第三章材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第三章第三章 材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1、晶體晶體原子（分子、離子、原子團(tuán)）具有規(guī)原子（分子、離子、原子團(tuán)）具有規(guī)則排列的物質(zhì)。則排列的物質(zhì)。 晶體的特點(diǎn)：晶體的特點(diǎn)： 有規(guī)則的外形有規(guī)則的外形 具有一定的熔點(diǎn)具有一定的熔點(diǎn) 內(nèi)部原子有規(guī)律的周期性排列內(nèi)部原子有規(guī)律的周期性排列 具有具有各向異性各向異性（見(jiàn)課本（見(jiàn)課本P28）第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、晶格晶格晶晶體的基本粒子體的基本粒子抽象成幾何點(diǎn)，抽象成幾何點(diǎn)，它們?cè)诳臻g的它們?cè)诳臻g的排布形成空間排布形成空間點(diǎn)陣，用假想點(diǎn)陣，用

2、假想的線把這些空的線把這些空間點(diǎn)陣連接起間點(diǎn)陣連接起來(lái)形成的格架。來(lái)形成的格架。晶胞晶胞從晶格中選取最基本、最從晶格中選取最基本、最具代表性的結(jié)構(gòu)單元。具代表性的結(jié)構(gòu)單元。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)原子排列模型原子排列模型晶格晶格晶胞晶胞第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)3、晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶胞大小和形狀參數(shù)：晶胞大小和形狀參數(shù)： 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a、b、c 夾夾 角：角：、簡(jiǎn)單立方晶胞簡(jiǎn)單立方晶胞a=b=c，=904、晶系晶系根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體結(jié)構(gòu)分為七大晶系根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體結(jié)構(gòu)分為七大晶系第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞所占體積原子所

3、占體積第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)5、致密度和配位數(shù)致密度和配位數(shù) 評(píng)定晶體中原子排列的緊密程度評(píng)定晶體中原子排列的緊密程度 配位數(shù)：晶格中任一原子周圍最近鄰且等距離配位數(shù)：晶格中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)。配位數(shù)越大，原子排列越緊密。的原子數(shù)。配位數(shù)越大，原子排列越緊密。原子所占體積原子所占體積晶胞體積晶胞體積致密度致密度 = =第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)（二、典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)重點(diǎn)）1 1、體心立方晶格、體心立方晶格 bcc （body centered cubs）晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：原子半徑：

4、原子半徑：配位數(shù)：配位數(shù)：8 8 致密度：致密度：a4328181N68. 08323334ark第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2 2、面心立方晶格、面心立方晶格 fcc （face centered cubs）晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：配位數(shù)：配位數(shù)：12 12 致密度：致密度：48182160Na4274. 06243334ark第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)3 3、密排六方晶格密排六方晶格 hcp （hexagonal close pach）晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a、c c，軸比，軸比c/a=1.633晶胞原子數(shù)：晶

5、胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：配位數(shù)：配位數(shù)：12 12 致密度：致密度：661122123Na2174. 0626382233334aark第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)（三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)（重點(diǎn)重點(diǎn)）1 1、晶向指數(shù)：、晶向指數(shù)： 標(biāo)定原標(biāo)定原子列在空間子列在空間的位向，用的位向，用來(lái)指示物質(zhì)來(lái)指示物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿某直質(zhì)點(diǎn)沿某直線分布的情線分布的情況，這個(gè)指況，這個(gè)指數(shù)稱為晶向數(shù)稱為晶向指數(shù)。指數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)步驟：步驟：以晶胞某陣點(diǎn)為原點(diǎn)，三條以晶胞某陣點(diǎn)為原點(diǎn)，三條 棱邊作為坐標(biāo)系；棱邊作為坐標(biāo)系；過(guò)原點(diǎn)作待定晶向的平行線；

6、過(guò)原點(diǎn)作待定晶向的平行線；在該直線上選取某一陣點(diǎn)，在該直線上選取某一陣點(diǎn)， 確定該點(diǎn)坐標(biāo)值；確定該點(diǎn)坐標(biāo)值；把坐標(biāo)值化為最小整數(shù)，把坐標(biāo)值化為最小整數(shù)， 記為記為 u v w 。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)例一例一 已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)分別為已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)分別為1 1、1.51.5、2 2，求該直線的晶向指數(shù)。，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得 2 3 4 。例二例二 已知晶向指數(shù)為已知晶向指數(shù)為110110，畫出該晶向。，畫出該晶向。找出找出1 1、1 1、0 0坐標(biāo)點(diǎn)，坐標(biāo)點(diǎn)，連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線連接原

7、點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即為所求晶向。即為所求晶向。xyz234110第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2 2、晶面指數(shù)：、晶面指數(shù)： 標(biāo)定原標(biāo)定原子面的符號(hào)，子面的符號(hào)，用于指示物用于指示物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在某質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在某個(gè)面上的分個(gè)面上的分布情況。布情況。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)步驟：步驟：以晶胞某陣點(diǎn)為原點(diǎn)，以晶胞某陣點(diǎn)為原點(diǎn)，三條棱邊作為坐標(biāo)系，三條棱邊作為坐標(biāo)系，晶格常數(shù)為單位長(zhǎng)度；晶格常數(shù)為單位長(zhǎng)度；確定待定晶面在各軸上確定待定晶面在各軸上的截距；的截距；取截距的取截距的倒數(shù)倒數(shù)，化為最，化為最小整數(shù)；小整數(shù)；記為（記為（h k l）。）。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體

8、結(jié)構(gòu)例一例一 求截距為求截距為 、1 1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0 0、1 1、0 0，加圓括弧得（，加圓括弧得（010010）例二例二 求截距為求截距為2 2、3 3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/21/2、1/31/3、0 0，化為最小整數(shù)加圓括弧，化為最小整數(shù)加圓括弧得（得（320320）例三例三 畫出（畫出（112112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最小整數(shù)為化成最小整數(shù)為2 2、2 2、1 1，即為，即為X X、Y Y、Z Z三坐標(biāo)軸上的截距三坐標(biāo)軸上的截距第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬

9、的晶體結(jié)構(gòu)注：注：晶向與晶面指數(shù)中若為負(fù)數(shù)，負(fù)號(hào)加在數(shù)字頂晶向與晶面指數(shù)中若為負(fù)數(shù)，負(fù)號(hào)加在數(shù)字頂部，如部，如 、晶向指數(shù)代表所有平行晶向，晶面指數(shù)代表一組平晶向指數(shù)代表所有平行晶向，晶面指數(shù)代表一組平行的面行的面在立方晶格中，指數(shù)相同的在立方晶格中，指數(shù)相同的 晶向與晶面必然垂直，如晶向與晶面必然垂直，如 110和和(110)如果一個(gè)晶向平行于某個(gè)晶如果一個(gè)晶向平行于某個(gè)晶 面，則面，則hu+kv+lw=0,如如001 和和(110)010)100(110(110)001第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)3 3、晶面族和晶向族、晶面族和晶向族 晶面族：晶面指數(shù)中各數(shù)字相同但符號(hào)不同或

10、晶面族：晶面指數(shù)中各數(shù)字相同但符號(hào)不同或排列順序不同的，具有相同的原子密度和性質(zhì)，排列順序不同的，具有相同的原子密度和性質(zhì)，可構(gòu)成晶面族，表示為可構(gòu)成晶面族，表示為 h k l 晶向族：原子排列規(guī)律相同但空間位向不同的晶向族：原子排列規(guī)律相同但空間位向不同的所有晶向組成晶向族，表示為所有晶向組成晶向族，表示為 100=(100)+(010)+(001)111110=(110)+(101)+(011)+( 10)+( 01)+(0 1)111=100+010+001+ 00+0 0+00 111=110+101+011+ 10+ 01+0 1+110(110) (110)(101) (101)(

11、011) (011)XZY111111111111XZY第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)4 4、晶面和晶向的原子密度、晶面和晶向的原子密度 晶面原子密度：?jiǎn)挝幻娣e晶面上的原子數(shù)晶面原子密度：?jiǎn)挝幻娣e晶面上的原子數(shù) 晶向原子密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)晶向原子密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)不同晶面和晶向上的原子密度是不同的，不同晶面和晶向上的原子密度是不同的，原子密原子密度最大的晶面和晶向稱為度最大的晶面和晶向稱為密排面密排面和和密排方向。密排方向。密排面密排面密排方向密排方向體心立方晶格體心立方晶格110面心立方晶格面心立方晶格111密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面 底面對(duì)角線

12、底面對(duì)角線第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方(110)(110)面面面心立方面心立方(111)(111)面面 密排六方底面密排六方底面第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體的各向異性四、晶體的各向異性 單晶體中不同晶面和晶向上的原子排單晶體中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，因而，在不同的列方式和密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各種性能也不同，這晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為各向異性各向異性。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體單晶體：晶體內(nèi)部晶格位向完全一致的晶

13、體。：晶體內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體。多晶體多晶體：多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)：多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的金屬材料是實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶成，這些小晶體稱為晶粒。粒。晶粒示意圖晶粒示意圖第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷單晶體單晶體多晶體多晶體晶粒晶粒晶界晶界晶粒之間晶粒之間的交界面的交界面（晶粒越（晶粒越細(xì)小，晶細(xì)小，晶界面積越界面積越大）大）光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷沿晶斷口沿晶斷口鉛錠宏

14、觀組織鉛錠宏觀組織第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷二、晶體缺陷（難點(diǎn)）二、晶體缺陷（難點(diǎn)）晶體缺陷晶體缺陷原子排列原子排列的不規(guī)則，偏離理想結(jié)的不規(guī)則，偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域。構(gòu)的區(qū)域。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷1 1、點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷 第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷空空 位位間隙原子間隙原子a a. . 空位空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b b. . 間隙原子間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允牵簲D進(jìn)晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來(lái)原子。基體金屬原

15、子，也可以是外來(lái)原子。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 c. c. 置換原子置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子。：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子。小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子l 點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變格畸變。會(huì)使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。會(huì)使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷2 2、線缺陷、線缺陷晶格中的位錯(cuò)晶格中的位錯(cuò) 位錯(cuò)位錯(cuò)：晶體中某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的：晶體中某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律

16、的錯(cuò)排現(xiàn)象。分為錯(cuò)排現(xiàn)象。分為刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷透射電鏡下鈦合金中透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線的位錯(cuò)線( (黑線黑線) )高分辨率電鏡下的刃高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）位錯(cuò)（白點(diǎn)為原

17、子）電子顯微鏡下的位錯(cuò)電子顯微鏡下的位錯(cuò)第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷3 3、面缺陷、面缺陷 晶界與亞晶界晶界與亞晶界 晶界晶界：不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為：不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為510個(gè)原子間距，位向差一般為個(gè)原子間距，位向差一般為2040亞晶界亞晶界：尺寸很小，位向差也很小：尺寸很小，位向差也很小（210）的的小晶塊之間的交界面。亞晶界也可看作小晶塊之間的交界面。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁位錯(cuò)壁。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則 熔點(diǎn)低熔點(diǎn)低 耐蝕性差耐蝕性差 易產(chǎn)生

18、內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核部位 第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷三、金屬中的擴(kuò)散三、金屬中的擴(kuò)散 擴(kuò)散是一種由熱運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳輸過(guò)程。金擴(kuò)散是一種由熱運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳輸過(guò)程。金屬中許多現(xiàn)象，如結(jié)晶、氧化、燒結(jié)、合金化屬中許多現(xiàn)象，如結(jié)晶、氧化、燒結(jié)、合金化等，都與擴(kuò)散相關(guān)。等，都與擴(kuò)散相關(guān)。 純金屬：原子遷移純金屬：原子遷移濃度不變化濃度不變化自擴(kuò)散自擴(kuò)散 含雜質(zhì)的金屬

19、：原子遷移含雜質(zhì)的金屬：原子遷移濃度變化濃度變化異擴(kuò)散異擴(kuò)散第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷1.1.擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制間隙機(jī)制間隙機(jī)制 間隙固溶體中，小尺間隙固溶體中，小尺寸的間隙原子（寸的間隙原子（C C、N N、O O、H H）可以通過(guò)晶格間隙躍遷）可以通過(guò)晶格間隙躍遷到相鄰的間隙位置（圖中到相鄰的間隙位置（圖中的的1 1為間隙原子的原始位置，為間隙原子的原始位置，2 2為跳動(dòng)后的位置），但是為跳動(dòng)后的位置），但是必須克服必須克服勢(shì)壘勢(shì)壘。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷換位機(jī)制換位機(jī)制第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)

20、際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷2.2.擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律 菲克菲克( (FickFick) )第一定律：第一定律： 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，單位時(shí)間通過(guò)垂直于擴(kuò)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，單位時(shí)間通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量J J與此處的與此處的濃度梯度成正比。濃度梯度成正比。dxdcDJ擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù) 菲克菲克( (FickFick) )第二定律：第二定律： 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散物質(zhì)濃度隨時(shí)間非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化率，與沿?cái)U(kuò)散方向上擴(kuò)散物質(zhì)濃度梯度的變化率，與沿?cái)U(kuò)散方向上擴(kuò)散物質(zhì)濃度梯度隨擴(kuò)散距離的變化率成正比。隨擴(kuò)散距離的變化率成正比。22xcDtc濃度

21、不隨時(shí)間變化濃度不隨時(shí)間變化第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷3.3.影響擴(kuò)散的主要因素影響擴(kuò)散的主要因素（1 1）溫度）溫度RTQeDD0 溫度升高，擴(kuò)散原子獲得能量超越勢(shì)壘幾率增溫度升高，擴(kuò)散原子獲得能量超越勢(shì)壘幾率增大且空位濃度增大，有利擴(kuò)散，對(duì)固體中擴(kuò)散型大且空位濃度增大，有利擴(kuò)散，對(duì)固體中擴(kuò)散型相變、晶粒長(zhǎng)大、化學(xué)熱處理有重要影響。相變、晶粒長(zhǎng)大、化學(xué)熱處理有重要影響。工業(yè)滲碳：工業(yè)滲碳：1027比比927時(shí)，時(shí)，D增加三倍，即增加三倍，即滲碳速度加快三倍滲碳速度加快三倍第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷（3 3）表面及晶體缺陷

22、）表面及晶體缺陷 金屬表面和晶界處，大量存在缺陷，晶格畸變金屬表面和晶界處，大量存在缺陷，晶格畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，所需的擴(kuò)散較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，所需的擴(kuò)散激活能低。激活能低。（2 2）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu) 原子排列密度原子排列密度金屬原子擴(kuò)散時(shí)需要克服的金屬原子擴(kuò)散時(shí)需要克服的勢(shì)壘勢(shì)壘擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠一、結(jié)晶的概念一、結(jié)晶的概念T = T0時(shí)，時(shí)，F(xiàn) = 0TT0時(shí)，時(shí)，F(xiàn) = F液液F固固0結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力過(guò)冷度過(guò)冷度T= T0 Tn理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度冷卻冷卻v過(guò)冷度過(guò)冷度T結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)

23、動(dòng)力F 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 液液液液+固固 固固溫度溫度時(shí)間時(shí)間純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠二、金屬的結(jié)晶過(guò)程二、金屬的結(jié)晶過(guò)程形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大1 1、結(jié)晶的基本過(guò)程、結(jié)晶的基本過(guò)程 結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基兩個(gè)基本過(guò)程組成本過(guò)程組成 液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯晶坯。在。在T T0 0以下，經(jīng)一段孕育期后，一些大尺寸的以下，經(jīng)一段孕育期后，一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶

24、坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核晶核。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 晶核形成后便向各方向晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。接觸后形成晶界。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠2 2、晶核的形成、晶核的形成 形核有兩種方式：形核有兩種方式： 由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱稱均勻形核均勻形核。 以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心，或以液體中存在的固態(tài)

25、雜質(zhì)為核心，或依附現(xiàn)成界面的形核稱依附現(xiàn)成界面的形核稱非均勻形核非均勻形核。非均勻形核更為普遍。非均勻形核更為普遍。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠3 3、晶核的長(zhǎng)大、晶核的長(zhǎng)大 長(zhǎng)大方式：長(zhǎng)大方式：均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大和和樹枝狀長(zhǎng)大（枝晶長(zhǎng)大）樹枝狀長(zhǎng)大（枝晶長(zhǎng)大）均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 實(shí)際金屬結(jié)晶主要為實(shí)際金屬結(jié)晶主要為枝晶長(zhǎng)大枝晶長(zhǎng)大，因?yàn)椋驗(yàn)榫Ш死饨蔷呔Ш死饨蔷哂辛己玫纳釛l件且缺陷多，易于獲得周圍液體有良好的散熱條件且缺陷多，易于獲得周圍液體中的原子，得到優(yōu)先生長(zhǎng)中的原子，得到優(yōu)先生長(zhǎng)，先形成一次軸，一次，先形成一次軸，一次軸又會(huì)

26、產(chǎn)生二次軸軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸，樹枝間最后被填充。，樹枝間最后被填充。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠4 4、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制 （重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 晶粒度晶粒度：衡量晶：衡量晶粒大小的尺寸，粒大小的尺寸，一般以平均面積一般以平均面積或平均直徑表示?；蚱骄睆奖硎?。 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，通過(guò)八級(jí)，通過(guò)100100倍顯微鏡下的晶倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 控制過(guò)冷度控制過(guò)冷度 晶粒的大小取決于晶核的晶粒的大小取決于晶核的形核率形核率N和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G，N/G比值越大，晶粒

27、越細(xì)小。比值越大，晶粒越細(xì)小。 TN/G 晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 變質(zhì)處理變質(zhì)處理：金屬液凝固之前加入某種難熔雜：金屬液凝固之前加入某種難熔雜質(zhì)，促進(jìn)非自發(fā)形核，細(xì)化晶粒。質(zhì)，促進(jìn)非自發(fā)形核，細(xì)化晶粒。 （難熔雜質(zhì)（難熔雜質(zhì)變質(zhì)劑）變質(zhì)劑）變質(zhì)處理前變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理后鑄鐵變質(zhì)前后的組織，變質(zhì)劑為硅鐵合金鑄鐵變質(zhì)前后的組織，變質(zhì)劑為硅鐵合金第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 振動(dòng)或攪動(dòng)振動(dòng)或攪動(dòng) 提供能量，促使液態(tài)金屬遷移，促進(jìn)提供能量，促使液態(tài)金屬遷移，促進(jìn)晶核提前形成晶核提前形成 已長(zhǎng)成的晶核破碎，形成非自發(fā)

28、晶核已長(zhǎng)成的晶核破碎，形成非自發(fā)晶核第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠三、鑄錠組織與缺陷三、鑄錠組織與缺陷 在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，澆注到錠模中便得到鑄錠，鑄錠是各種金屬材料成材的鑄錠是各種金屬材料成材的毛坯。毛坯。 鑄錠的組織及其存在的缺陷鑄錠的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。接的影響。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠1 1、鑄錠的組織、鑄錠的組織 表層等軸細(xì)晶區(qū)表層等軸細(xì)晶區(qū) 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 中心等軸粗晶區(qū)中心等軸粗晶區(qū)第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過(guò)冷度及非均勻形核作用，生很大的過(guò)冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核困難。液體的過(guò)冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬的結(jié)晶與鑄錠 中心粗等軸晶