第二章金屬的晶體結構

1、l金屬原子是通過正離子與自金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結合的，由電子的相互作用而結合的，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。l金屬具有良好的導熱性、導金屬具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。電性、延展性及金屬光澤。金屬的結構金屬的結構晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結構的結構 1、晶體與非晶體、晶體與非晶體 晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有式存在。晶體具有各向異性各向異性和和固定熔點固定熔點特性。特性。 非晶體是指原子呈無序排列的固體。非晶體是指原子呈

2、無序排列的固體。非晶體具有非晶體具有各向同性各向同性、沒有固定的熔點。沒有固定的熔點。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。l晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架三維空間格架。直線的交點（即原子中心）稱。直線的交點（即原子中心）稱結點結點。由結點形成的空間點的陣列稱由結點形成的空間點的陣列稱空間點陣空間點陣。l晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元. .晶體晶格晶胞示意圖晶體晶格晶胞示意圖l晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞個邊的晶胞個邊的 尺寸尺寸 a、b、c

3、。各棱間各棱間 的夾角用的夾角用 、 、 表示。表示。l3、晶系：、晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c, = =90 , =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l4、原子半徑：、原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半間距的一半。l5、晶胞原子數(shù)：、晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目一個晶胞內(nèi)所包含的原

4、子數(shù)目。l6、配位數(shù)：、配位數(shù)：晶格中與任晶格中與任一原子距離最近且相等的一原子距離最近且相等的原子數(shù)目原子數(shù)目。l7、致密度：、致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù)本身所占的體積百分數(shù)。二、常見金屬的晶格類型二、常見金屬的晶格類型l體心立方晶格體心立方晶格(BCC)l體心立方晶格體心立方晶格(BCC)晶胞晶胞原子個數(shù)：原子個數(shù)：2致密度：致密度：0.68致密度致密度=Va /Vc，其中，其中 Vc:晶胞體積晶胞體積a3 Va:原子總體積原子總體積2 4 r3/3常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半

5、徑：l面心立方晶格面心立方晶格(FCC)a42r ：原子半徑原子半徑晶胞晶胞原子個數(shù)：原子個數(shù)：4致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格(FCC)l密排六方晶格密排六方晶格(HCP)a21r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格(HCP) 1、單晶體和、單晶體和多晶體多晶體 單晶體：單晶體：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完 全一致

6、的晶體。全一致的晶體。 多晶體：多晶體： 晶粒：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、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，這些小晶體稱為外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒晶粒。變變形金屬晶粒尺寸約形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達幾，鑄造金屬可達幾mm。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細小，晶界面積越大。晶粒越細小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體由多晶粒組成的晶體 結構。結構。l2、晶體缺陷及其晶體缺陷及其 與性能之間的關系與性能之間的關系l晶格的不完整部位稱晶格的不完整部位稱晶體缺陷晶體缺陷。光學金相顯示的純鐵晶界光學金

7、相顯示的純鐵晶界l實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類：實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類：l 點缺陷點缺陷l 空位：空位：晶格中某些缺排原子的空結點。晶格中某些缺排原子的空結點。l 間隙原子：間隙原子：擠進晶格間隙中的原子稱間隙原子。擠進晶格間隙中的原子稱間隙原子。l間隙原子可以是基體金屬原子，也可以是外來原子間隙原子可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。l 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱子稱置換原子置換原子。l點缺陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變格畸變。從而強度

8、、硬度提高，塑性、韌性下降。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子 刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯位錯位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作作位錯位錯。有。有刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯兩種類型。兩種類型。l刃型位錯：刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多半個原子面

9、，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“”表示。表示。l位錯密度位錯密度：單位體積內(nèi)所：單位體積內(nèi)所 包含的位錯線總長度。包含的位錯線總長度。 = S/V (cm/cm3或或1/cm2)l金屬中的位錯密度為金屬中的位錯密度為1041012 /cm2 。l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。動引起，

10、因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。從從 - 關系可以看出，減少或增加位錯密度都可以關系可以看出，減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。提高金屬的強度。透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個原個原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很?。?0 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶

11、粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看。亞晶界也可看作作位錯壁位錯壁。l晶界的特點：晶界的特點：l 原子排列不規(guī)則。原子排列不規(guī)則。l 熔點低。熔點低。l 耐蝕性差。耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。的金屬力求獲得細晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部位。是相變的優(yōu)先形核部位。 l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固凝固。l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結晶結晶。晶體液體液體結晶結晶結晶：

12、 液體液體 - - 晶體晶體凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為另一個相的過程稱為相變相變。因而結晶過程。因而結晶過程是相變過程。是相變過程。一、金屬結晶的基本規(guī)律一、金屬結晶的基本規(guī)律1、冷卻曲線與過冷度、冷卻曲線與過冷度l金屬結晶時溫度與時間的關系曲金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱線稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上水平階段曲線上水平階段所對應的溫度稱所對應的溫度稱實際結晶溫度實際結晶溫度T1。l 曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。 純金屬的冷卻曲線純

13、金屬的冷卻曲線 過冷與過冷度過冷與過冷度l純金屬都有一個純金屬都有一個理論結晶溫度理論結晶溫度T0(熔點熔點或或平衡結晶平衡結晶溫度溫度)。在該溫度下。在該溫度下, 液體和晶體處于液體和晶體處于動平衡狀態(tài)動平衡狀態(tài)。l結晶只有在結晶只有在T0以下的實際以下的實際 結晶溫度下才能進行。結晶溫度下才能進行。霧凇霧凇l液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象稱現(xiàn)象稱過冷過冷。理論結晶溫度與實際結晶溫理論結晶溫度與實際結晶溫度的差度的差 T稱稱過冷度過冷度。 T= T0 T1l過冷度大小與冷卻速過冷度大小與冷卻速 度有關，度有關，冷速越大，冷速越大， 過冷度越大過冷

14、度越大。 （1）結晶的基本過程）結晶的基本過程l結晶由結晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的長大的長大兩個基本過程組成。兩個基本過程組成。l液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為們時聚時散，稱為晶坯晶坯。在。在T0以下，經(jīng)一段時間以下，經(jīng)一段時間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為稱為晶核晶核。界面自由能界面自由能體積自由能體積自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能變化自由能變化Gl晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶核產(chǎn)生。核產(chǎn)

15、生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界觸后形成晶界。 （2）晶核的形成方式晶核的形成方式l形核有兩種方式，即形核有兩種方式，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。l由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。l以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍非均勻形核更為普遍。非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖 （3）晶核的長大方式晶核的長大方式l晶核的長大方

16、式有兩種，即晶核的長大方式有兩種，即 均勻長大均勻長大和和樹枝狀長大樹枝狀長大。l在在正溫度梯度正溫度梯度下，晶體生長下，晶體生長 以平面狀態(tài)向前推進。以平面狀態(tài)向前推進。光滑界面光滑界面粗糙界面粗糙界面正溫度梯度正溫度梯度l實際金屬的結晶主要以樹枝狀長大。實際金屬的結晶主要以樹枝狀長大。l這是由于存在這是由于存在負溫度梯度，負溫度梯度，且且晶核棱角處的散熱晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成條件好，生長快，先形成一次軸一次軸，一次軸又會產(chǎn)，一次軸又會產(chǎn)生生二次軸二次軸，樹枝間最后被填充。，樹枝間最后被填充。負溫度梯度負溫度梯度金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬

17、的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶l（1）晶粒度）晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度可用晶粒的晶粒度可用晶粒的 平均面積或平均直徑表示。平均面積或平均直徑表示。l工業(yè)生產(chǎn)上采用工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級晶粒度等級來表示晶粒大小。來表示晶粒大小。標準標準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細。通過。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。 （2）決定晶粒度的因素）決定晶粒度的因素l晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長大速度長大速度。l單位時間、單位體積內(nèi)形成的

18、晶核數(shù)目叫單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。l單位時間內(nèi)晶核生長的長度單位時間內(nèi)晶核生長的長度過冷度對過冷度對N、G的影響的影響叫叫長大速度長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細小比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制長因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。大的因素，都能細化晶粒。 1、控制過冷度控制過冷度：隨過冷度隨過冷度增增 加，加，N/G值增加，晶粒變細。值增加，晶粒變細。 2、變質(zhì)處理變質(zhì)處理：又又稱孕育處理稱孕育處理。 即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非 均勻形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。均勻形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。所加入的

19、所加入的非均勻形核物質(zhì)叫非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或（或稱孕育劑稱孕育劑）。）。 3、振動、攪拌等振動、攪拌等：對正在結晶的金屬進行振動或?qū)φ诮Y晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶另一方面也可使成長中的枝晶 破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。 電磁攪拌細化晶粒示意圖電磁攪拌細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖l高溫下高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，因而細晶粒無益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應力集中。因而因而細晶粒

20、無益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應力集中。因而高溫下晶粒過大、過小都不好。高溫下晶粒過大、過小都不好。 晶粒大小與金屬強度的關系晶粒大小與金屬強度的關系常溫下常溫下，晶粒越細，晶粒越細，晶晶界面積越大，因而界面積越大，因而金屬金屬的強度、硬度越高，同的強度、硬度越高，同時塑性、韌性也越好時塑性、韌性也越好。即即細晶強化細晶強化。第四節(jié) 金屬的鑄錠(件)組織與缺陷l在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄入到鑄型模具中成型則得到鑄件。件。鑄錠鑄錠(件件)的組織及其存在的的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著缺陷對

21、其加工和使用性能有著直接的影響。直接的影響。 鑄錠鑄錠(件件)的宏觀組織通常由三個區(qū)組成的宏觀組織通常由三個區(qū)組成: 1、表層細晶區(qū)表層細晶區(qū)：澆注時，由于冷模壁產(chǎn)生很大的澆注時，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區(qū)。的等軸晶粒區(qū)。 2、 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區(qū)。方向生長而形成柱狀晶區(qū)。 3、中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū)：由于結晶潛熱的不斷放出，散由于結晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導致柱狀晶生長停止，當心部液熱速度不斷減慢，導致柱狀晶生長停