1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、也稱為也稱為 “ “過冷液體過冷液體” 。非晶體非晶體晶體晶體固體固體物質(zhì)物質(zhì)非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃蜂蠟、玻璃 等。等。晶體晶體:固態(tài)金屬固態(tài)金屬金剛石、金剛石、NaCl、冰、冰 等。等。液體液體圖圖4 4 晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞晶胞圖圖5 5 體心立方球體模型及其晶胞體心立方球體模型及其晶胞屬于這類晶格的金屬有屬于這類晶格的金屬有-Fe、Cr、W、V等。它們等。它們都具有都具有較好的塑性和較大的強(qiáng)度較好的塑性和較大的強(qiáng)度。體心立方晶格晶胞圖體心立方晶格晶胞圖 圖圖1 16 6 面心立方球體模型及其晶胞面心立方球體模型及其晶胞屬于這類晶格的金屬有屬于這類

2、晶格的金屬有 -Fe 、Cu、Al、Ni等。等。它們都具有它們都具有較好的塑性較好的塑性。面心立方晶格晶胞圖面心立方晶格晶胞圖圖圖1 17 7 密排六方球體模型及其晶胞密排六方球體模型及其晶胞屬于這類晶格的金屬有屬于這類晶格的金屬有g(shù) 、n 、d 、e等。等。這類金屬這類金屬塑性較差塑性較差。密排六方晶格晶胞圖密排六方晶格晶胞圖單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致：內(nèi)部晶格位向完全一致 的晶體（理想晶的晶體（理想晶體）。如單晶體）。如單晶Si半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。多晶體多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。晶粒（晶粒（單晶體）單晶體）晶界晶界（1 1）點(diǎn)缺陷：空位、

3、間隙原子、置換原子）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、置換原子（2 2）線缺陷：位錯(cuò)）線缺陷：位錯(cuò)（3 3）面缺陷：晶界與亞晶界）面缺陷：晶界與亞晶界晶體缺陷晶體缺陷 晶體中原子偏離原來平衡位置晶體中原子偏離原來平衡位置晶體缺陷晶體缺陷導(dǎo)致晶格畸變導(dǎo)致晶格畸變強(qiáng)度強(qiáng)度，硬度，硬度，電阻，電阻（1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指點(diǎn)狀的，即在所有方向上尺寸都很小點(diǎn)缺陷是指點(diǎn)狀的，即在所有方向上尺寸都很小的晶體缺陷。的晶體缺陷。 （空位、間隙原子或置換原子）（空位、間隙原子或置換原子）a 空位空位是結(jié)晶時(shí)晶格上應(yīng)被原子占據(jù)是結(jié)晶時(shí)晶格上應(yīng)被原子占據(jù)的結(jié)點(diǎn)未被占據(jù)；如的結(jié)點(diǎn)未被占據(jù)；如1b間隙原子則是個(gè)別具有較高能量

4、的間隙原子則是個(gè)別具有較高能量的原子擺脫晶格對(duì)其的束縛，脫離平衡原子擺脫晶格對(duì)其的束縛，脫離平衡位置，跳到晶界處或晶格間隙處而形位置，跳到晶界處或晶格間隙處而形成成間隙原子間隙原子，或跳到結(jié)點(diǎn)上形成，或跳到結(jié)點(diǎn)上形成置換置換原子原子。如。如2，3導(dǎo)致晶格畸變導(dǎo)致晶格畸變強(qiáng)度強(qiáng)度，硬度，硬度點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 線缺陷是指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，線缺陷是指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，這就是位錯(cuò)，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。（刃型這就是位錯(cuò)，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。（刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。）位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。） 在外力作用下會(huì)產(chǎn)生在外力作用下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)位錯(cuò)堆積和纏結(jié)，堆積和纏結(jié)

5、，冷塑性變形冷塑性變形就是通過晶就是通過晶體中位錯(cuò)缺陷大量增加體中位錯(cuò)缺陷大量增加來大幅度提高金屬的強(qiáng)來大幅度提高金屬的強(qiáng)度，這種方法稱為度，這種方法稱為形變形變強(qiáng)化。強(qiáng)化。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)晶界處晶格畸變晶界處晶格畸變強(qiáng)度高強(qiáng)度高, 熔點(diǎn)低，易腐蝕熔點(diǎn)低，易腐蝕(亞晶界：晶粒內(nèi)小位向差的晶塊邊界亞晶界：晶粒內(nèi)小位向差的晶塊邊界)晶界晶界 亞晶界亞晶界T溫度溫度T0Tn時(shí)間時(shí)間結(jié)晶規(guī)律：結(jié)晶規(guī)律：結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程 液體中瞬時(shí)有許多規(guī)則排列的原子團(tuán)，液體中瞬時(shí)有許多規(guī)則排列的原子團(tuán)，時(shí)聚時(shí)散。時(shí)聚時(shí)散。形核形核晶核長大晶核長大不斷生成不斷生成新晶

6、核新晶核長大長大晶粒晶粒相碰相碰多晶體多晶體形核形核1 1）增大過冷度）增大過冷度 提高金屬的冷卻速度，增大提高金屬的冷卻速度，增大過冷度過冷度T，以細(xì)化晶粒。，以細(xì)化晶粒。 由圖可見，當(dāng)由圖可見，當(dāng)T較小時(shí)，較小時(shí)，N比比G增長的慢增長的慢;而當(dāng)而當(dāng)T較大時(shí)較大時(shí)N比比G的增長要快得多，使單位體的增長要快得多，使單位體積中晶核數(shù)目大大增多。積中晶核數(shù)目大大增多。 例如：采用金屬型鑄造。例如：采用金屬型鑄造。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1-10c 1-10c 間隙固溶體晶格畸變間隙固溶體晶格畸變1-10d 1-10d 置換固溶體晶格畸變置換固溶體晶格畸變圖圖1-11a 1-11a 石墨

7、的晶格石墨的晶格圖圖1-11b 1-11b 滲碳體的晶格滲碳體的晶格彌散強(qiáng)化（第二相強(qiáng)化）彌散強(qiáng)化（第二相強(qiáng)化）：當(dāng)金屬化合物以細(xì)小顆粒均勻分布在當(dāng)金屬化合物以細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體上，可使合金的強(qiáng)度固溶體上，可使合金的強(qiáng)度 ，硬度，硬度 ，耐磨性，耐磨性 。 利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在在哪些相、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)所可能發(fā)哪些相、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)所可能發(fā)生的變化生的變化。所以，相圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材。所以，相圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)料熔煉、鑄

8、造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù) 圖1-12 Cu-Ni合金相圖的測繪（a）冷卻曲線 （b）Cu-Ni相圖上臨界點(diǎn)：上相變點(diǎn)上臨界點(diǎn)：上相變點(diǎn) a,b下臨界點(diǎn)：下相變點(diǎn)下臨界點(diǎn)：下相變點(diǎn)a,b 兩點(diǎn)：兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；純組元的熔點(diǎn)；兩線：兩線：L, SL, S相線；相線；三區(qū)：三區(qū)：L, , L+L, , L+。單相區(qū)單相區(qū) L單相區(qū)單相區(qū)液相線液相線固相線固相線兩相區(qū)兩相區(qū)L +結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：t1 : L1 b1t2 : L2 b2t3 : L3 b3固溶體合金結(jié)晶的特點(diǎn)：固溶體合金結(jié)晶的特點(diǎn)： 在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶；在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶； 已結(jié)晶的已結(jié)晶的固相成分不斷沿固相成分

9、不斷沿固相線變化固相線變化，剩余液相不斷，剩余液相不斷沿液相線變化。沿液相線變化。 數(shù)值確定：數(shù)值確定：直接測量計(jì)算或投影到成分軸測量計(jì)算。直接測量計(jì)算或投影到成分軸測量計(jì)算。 注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)( (支點(diǎn)和端點(diǎn)支點(diǎn)和端點(diǎn)) )要選準(zhǔn)。要選準(zhǔn)。平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程，：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程，在在極其緩慢冷卻的條件下才能實(shí)現(xiàn)。極其緩慢冷卻的條件下才能實(shí)現(xiàn)。平衡結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶過程分析 冷卻曲線冷卻曲線：溫度時(shí)間曲線；：溫度時(shí)間曲線； 相（組織）與相變；相（組織）與相變； 成分均勻化：每時(shí)刻結(jié)晶出的固溶體的成分均勻化：每時(shí)刻

10、結(jié)晶出的固溶體的成分不同。成分不同。 共晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶；共晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶；勻晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)無限互溶勻晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)無限互溶PbSn合金相圖Pb(Sn): Sn(Pb)： MF溶解度曲溶解度曲線線MEN共晶線共晶線AE勻晶轉(zhuǎn)變開始線勻晶轉(zhuǎn)變開始線AM勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)束線勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)束線室溫組織（室溫組織（）Lc Lc （ +）v相組成：相組成： +1961.997.5%4 .45%100*195 .979 .615 .97aW%6 .54%100*195 .97199 .61W室溫組織室溫組織: +: +（+) )共共+ 相組成：相組成：

11、+L 1 L+ 2 +（+）2 以下以下 +（+)共共12L 1 L+ 2 3 +室溫組織室溫組織 +123一個(gè)確定成分的液體和一個(gè)確定成分的固體一個(gè)確定成分的液體和一個(gè)確定成分的固體在恒定溫度下生成一個(gè)確定成分的固體。在恒定溫度下生成一個(gè)確定成分的固體。L LC C+ a+ aP P D D三個(gè)單相區(qū)：三個(gè)單相區(qū)：L L， ， 三個(gè)兩相區(qū)三個(gè)兩相區(qū)（L+L+ ）（）（L+L+）（ + +）一個(gè)三相區(qū)：一個(gè)三相區(qū)：L+L+ L+ +L+v點(diǎn)點(diǎn)v線線D點(diǎn)即為共晶點(diǎn)。點(diǎn)即為共晶點(diǎn)。結(jié)晶過程分析結(jié)晶過程分析12室溫組織為：室溫組織為：+1：L 2 2：L LC C+ a+ aP P D D2 2點(diǎn)之

12、后：點(diǎn)之后： 冷卻，析出冷卻，析出a1 1點(diǎn)之前：點(diǎn)之前：L L冷卻；冷卻；相為：相為：+121 1點(diǎn)之前：點(diǎn)之前：L L冷卻；冷卻；1：L 2 2：L LC C+ a+ aP P D Da a相剩余相剩余2點(diǎn)之后：點(diǎn)之后： a ，冷卻，冷卻，析出析出a和和 室溫組織為：室溫組織為： a + +相為：相為：+與共晶轉(zhuǎn)變比較：與共晶轉(zhuǎn)變比較：同：恒溫轉(zhuǎn)變，同時(shí)生成兩個(gè)同：恒溫轉(zhuǎn)變，同時(shí)生成兩個(gè) 成分、結(jié)構(gòu)不同的固相成分、結(jié)構(gòu)不同的固相異：異：共析共析 母相是固相，在固態(tài)轉(zhuǎn)變母相是固相，在固態(tài)轉(zhuǎn)變 共晶共晶 母相是液相，在液態(tài)轉(zhuǎn)變母相是液相，在液態(tài)轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：恒溫下，一個(gè)恒溫下，一個(gè)固相固相中中同時(shí)析出兩種成分、結(jié)構(gòu)不同的固同時(shí)析出兩種成分、結(jié)構(gòu)不同的固相。相。 + +轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織（共析體）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織（共析體）