工程材料金属的晶体结构和结晶

工程材料金属的晶体结构和结晶2023/6/18第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期日对材料的认识：宏观（表现）；微观（纳，微米）微观认识。如：晶体结构（上海光源视频……）2023/6/18第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期日1863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2023/6/18第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期日1912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2023/6/18第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期日结构：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的高分辨透射电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点2023/6/18第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期日1932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2023/6/18第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期日1934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2023/6/18第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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2023/6/18第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期日二、晶格与晶胞空间规则排列的原子→刚球模型→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）2023/6/18第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期日晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c；棱间的夹角用、、表示。2023/6/18第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期日三、常见的三种金属晶体结构

1.体心立方晶格2023/6/18第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期日2023/6/18第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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：2023/6/18第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期日2.面心立方晶格

2023/6/18第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期日面心立方晶格的参数2023/6/18第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期日

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2023/6/18第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期日3.密排六方晶格2023/6/18第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期日密排六方晶格的参数2023/6/18第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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2023/6/18第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期日

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2023/6/18第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期日1．点缺陷。主要是空位、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。2023/6/18第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期日

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。2023/6/18第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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）2023/6/18第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期日3、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5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。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，位向差也很小(10’~2)的小晶块。大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界2023/6/18第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期日晶界与性能：（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2023/6/18第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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2023/6/18第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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：L→S晶态二次结晶：S→S晶态近程有序结构结晶远程有序结构2023/6/18第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期日二、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TT=T0

–T1

纯金属的冷却曲线2023/6/18第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期日三、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。

2023/6/18第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期日2、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。2023/6/18第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期日四、金属晶粒的大小及影响因素

1.晶粒度2023/6/18第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期日2.晶粒大小对力学性能的影响金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好？

2023/6/18第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期日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ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化晶粒。3.控制晶粒度的因素①提高过冷度2023/6/18第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期日②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）。③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。2023/6/18第三十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期日同素异构转变：纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2023/6/18第三十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期日纯铁的同素异晶(allomorph)转变反应式:1394°C9