构特点与性能特点固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫固溶强化—是金属材料的强化方法之一。固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，是材料的基本相。第33页/共62页2）金属间化合物（中间相）两组元间相对尺寸差，电负性差等都有一定溶限，当溶质原子的加入量超过此溶限时便会形成一种新相，即中间相。中间相的晶体结构不同于此相中的任一组员。由于中间相具有一定的金属属性，所以亦称为金属间化合物。

合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属间化合物,或称中间相。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，两组元有一定比例，并可用化学式AmBn表示其组成。第34页/共62页金属间化合物的分类根据形成条件和结构特点不同，金属间化合物可分为：（1）正常价化合物特征是：严格遵守化合价规律，成分固定，可用化学式表示，不能形成固溶体。（Mg2Si)金属间化合物特点：熔点、硬度高、脆性大。适用于第二相质点强化或弥散强化。第35页/共62页（2）电子化合物—（电子浓度起主要作用）电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。特征是：虽然可用化学式表示，但成分不固定，即在电子化合物的基础上可以溶解一定量的组元，形成以该化合物为基的固溶体。价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。第36页/共62页虽然它们可以用分子式表示，但大多数不符合化学价规律，而是按电子含量规律来进行化合的，只要电子含量达到某一范围，就会形成具有一定结构的相，所以它们的形成是以电子含量起主导作用的。电子含量不同，形成的化合物的晶格结构就不同。电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。第37页/共62页与间隙固溶体相似，由过渡族金属同原子半径很小的非金属元素形成的化合物。无论溶质原子是以间隙方式还是以置换方式进入晶格，总会对溶剂晶格造成一定程度的畸变。溶质与溶剂原子的尺寸差别越大，晶格畸变越大，畸变能越大，增大到一定容限时，原来的结构便不稳定，会重新组合形成新的相。根据结构特征有分为两类：1）间隙相r非/r金<0.59，具有简单晶体结构，如VC。2）间隙化合物r非/r金>0.59，具有复杂的晶体结构，如Fe3C。3、间隙化合物（原子尺寸因素起主要作用）第38页/共62页a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构第39页/共62页b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。间隙相与间隙固溶体的区别？Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6第40页/共62页类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227钢中常见间隙化合物的硬度及熔点第41页/共62页（三）金属化合物的结构特点与性能特点1、金属化合物的晶格类型与组成它的任何组元都不相同，是单相。2、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。3、金属化合物是强化相。第42页/共62页工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。机械混合物单一固溶体：强度、硬度较低单一化合物：硬而脆机械混合物——不是一种单一相与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。第43页/共62页§1-3纯金属的结晶一、几个概念1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。第44页/共62页理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度（undercooling)，用ΔT表示。

ΔT=T0—Tn

液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。第45页/共62页结晶的条件1.必需要有过冷度。过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为236ºC。2.与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。3.与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低，过冷度大。第46页/共62页冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。第47页/共62页二、结晶过程

液态金属结晶是在结晶温度平台由形核和晶核长大两个密切联系的基本过程来实现的。

第48页/共62页二、结晶过程晶核的形成与长大。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。第49页/共62页⑴晶核的形成

1）自发形核从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。

2）非自发形核依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。第50页/共62页实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于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。晶核的长大方式第51页/共62页第52页/共62页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第53页/共62页三、金属结晶后晶粒的大小表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用单位体积内或单位面积上晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶粒度。标准晶粒度级别共分八级，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。常温下，金属晶粒越细小，晶界面积越大，它的强度、硬度越高；对外应力的分散使塑性和韧性提高，即细晶强化。第54页/共62页晶粒的大小取决于晶核的形核率和长大速度。（P13）单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。

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①提高过冷度过冷度△T↑，N↑↑（形核速率），G↑（长大速率），——N/G