第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶

第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶一切物质都是由原子组成，固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子成不规则排列，如玻璃、松香、塑料等；晶体的原子则按一定的次序做有规则的排列，如金刚石、石墨及绝大多数固态的纯金属和合金就属于晶体。一、晶体学基本知识：1、晶体与非晶体第一节金属的晶体结构晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性；如金刚石、石墨。所有的金属和合金都是晶体。原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性；如玻璃、松香、塑料、沥青等。图2-la晶体中的原子排列

2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶金属的结构晶态非晶态SiO2的结构2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶2、晶格、晶胞和晶格常数表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格，图2-1b。组成晶格最基本的几何单元叫做晶胞，图2～1c。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度a、b、c和棱边夹角

α、β、γ来表示晶胞的形状和大小。晶胞中各棱边的长度叫晶格常数，用来表示晶胞的大小。2-1b晶格2～1c晶胞及晶格常数2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶

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.2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶

晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶

晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。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：a1=a2=a3

c，

=

=90，

=120立方六方四方菱方正交单斜三斜晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用

、

、

表示。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3．致密度与配位数

晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半称为原子半径，处于不同晶体结构中的同种原子的半径是不相向的。一个晶胞内所包含的原子数目称为晶胞原子数。晶胞中原子本身所占有的体积与晶胞体积之比称为致密度；晶体结构中与任一原子处于等距离并相距最近的原子数目称为配位数。配位数和致密度反映了原子排列的紧密程度。不同晶体结构的晶胞原子数、配位数和致密度均不相同，配位数越大的晶体致密度越高。体心立方晶格晶胞含2个原子，晶格致密度0.68；面心立方和密排六方晶格均为0.74。晶格致密度越大，原子排列越紧密。

当晶体从面心立方转变为体心立方时，致密度减小而使体积膨胀。

2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶4.晶面、晶向及晶面指数和晶向指数在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线所指的方向称为晶向。金属中的许多性能和现象都与晶体的特定晶面和晶向有密切关系。通常为了便于研究，不同位向的晶面或晶向都用一定的符号表示：表示晶面的符号称为晶面指数，如图2-2中的（111）；表示晶向的符号称为晶向指数，如图2-3中的[010]。图2-2立方晶格中的一些晶面图2-3立方晶格中的主要晶向2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶二、三种典型的金属晶体结构

在金属元素中，约有90％以上的金属晶体结构都属于下面三种密排的晶格形式。1、体心立方晶格：晶胞是一个长、宽、高相等的立方体，在立方体的八个顶角上和立方体的中心各有一个金属原子，如图2-2）所示。铬、钼、钨、钒及铁(温度在910℃以下的纯铁)等，皆具有这种晶格形式。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶1.体心立方晶格2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶2、面心立方晶格：

也是一个立方体，除在立方体的八个顶角各有一个金属原子外，在立方体六个表面的中心还各有一个金属原子，如图2-3）所示。属这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和铁(温度在1390～910℃的纯铁)等。面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶2.面心立方晶格体心立方晶格晶胞含2个原子，晶格致密度0.68；面心立方和密排六方晶格均为0.74。晶格致密度越大，原子排列越紧密。

当晶体从面心立方转变为体心立方时，致密度减小而使体积膨胀。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3、密排六方晶格：

是一个六方柱体，上下两个六方面的顶角及中心各有一个金属原子，而且在这两个六方面的中间还均匀分布着三个金属原子，如图2-4）所示。属于这种晶格的金属有铍、镁、锌、镉等。密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3.密排六方晶格2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶三、金属的实际晶体结构1、单晶体与多晶体

原子从一个核心(称为晶核)按同一方向进行排列生长而成的晶体称为单晶体，一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体。而金属材料通常是由许多不同方位的小晶体组成，称为多晶体。虽然多晶体中每个晶体都呈各向异性，但是整个金属的性能则是多晶体性能的平均值。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶晶体缺陷与性能的关系实际上由于受许多因素的影响，晶体内部某些区域的原子规则排列往往会受到外界干扰而被破坏，金属晶体结构中存在的这种不完整的区域称为晶体缺陷。按照几何特性，晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。1．点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小，尺寸范围不超过几个原子直径的缺陷。主要的点缺陷有空位和间隙原子(图2—7)；

空位

在晶格中没有原子的结点。

间隙原子位于晶格间隙中的原子。晶格畸变导致某些性能改变。

空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶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2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶

刃型位错线是晶格畸变的中心线，在ABCD晶面的上方位错线附近的区域，晶体受到压应力；而在ABCD晶面的下方位错线附近的区域，晶体则受到拉应力。离位错线越远，晶格畸变越小，应力也就越小。

2．线缺陷

线缺陷是指在三维空间中二维尺度很小而另一维尺度很长的缺陷。这类缺陷主要是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，这类现象称为位错。晶体中的位错主要有刃型位错和螺型位错两种。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶刃型位错和螺型位错刃位错的形成2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3．面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界两种；实际的金属是由大量外形不规则的小晶粒组成的。晶粒与晶粒之间的接触面叫做晶界。常温下晶界强度和晶界硬度较高，熔点低，易腐蚀，晶界处原子扩散快。

尺寸比晶粒小2~3个数量级，位向差小于1°的亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。亚晶界是晶粒内部的一种面缺陷。性能类似。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁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。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶第二节金属的结晶与同素转变一、纯金属的结晶

金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，此过程称为金属的结晶过程。广义地讲，金属从一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态的转变都属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体的转变称为二次结晶(重结晶)-同素异晶转变。1、冷却曲线与过冷度

将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中每隔一段时间测量一次温度，并记录下来，这样就可获得图2-18所示的纯金属冷却曲线。由此曲线可见，液态金属从高温开始冷却时，由于周围环境的吸热，温度均匀下降，状态保持不变。当温度下降到Tn后，金属开始结晶，放出结晶潜热，抵消了金属向四周散出的热量，因而冷却曲线上出现了“平台”。持续一段时间之后，结晶完毕，固态金属的温度继续均匀下降，直至室温。曲线上平台所对应的温度Tn为实际结晶温度。金属的实际结晶温度低于理论结晶温度称为过冷，理论结晶温度与实际结晶温度的差△T叫做过冷度，过冷度△T=TO-Tn。金属的结晶必须要在一定的过冷度下才能进行。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶2、结晶过程金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。（1）晶核的形成：当温度降到结晶温度以下时，在液态金属内部，有一些原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规律排列起来，形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心，称自发晶核。液态金属中一些外来的微细固态质点，也可成为结晶的核心，称外来晶核。（2）晶核的长大：当晶核开始出现后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的几何形状不断地向它聚集，即这些晶核不断地长大。在原有晶核长大的同时，液体中新的晶核仍陆续产生，而且也不断长大，这样，就有许许多多晶核同时在不同程度上长大着，起初，各个小晶体都是按照自己的方位自由的生长，当它们长大到与相邻的晶体互相抵触时，，这个方向的长大便停止了，当全部晶体都长大到各个方向都互相抵触时，即液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了。最后便形成了许多外形不规则的、大小不等的、排列方向不相同的小晶体。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶在结晶时，由每个晶核长成的不规则的小晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的接触面或交界面)叫做晶界。图2—12为金属结晶过程示意图。纯金属的结晶总是在恒温下进行；总有结晶潜热放出。结晶过程总是遵循形核和核长大规律，在有过冷度的条件下才能进行。

2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶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。2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶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。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。均匀形核非均匀形核示意图2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3、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。实际金属结晶主要以树枝状长大.均匀长大树枝状长大2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶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，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2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶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2第二章金属的晶体结构与塑性变形和再结晶3、结晶后的晶粒大小（1）晶粒的大小与性能的关系

晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，晶粒愈细，金属的机械性能愈好(强度愈高，塑性、韧性愈好)，因此，一般都希望得到细晶粒组织。用细化晶粒提高金属强度的方法是改善材料机械性能的最好手段之一。（2）晶粒的大小的控制

使晶粒细化是金属加工工艺的重要任务之一，常采用的细化晶粒的方法有：1）加快冷却速度，即增大过冷度，以提高自发晶核的形成率，晶核愈多，晶粒就愈细。例如在铸造生产中，采用金属型铸造比用砂型铸造所得铸件的晶粒更细；2）变质处理-在液态金属中加入或形成某些细微固态质点，起外来晶核的作用，从而达到细化晶粒的目的，它在工业生产中获得厂泛应用，例如在灰口铸铁浇铸之前，向其中加入一些硅铁或硅钙合金，使其组织中的石墨晶体细化，以改善