工程材料及热处理2 金属的晶体结构与结晶

2金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构

2.2实际金属的晶体结构

2.3纯金属的结晶C60金属的性能与内部结构有关，而内部结构的形成，又与结晶条件密切相联。因此，有必要了解金属原子的结合方式、晶体中原子的聚集状态和分布规律，以及金属的结晶过程等。这不仅有助于掌握金属材料的性能，而且对进一步改善和发展金属材料都有重要的指导意义。2.1金属的晶体结构自然界中的物质都是由粒子（原子、分子、离子等）组成的，根据内部粒子的聚集状态不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。凡是内部粒子按照一定几何规律作规则的周期性排列的物质称为晶体。自然界中绝大多数物质在固态是晶体，例如，食盐、水晶等，固态的金属与合金等是晶体。凡是内部粒子呈无规则紊乱堆积的物质称为非晶体。非晶体的结构与液体结构相同，典型的非晶体物质有普通玻璃、松香、橡胶等。晶体与非晶体有本质的区别，但在有些条件下可以相互转化。2.1.1晶体与非晶体为了方便研究晶体的原子排列规律，通常把刚性小球抽象为几何点，这些点称为结点或阵点，晶体原子的振动中心就在结点上。然后将这些点用假想的平行直线连接起来，就构成了一个空间格架，这种用来描述晶体原子排列方式的空间格架称为晶格。2.1.2晶格与晶胞晶胞由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，因此在研究晶体原子排列规律时，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格对称特征的最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，即为周期性排列的一个周期自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。金属原子间的结合键为金属键，由于金属键的无方向性和不饱和性，使金属原子趋于紧密的和简单的排列。在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方、体心立方和密排六方三种典型的晶体结构。2.1.3常见金属的晶体结构

体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格前面讨论的金属结构是理想的晶体结构，即原子排列得非常整齐，所有原子按相同的规律排列，此时金属的力学性能各向异性。而实际生产中使用的金属和合金是晶体，但并没有显示出力学性能的各向异性现象，这说明实际使用金属的结构与前面介绍的晶体的结构是有差别的。研究表明实际金属为多晶体结构，而且存在着各种晶体缺陷。2.2实际金属的晶体结构单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：实际金属是多晶体，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，其中每个晶粒都具有各向异性现象，但是从某一方向测试多晶体性能时，由于许许多多晶粒位向不同，性能相互影响，再加上晶界的作用，因此掩盖了晶体的各向异性现象，使金属的性能表现出各向同性晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。2.2.1多晶体结构在实际使用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这种原子排列的不规则性称为晶体缺陷。点缺陷、线缺陷、面缺陷2.2.2晶体缺陷

点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。线缺陷—晶体中的位错刃型位错

螺型位错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）面缺陷—晶界与亚晶界金属由液态冷却转变为固态的过程称为结晶。金属的结晶是连铸、铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。因此，研究并控制金属材料的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能，具有重要的意义。2.3纯金属的结晶2.3.1纯金属的冷却曲线和过冷现象金属的结晶过程是通过一些实验的方法，借助实验现象来研究的。用热分析法做出金属的冷却曲线来研究结晶过程是常用的方法之一。而冷却曲线是表明金属冷却时温度随时间变化的关系曲线。纯金属的冷却曲线由图2-14所示。金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差ΔT，称为过冷度，过冷度ΔT=T0-Tn。过冷度实验研究证明，纯金属的结晶过程是由晶核不断形成和长大这两个基本过程组成的。2.3.2纯金属的结晶过程晶核长大的实质是原子由液体向固体表面的转移过程。纯金属结晶时，晶核长大方式主要有两种：一种是平面长大方式，另一种是枝晶长大方式。晶核长大方式，取决于冷却条件，同时也受晶体结构、杂质含量的影响。金属结晶时通过改变结晶的条件，就可控制晶粒长大方式，最终可达到控制晶体的组织和性能的目的。晶粒大小是衡量金属组织的重要标志之一。对金属材料而言，晶粒的大小与其强、韧性有密切关系。常温下，金属晶粒越细小，则金属的强度越高，同时塑性和韧性也越好。晶粒的大小称为晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。金属结晶后的晶粒度与形核速率N和长大速度G有关。形核速率越大，单位体积中所生成的晶核数目越多，晶粒也越细小；若形核速率一定，长大速度越小，则结晶的时间越长，生成的晶核越多，晶粒越细小。

2.3.3金属结晶晶粒大小的控制工业生产中，为了细化铸态的晶粒，以提高铸件及焊缝的性能，采取的措施如下：增加过冷度：金属结晶时的冷却速度愈大，过冷度便愈大。变质处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以增加非自发形核的数目，促进形核，或抑制晶核长大，从而达到细化晶粒的目的。变质处理是结晶过程中细化晶粒最常用方式。附加振动：金属结晶时，采用机械振动、超声波振动、搅拌等处理方法，能够打碎正在长大的树枝状晶，而破碎的枝晶又可成为新的晶核，从而提高形核率、细化铸件的晶粒。细化铸态的晶粒的措施2.3.4金属铸锭的组织与缺陷在实际生产中，液态金属多是在铸模中结晶的，铸模的散热条件、液态金属的化学成分等将影响铸锭的结晶过程，形成的组织及缺陷，而这些会影响铸件的使用性能。因此要了解铸件、铸锭的组织及形成规律，以控制和改善组织。2.3.4.1铸锭的组织在金属铸锭中，除晶粒形状、尺寸不均匀外，还经常存在有各种铸造缺陷，如缩孔、疏松、气泡及偏析等。2.3.4.2铸锭缺陷大多数金属结晶结束后及在进一步冷却的过程中，其晶格结构不再发生变化，但也有一些金属如铁、钛、钴、锰、锡等，在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格。这种金属在固态下随温度的变化，由一种晶格转变为另—种晶格的转变称同素异构转变。由同素异构转变得到的不同晶格的晶体称为同素异构体。根据同素异构体存在的温度由低到高，分别用α、β、γ、δ表示。2.3.5同素异构转变同素异构转变是固态下发生的晶格类型的转变，也是通过形核及晶核长大过程完