機械工程材料第三講金屬的晶體結構和結晶.ppt

1,第四章 金屬材料晶體結構和結晶,46h,金屬材料的性能與其化學成分和內部的微觀結構密切相關?；瘜W成分不同的材料性能不同，化學成分相同而內部微觀結構不同的材料性能也不同。所以了解金屬材料的成分、微觀結構與性能的關系是認識和使用材料的前提。,2,第一節(jié)金屬的特性 迄今為止，在已知的一百多種化學元素中，80以上的元素是金屬元素。金屬就是那些在發(fā)生化學反應時失去價電子的元素。與非金屬相比，固態(tài)金屬具有以下主要特性： (1)優(yōu)良的導電性和導熱性。 (2)正的電阻溫度系數，即隨著溫度不斷升高，電阻不斷增大使金屬的導電性降低。絕大多數金屬具有超導性，即在溫度接近絕對零度時電阻突然降低，乃至趨近于零。 (3)良好的塑性。 (4)有金屬光澤，但不透明。 某些非金屬也可能具有上述某些特征，但不會具有全部特性，也達不到金屬所具有上述特性的程度。通常把這種非金屬稱為類金屬。 固態(tài)金屬的特性是由金屬內部原子的構造特點和金屬原子間的結合方式所決定的。,3,一、金屬原子的結構特點 金屬原子構造的特點是其最外層的電子數很少，一般只有13個，而且這些電子與原子核的結合力微弱，因而易于丟失，即脫離所屬的原子核而成自由電子。而丟失最外層電子的金屬原子變成正離子。對于過渡族金屬原子不僅丟失最外層電子，還容易丟失次外層電子，以致過渡族金屬具有多種化合價。 二、金屬鍵 由于金屬原子的結構特點，使得固態(tài)金屬離子間的結合方式是以金屬鍵結合，而金屬鍵也就決定了金屬的特性。由于金屬中有大量的自由電子，在外加電場作用下金屬內部的自由電子產生定向運動，形成電流，使金屬具有良好的導電性，借助金屬中正離子的振動和自由電子的運動可以傳遞熱量，使金屬具有良好的導熱性；加熱時，金屬溫度升高，正離子熱振動的振幅加大，自由電子運動時與正離子的碰撞次數增多，阻礙自由電子的定向運動，電阻增大；溫度降低時，正離子振動減弱，對自由電子運動的阻礙減小，電阻減??；由于金屬鍵沒有方向性，原子間也沒有選擇性，所以在外力作用下原子位置發(fā)生相對移動時，金屬鍵不會遭到破壞，使金屬表現出良好的塑性；金屬中的自由電子容易吸收可見光的能量，從而被激發(fā)到較高的能級，當其返回到原能級時，釋放出所吸收的可見光能，使金屬有光澤但不透明。,4,第二節(jié)金屬的晶體構造 一、金屬晶體的基本概念 1 、晶格 如果把組成晶體的原子(或離子、分子)看做是剛性球體，那么晶體就是由這些剛性球體按一定規(guī)律周期性地堆垛而成，如圖(a)所示。不同晶體的堆垛規(guī)律不同；為研究方便，假設將剛性球體縮為處于球心的點，稱為結點。由結點所形成的空間點的陣列稱為空間點陣。假想的用直線將這些結點連接起來所形成的三維空間格架稱為晶格，如圖(b)所示。 晶格直觀地表示了晶體中原子(或離子、分子)的排列規(guī)律。,(a),(b),晶體,5,2、 晶胞 從微觀上看，晶體是無限大的、 為便于研究，常從晶格中選取一個能代表晶體原子排列規(guī)律的最小幾何單元來進行分析，這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖所示。晶胞在三維空間中重復排列便可構成晶格和晶體。 3、晶格常數 晶胞各邊的尺寸a、b、C、稱為晶格常數，又稱晶格尺寸。晶胞的大小和形狀通過晶格常數a、b、c和各棱邊之間的夾角、來描述。根據這些參數，可將晶體分為7種晶系14種晶格。其中立方晶系和六方晶系比較重要。,晶胞,晶格,z,6,7種晶系晶包參數14種晶格,0,0,0,0,0,0,0,0,7,晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半尺寸稱為原子半徑;處于不同晶體結構中的同種原子的半徑是不相同的。 4、晶胞原子數 一個晶胞內所包含的原于數目稱為晶胞原子數。 5、致密度 晶胞中原于本身所占有的體積百分數稱為致密度。 晶體中與任一原子距離最近且相等的原子數目稱為配位數。顯然，不同結構晶體的晶胞原子數、配位數和致密度也不相同，配位數越大的晶體致密度越高。,8,2. 立方晶體中的晶面與晶向 （Miller指數的求法 ） 晶體是由一系列不同方位的原子面（晶面）所組成，如下圖所示。,6、立方晶系的晶面和晶向表示方法 晶體中各方位上的原子面稱為晶面，各方向上的原子列稱為晶向。為便于研究，通常用符號來表示不同的晶面和晶向。表示晶面的符號稱為晶面指數，表示晶向的符號稱為晶向指數。下面簡單介紹立方晶系的晶面指數和晶向指數的確定方法。 晶體是由一系列不同方位的原子面（晶面）所組成，原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面稱為晶面族。如下圖所示。,9,（1）晶面指數 1）晶面指數的確定步驟為 建立坐標系:以任一原子為原點(注意原點不要放在待確定晶面上)，以過原點的三條棱邊為坐標軸，以晶格常數為測量單位建立坐標系； 求截距:求出待定晶面在三個坐標軸上的截距； 取倒數：取三個截距值的倒數并按比例化為最小整數，加一圓括號，即為所求晶面的指數。其形式為(hkL)：如果是負指數，則應將負號“”放在相應指數的上方。,例如，求截距為1，, 晶面的指數時，取三個截距值的倒數為1，0，0，加圓括號成為(100)，即為所求晶面的指數。 再如，要畫出晶面(221)，則取三指數的倒數12，12，1，即為該晶面在x，y,z三個坐標軸上的截距。 (hkl)代表的是一組互相平行的晶面。,10,2）立方晶胞中三種重要晶面指數,100包括(100)、(010)、(001)三個晶面-,11,III包括(111)、(111)、(111)、(11 1),110包括(110)、(101)、 (011)、(1 10)、(101)、 (011)六個晶面,X,Z,Y,12,（2） 晶向指數表示法 步驟：設坐標； 作平形線； 求值； 化簡； 入方括弧uvw。 注意點：？,（2） 晶向指數表示法 1）步驟：設坐標：建立坐標系(方法同上)； 作平形線：過原點作所求晶向的平行線； 求值：求該平行線上原子投影點的三個坐標值 化簡：按比例化為最小整數 加一方括號即為所求晶向的指數uvw。,例如，過原點某晶向上一點的坐標為1、15、2；將這三個坐標值按比例化為最小整數并加方括號，得2、3、4，即為該晶向的指數：又如，要畫出110晶向，需要找出(1、1、0)坐標點，連接原點與該原子坐標點的直線即為所求晶向。,13,重要的晶向： 111、 110、100,與晶面指數類似， uvw代表的是一組互相平行、方向一致的晶向。 那些原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶向稱為晶向族，用uvw表示。立方晶系常見的晶向為，100110111 特別指出的是，在立方晶系中，指數相同的晶面和晶向是互相垂直的。,14,二、常見的金屬的晶格類型 體心立方晶格 、 面心立方晶格、 密排六方晶格。,球體堆砌模型；晶格常數a 原子半徑r=? 晶胞原子數n=? 配位數C=? 致密度K=? 應用舉例：,15,1、 體心立方晶格,球體堆砌模型： 晶格常數：晶胞的各條棱邊的長度, a ； 原子半徑r：晶胞中相距最近的兩個原子之間平衡距離的1/2 ，即 ； 晶胞原子數n: 指完完全全屬于此晶胞所獨有的原子數目，n11/8 8= 2 ； 致密度K ：晶胞中原子占有體積與整個晶胞體積的比值, 即Kn（4/3 r3）/ a3 0.68 = 68% ； 配位數C ： 晶格中與任一原子相距最近且等距離原子數目，C = 8 ; 應用舉例：-Fe，Cr , V, W, Mo , Nb , -Ti , Ta 等約30余種金屬。,16,原子半徑 r =,2、面心立方晶格,球體堆砌模型:,晶格常數 a ;,a,晶胞原子數n = 1/8 8 +1/26=4,致密度 K=(n4/3r3）/a3 0.74 74,配位數C= 12 ； 應用舉例：-Fe，Cu, Al ,Pb,Au,Ag,Ni等,17,3、密排六方晶格（簡述） 球體堆砌模型； 晶格常數a，c ; 原子半徑r=1/2 a ； 晶胞原子數n= 6 ; 配位數C=8 ; 致密度K= 0.74 ； 應用舉例：Mg, Zn, Be 等,a,c,18,三種典型金屬晶體結構特點,第56頁,三種典型金屬晶體結構特點,19,三、 晶體的各向異性,晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子間的結合力就不同，晶體在不同方向上的性能各異，此即晶體的各向異性。 晶體的這種特性在力學性能、物理性能、化學性能上都能表現出來，是區(qū)別于非晶體的重要標志之一。 如圖；體心立方晶體，在不同方向，受力是不同的。 再如石膏、云母、方解石等晶體常沿一定的晶面最易被拉斷或劈裂。鐵的單晶體在磁場中沿(100)方向的磁化，比沿（111)方向容易。所以，制造變壓器鐵心的硅鋼片的（100)晶向應平行于導磁方向，以降低變壓器的鐵損。目前工業(yè)生產上已通過特殊的軋制工藝生產出了(100)晶向平行于軋制方向的硅鋼片，從而獲得優(yōu)良的導磁率。,20,四 、 實際晶體的結構特點,1. 單晶體與多晶體 （1）單晶體：其內部晶格方位完全一致的晶體。 （2）多晶體：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成。 （3）晶粒：這些小晶體稱為晶粒。 （4）晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大，晶界面上原子排列是不規(guī)則的。,21,（5）顯微組織：晶粒的尺寸(平均截線長)依金屬的種類和加工工藝的不同而不同。在鋼鐵材料中，一般為10 10 mm，必須在顯微鏡下才能看到。在顯微鏡下觀察到的金屬材料的晶粒大小、形態(tài)和分布叫做“顯微組織”。晶粒也有大到幾個至十幾個毫米，小至微晶、納米晶。 （6）亞晶界：實際晶粒都不是完全理想的晶體，每個晶粒內部不同區(qū)域的晶格位向還有微小的差別，這些小區(qū)域叫做亞晶粒，尺寸一般約10 10 mm，亞晶粒之間的界面叫做亞晶界。 （7）偽等向性：在多晶體的金屬中，每個晶粒相當于一個單晶體，具有各向異性，但各個晶粒在整塊金屬內的空間位向是任意的，整個晶體各方向上的性能則是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，整塊金屬在各個方向上的性能是均勻一致的，這稱為“偽等向性”。例如，工業(yè)純鐵在任何方向上，其彈性模量E均為210GPa。,-1,-3,-3,-5,22,1.3.2 Crystal defects 晶體缺陷,1. 點缺陷 （1） 幾何特征（2）主要形式 （3） 對性能的影響 2. 線缺陷 （1）幾何特征（2）基本類型（3）刃型位錯模型分析（4）位錯密度 （5）對性能的影響 3. 面缺陷 （1） 幾何特征（2）主要形式 （3） 對性能的影響,五、實際晶體中的晶體缺陷,實際金屬晶體內部的原子排列，并不象理想晶體那樣完整和嚴守“規(guī)則”，由于各種原因使原子的規(guī)則排列遭到破壞，存在著局部和區(qū)域的晶體缺陷。晶體缺陷對金屬材料的性能有很大影響。根據晶體缺陷的幾何特征，晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。,23,1、 點缺陷點缺陷是指在三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。 （1) 幾何特征如圖； （2)主要形式：空位、間隙原子、 置換原子 。 （3) 對性能的影響 點缺陷導致的晶格畸變，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。,點缺陷的幾種形式 圖中： 2空位； 1，6置換原子； 3間隙原子； 4空位對； 5空位與間隙原子。,24,2、線缺陷 線缺陷是指二個維度尺寸很小而在另一個維度上尺寸相對很大的缺陷。即”位錯“,晶體局部滑移造成的刃型位錯,刃型位錯模型,螺型位錯模型,25,晶界（a）及亞晶界（b）示意圖,3、 面缺陷指晶體內部呈面狀分布的缺陷。常見的有晶界和亞晶界,晶界層內原子排列折中位置,晶粒細則晶界增多，金屬的強度、硬度也較高，這就是“細晶強化”的基本原理。亞晶界也形成晶格畸變，有強化金屬的作用。,26,實際金屬的晶體結構特征,實際金屬的晶體結構特征,實際金屬的晶體結構特征,實際金屬的晶體結構特征,27,六、金屬的同素異構(晶）轉變,1、同素異構轉變有些物質在固態(tài)下其晶格類型會隨溫度變化而發(fā)生變化，這種現象稱為同素異構轉變。如通常所說的錫疫，即為四方結構的白錫在13下轉變?yōu)榻饎偸⒎浇Y構的灰錫。同素異構轉變同樣也遵循形核、長大的規(guī)律，但它是一個固態(tài)下的相變過程，即固態(tài)相變。在金屬中，除錫之外，鐵、錳、鈷、鈦等也都存在著同素異構轉變。 2固態(tài)轉變的特點 固態(tài)轉變又稱二次結晶或重結晶，它有著與結晶不同的特點： 發(fā)生固態(tài)轉變時，形核一般在某些特定部位發(fā)生，如晶界、晶內缺陷、特定晶面等。因為這些部位或與新相結構相近，或原子擴散容易。 因固態(tài)下擴散困難，所以固態(tài)轉變的過冷傾向大。固態(tài)相變組織通常要比結晶組織細。 固態(tài)轉變往往伴隨著體積變化，因而易產生很大的內應力，使材料發(fā)生變形或開裂。,28,純鐵的冷卻產生同素異晶轉變，由于面心立方晶格-Fe中鐵原子的排列比-Fe緊密，故由-Fe轉變?yōu)?-Fe時，金屬的體積將發(fā)生膨脹。反之，由-Fe轉變?yōu)?Fe時，金屬的體積要收縮。 這種體積變化使金屬內部產生的內應力稱為組織應力。 -Fe常溫下是鐵磁性物質，770發(fā)生轉變，磁性消失，無晶格類型的變化。,3、純鐵同素異晶轉變,29,第三節(jié) 金屬的結晶過程,物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程稱為凝固。 材料的凝固分為兩種類型： 一種是形成晶體，我們稱之為結晶； 另一種是形成非晶體，非晶態(tài)材料在凝固過程中是逐漸變硬的。 金屬材料的凝固過就是結晶過程。結晶是由一種相(液相)轉變?yōu)榱硪环N相(固相)的過程，即是相變過程。,30,一、結晶的熱力學條件 由熱力學第二定律可知，物質遵循能量最小原理，即物質總是自發(fā)地向著能量降低的方向轉化。 圖給出了在等壓條件下液、固態(tài)金屬的自由能與溫度的關系曲線，無論是液體還是晶體，其自由能均隨溫度升高而降低，兩者斜率不同，液相的斜率大于固相，兩曲線交點的溫度T0為金屬的理論結晶溫度即熔點。這時液、固兩相的自由能相等，液、固兩相處于動態(tài)平衡狀態(tài)，兩相可以長期共存。,當T=T0時，G液=G固，兩相共存； 當TT0時，G液G固，金屬結晶成固體，而G=G固-G液0，為結晶的驅動力； 由此可知過冷是結晶的必要條件，T越大，結晶驅動力越大，結晶速度越快。,GL液體自由能,Gs固體自由能,T,G,自由能,T1,T0,G,31,二、冷卻曲線和過冷度 結晶只有在理論結晶溫度以下才能發(fā)生，這種現象稱為過冷。結晶的驅動力是實際結晶溫度(T1)下晶體與液體的自由能差Gv，而理論結晶溫度(T0)與實際結晶溫度(T1)的差值稱為過冷度( T)，即 T=T0T1。 圖是通過實驗測定的液體金屬冷卻時溫度和時間的關系曲線，稱為冷卻曲線。由于結晶時放出結晶潛熱，曲線上出現了水平線段。,純金屬結晶時的冷卻曲線,孕育期,過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大,32,1結晶的基本規(guī)律 結晶過程由晶核形成和晶核長大兩個基本過程組成。 如圖液態(tài)金屬的結構介于氣體(短程無序)和晶體(長程有序)之間，即長程無序、短程有序。因此，在液態(tài)金屬中存在許多有序排列的小原子團，這些小原子團或大或小，時聚時散，稱為晶胚。在T0溫度以上，由于液相自由能低，這些晶胚不可能長大，而當冷卻到T0以下后，便處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，經過一段時間(稱為孕育期)，那些達到一定尺寸的晶胚將開始長大。,三、結晶過程,這些能夠繼續(xù)長大的晶胚稱為晶核。晶核形成后，便向各個方向不斷地長大。在這些晶核長大的同時，又有新的晶核產生，就這樣不斷形核，不斷長大，直到液體完全消失為止。每一個晶核最終長成為一個晶粒，兩晶粒接觸后便形成晶界。,純金屬的結晶過程,氣體結構示意圖,液體結構示意圖,晶體結構示意圖,33,2晶核的形成方式 晶核的形成方式有兩種，即自發(fā)形核和非自發(fā)形核。 (1)自發(fā)形核:晶核完全是由液體中瞬時短程有序的原子團形成。又稱均勻形核。 (2)非自發(fā)形 :晶核依靠 液體中存在的固體雜質或容器壁形核。 又稱非均勻形核。 人工晶核：在金屬的結晶過程，人工加入非自發(fā)晶核物質。,34,當過冷液體(處于T0以下未發(fā)生結 晶的液體)中形成晶胚時，一方面體系的體積自由能要降低，另一方面，由于晶胚產生了新界面，增加了界面自由 能。體系自由能總的變化 G總是上述兩項能量之和。 G總隨晶胚半徑r的增加而存在極大值 G*，如圖所示，該極大值即為形核時需克服的能壘，極大值所對應的r值即為臨界晶核半徑 rc。只有rrc的晶胚才稱為晶核，此時，隨晶核長大， G總下降。 在實際結晶過程中，自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時存在的，但以非自發(fā)形核方式發(fā)生結晶為普遍。,35,3.晶核的長大方式樹枝狀,晶核長大的兩種方式 （1）均勻長大：當過冷度很小時，結晶以均勻長大方式進行，由于自由晶體表面總是能量最低的密排面，因而晶粒在結晶過程中保持著規(guī)則的外形，只是在晶?；ハ嘟佑|時，規(guī)則的外形才被破壞。 （2）樹枝形式長大：實際金屬結晶時冷卻速度較大，因而主要以樹枝形式長大，如圖所示這是由于晶核棱角處的散熱條件好、生長快，先形成枝干，而枝干間最后被填充。 在樹枝生長過程中，由于液體流動、振動等因素影響，使某些晶枝發(fā)生偏斜或折斷，因而形成亞晶粒結構。,一次晶軸,二次晶軸,三次晶軸,36,4、多晶體 金屬液體中晶核的形成先后不一，長大的條件也不同，因而形成的晶粒大小、形狀和位向各不相同，晶粒之間最后形成過渡的界面成為晶界，晶界把晶粒連結組成多晶體，最后結晶的晶界原子呈不太規(guī)則的過渡排列，晶界對金屬性能有很大的影響。,37,四、晶粒度 1、晶粒大小對金屬性能的影響 ： 實際金屬結晶后形成多晶體，晶粒的大小對力學性能影響很大。一般情況下，晶粒細小則金屬強度、塑性、韌性好，且晶粒愈細小，性能愈好。 晶粒大小可用單位面積上的晶粒數目或者晶粒平均截線長度(平均直徑)來表示。,下表列出了純鐵晶粒大小對其強度和塑性的影響,38,2、影響晶粒度的因素 金屬結晶后單位體積中晶?？倲礪與結晶過程中的形核率N(單位時間在單位體積內所形成的晶核數)和成長速率G(單位時間界面向前推進的距離)之間存在如下關系： 上式表明，凡是增大N/G值的方法，都會細化晶粒。 并非任何金屬材料都要求晶粒愈細愈好。 在高溫下，較粗晶粒金屬比細晶粒金屬具有更高的強度。 制造電機變壓器的硅鋼片，就要求晶粒粗大，因為晶粒粗大的硅鋼片磁滯損耗較小，電磁效率高。所以，對于材料晶粒大小的要求，必須根據實際需要而定。 3、細化晶粒的方法 研究發(fā)現有兩個途徑： 一是增加形核率N；二是降低長大速率G ；,N=0.9(),N,G,3/4,39,3、工業(yè)上控制晶粒大小的方法 （1）提高冷卻速度細化晶粒： 不同過冷度T對形核率N和成長速率G的影響如圖所示。過冷度等于零時，結晶沒有發(fā)生; 過冷度增大，形核率和長大速率都增大，過冷度增大至一定值時，形核率N和長大速率G達到最大值。之后，隨過冷度的增大，N和G反而逐漸減小，因過冷度很大，開始結晶溫度非常低，造成液態(tài)金屬中原子擴散困難.,過冷度的大小取決于冷卻速度，冷卻速度大則過冷度大。,40,提高金屬結晶冷卻速度的方法: 降低金屬液的澆注溫度、采用金屬模、水冷模、連續(xù)澆注等。 對于大截面的鑄錠或鑄件，欲獲得大的過冷度是不容易實現的，更難以使整個體積范圍內均勻冷卻以得到較均勻的晶粒度，因此工業(yè)生產中常采用變質處理和振動攪拌等方法來細化晶粒。 （2）變質處理:是在液態(tài)金屬澆注前專門加入可成為非自發(fā)晶核的固態(tài)變質劑，增加晶核數，提高形核率，達到細化晶粒的目的。通常在鋼中加入鋁、釩等。鋁合金中加入鈦、鋯等，用于一些大型鑄件。 （3）采用機械振動、超聲振動和電磁攪拌等方法,使結晶過程中形成的枝晶折斷裂碎，增加晶核數，達到細化晶粒的目的。,41,特點:組織致密、均勻，力學性能好，但一般都很薄，對鑄錠的性能影響不大，但若采取強制水冷等措施，擴大增厚表層細晶粒區(qū)，對改善提高金屬性能有積極意義。,第四節(jié)、金屬鑄錠與焊縫組織 金屬鑄錠可看作形狀簡單的大型鑄件，是金屬型材的基礎坯材，其組織性能對金屬型材有很大的影響，鑄錠的表層和中心因冷卻結晶條件不同,其組織不同。 （1）三個具有不同特征的結晶區(qū)（如圖示） 1)表層細晶區(qū) 液態(tài)金屑注入低溫鑄錠模時，接觸金屬模壁的液態(tài)金屬層被激冷，很大的過冷度使形核率很大，同時金屬模壁還能促進非自發(fā)晶核的產生，因此在鑄錠表層形成細晶粒區(qū)。,42,2)柱狀晶粒區(qū) 在表層細晶粒區(qū)形成的同時，模壁 溫度逐漸升高，使金屬液的冷卻速度逐漸降低，過冷度減小，形核率降低而長大率變化不大，由于垂直模壁方向散熱