第一章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 金屬的特性和金屬鍵；金屬的特性和金屬鍵； 金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一；金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一； 實際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其實際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響；是力學(xué)性能有著重大的影響； 純金屬結(jié)晶過程；純金屬結(jié)晶過程； 晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時細(xì)晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時細(xì)化晶粒的途徑和方法?；Я５耐緩胶头椒?。1.1 金屬的特征金屬的特征 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.3 實際晶體中的缺陷實

2、際晶體中的缺陷 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 1.5 晶粒大小控制晶粒大小控制第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨特的性能，如良與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨特的性能，如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）和金屬光澤。和金屬光澤。1.1 金屬的特征金屬的特征1. 1. 有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性： 如： 石墨能導(dǎo)電 金剛石導(dǎo)熱 無機化合物的金屬光澤；2. 2. 各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大：鈈、錳的導(dǎo)電能力比銀、銅相差近百倍銻、鉻

3、、釩等金屬是一種“脆性”金屬。 因此，只根據(jù)以上的一些特性來區(qū)分金屬和非金屬是不夠充分的。 3. 3. 金屬的特征：金屬的特征：正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)1.1 金屬的特征金屬的特征主要是與金屬原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原子間的結(jié)合方式有關(guān)金屬為何具有上述這些特性呢？金屬為何具有上述這些特性呢？金屬鍵金屬鍵金屬鍵是金屬原子之間的結(jié)合鍵，它是大量金屬原子結(jié)合成固體時，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數(shù)次外層電子），成為正離子，而失去的外層電子穿梭于正離子之間，成為公有化的自由電子云或電子氣，而金屬正離子與自由電子云之間的強烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。1.1 金屬的特征

4、金屬的特征金屬材料金屬材料 以金屬鍵方式結(jié)合，從而使金屬材料具有以下特征：u良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性： 自由電子定向運動（在電場作用下）導(dǎo)電、（在熱場作用下）導(dǎo)熱。u正的電阻溫度系數(shù)： 金屬正離子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運動，從而使電阻升高。u不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當(dāng)其從高能軌道跳回低能軌道時，將吸收的可見光能量輻射出來，產(chǎn)生金屬光澤。u具有延展性： 金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對位移時，其結(jié)合鍵不會被破壞，從而具有延展性。 1.1 金屬的特征金屬的特征返回返回1.2 1.2 金屬的

5、晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 物質(zhì)由原子組成。原子物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。決定了物質(zhì)的性能。 原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。為結(jié)構(gòu)。C601.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體：晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列長程有序。 非晶體：非晶體：原子無規(guī)則堆積，也稱為 “過冷液體”短程有序。 晶體和非晶體在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。晶體和非晶體在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。晶體晶體金剛石、NaCl、冰 等

6、。液體液體非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。一一. .晶體與非晶體晶體與非晶體1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)a 原子堆垛模型b 空間點陣空間點陣空間點陣 將晶體內(nèi)部的原子（離子）或原子群（離子群）抽象為無數(shù)點子按一定的方式在空間做有規(guī)則的周期性分布，這些幾何點子的總體稱為空間點陣，這些點稱為陣點或節(jié)點。1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞晶格晶格 用一系列假想的平行直線將空間點陣的陣點聯(lián)結(jié)起來，形成的空間網(wǎng)絡(luò)稱為空間格子，也稱晶格。晶胞晶胞 為了研究空間點陣的排列特點，從點陣中取出一個反映點陣特征的基本單元（通常是一個平行六面體）作為

7、其組成單元，這個平行六面體稱為晶胞。 晶系：晶系：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。90%90%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。立方晶系：立方晶系：a a= =b b= =c c， = = = = =90=90 六方晶系：六方晶系：a a1 1= =a a2 2= =a a3 3 c c， = = =90=90 ， =120=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 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺晶胞個邊的尺寸寸 a a、b b、c c。各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表表示。示。1.

8、2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)七大晶系，十四個空間點陣：七大晶系，十四個空間點陣：簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交體心正交面心正交底心正交簡單六方簡單菱方簡單正方體心正方簡單立方體心立方面心立方原子半徑：原子半徑：晶胞中原子密度最晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一大方向上相鄰原子間距的一半。半。晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。含的原子數(shù)目。配位數(shù)：配位數(shù)：晶格中與任一原子距晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。離最近且相等的原子數(shù)目。致密度：致密度：晶胞中原子本身所占晶胞中原子本身所占的體積百分的體積百分?jǐn)?shù)。數(shù)。1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)

9、構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 金屬鍵。金屬鍵。 金屬原子趨向于緊密排列金屬原子趨向于緊密排列價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l常見純金屬的晶格類型有體常見純金屬的晶格類型有體心立方心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)體體心心立立方方晶晶格格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格體心立方晶格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格體心立方晶格的的參數(shù)參數(shù)1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)

10、構(gòu) 體心立方晶格體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68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)原子半徑：原子半徑：1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 面面心心立立方方晶晶格格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)面面心立方晶格心立方晶格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)面面心心立立方方晶晶格格的的參參數(shù)數(shù)1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) a42r= =：原子半原子半徑徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe

11、、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a 面心立方晶格面心立方晶格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 密密排排六六方方晶晶格格1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)密密排排六六方方晶晶格格的的參參數(shù)數(shù)1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6 6配位數(shù)：配位數(shù)： 1212致密度：致密度：0.740.74常見金屬：常見金屬： MgMg、ZnZn、 BeBe、CdCd等等晶格常數(shù)：底面邊長晶格常數(shù)：底面邊長 a a 和高和高 c c，軸比為軸比為： c/a=1.633c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格1.2 1.2

12、 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原晶體中各方位上的原子面稱子面稱晶面晶面。各方向上的原子列稱各方向上的原子列稱晶向晶向。表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶晶面指數(shù)面指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為： 確定原點，建立坐確定原點，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截在三個坐標(biāo)軸上的截距。距。 取三個截距值的倒取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形整數(shù)，加圓括弧，形式為式為（hkl）。 例一例一. .求截距為求截距為 、1 1、 晶面的

13、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，加圓括弧得（得（010010） 例二例二. .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, 化成最化成最小整數(shù)為小整數(shù)為2 2、2 2、1 1，即為，即為X X、Y Y、Z Z三坐三坐標(biāo)軸上的截距標(biāo)軸上的截距表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其其確定步驟為：確定步驟為：晶向指數(shù)晶向指數(shù) 確定原點，建立坐標(biāo)確定原點，建立坐標(biāo)系，過原點作所求晶向系，過原點作所求晶向的平行線。的平行線。 求直線上任一點的坐求直線上任一點的坐標(biāo)值并按比例化為最小標(biāo)值并

14、按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式整數(shù)，加方括弧。形式為為 uvwuvw 。例一、例一、已知某過原點晶向上一點的坐標(biāo)為已知某過原點晶向上一點的坐標(biāo)為0.50.5、0.750.75、1 1，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234234。例二、例二、已知晶向指數(shù)為已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。畫出該晶向。找出找出1、1、0坐標(biāo)點坐標(biāo)點,連接原點與連接原點與該點的直線即所求晶向。該點的直線即所求晶向。110234 ( (hklhkl) )與與 uvwuvw 分別表示的是一組平行的晶向和晶面。分別表示的是一組平行的晶向和晶

15、面。 指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶晶向族向族或或晶面族晶面族。分別用分別用 hklhkl 和和 表示表示。晶面族與晶向族晶面族與晶向族立方晶系常見的晶面為立方晶系常見的晶面為)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常見立方晶系常見的的晶向晶向111111111111:111110011101011101110:1100010101

16、00:100 、111111111111XZY說明：說明： 在立方晶系中，指數(shù)相同在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。的晶面與晶向相互垂直。 遇到負(fù)指數(shù)，遇到負(fù)指數(shù)，“-”-”號放號放在該指數(shù)的上方在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面 三種常見晶

17、格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向 單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。 單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對角線底面對角線3 面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序 密排六方晶格密排六方晶格的堆垛順序的堆垛

18、順序為為ABABAB 面心立方晶格面心立方晶格的堆垛順序的堆垛順序為為ABCABCABC有確定的熔點有確定的熔點熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線晶體的特點的本質(zhì)晶體的特點的本質(zhì)各向異性各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回p 理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。p 實際晶體：實際晶體：多晶體+晶體缺陷p 晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何

19、尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷晶體缺陷晶體缺陷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。實際金屬中存在著大實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線狀可分三類，即點、線、面缺陷。、面缺陷。1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的

20、缺陷 點缺陷點缺陷 空間三維尺寸都很小的空間三維尺寸都很小的缺陷。缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷a a. . 空位：晶格中某些缺排原空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。子的空結(jié)點。b b. . 間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原屬原子，也可以是外來原子。子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷c c. . 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換取代原來原子位置的外來原子稱

21、置換原子。原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴豢瘴婚g隙原子間隙原子大大置換原子置換原子小置換原子小置換原子1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷空位和間隙原子引起的晶格畸變空位和間隙原子引起的晶格畸變1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯位錯：晶格中一部分晶位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交

22、上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯線界線稱作位錯線分為刃型位錯和螺型位錯分為刃型位錯和螺型位錯刃型刃型位錯位錯 螺型螺型位錯位錯1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯刃位錯刃位錯的的形成形成1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷 刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原刃型位錯：當(dāng)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，這個多余原子面的邊子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。緣就是刃型位錯。 半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“ “ ”表

23、示。表示。 半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用“ “ ”表示。表示。1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷設(shè)想在簡單立方晶體的右端施加一切應(yīng)力，使其右端上、下兩部分晶體沿滑移面ABCD發(fā)生一個原子間距的相對切變，此時左半部分晶體仍未產(chǎn)生滑移(塑性變形)，出現(xiàn)了已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界bb即螺型位錯線。螺型位錯示意圖1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷位錯密度：位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。線總長度。 = S/V= S/V(cm/cm(cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2) )金屬的位錯密度為金屬的位

24、錯密度為10104 410101212/cm/cm2 2位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的塑性變形金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯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。運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。的強度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷電子顯微鏡下的位錯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)1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷

25、電子顯微鏡下的位錯觀察 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷概念：概念：是指晶體中在二維方向上尺寸很大，而在另一維方向上尺寸很小的晶體缺陷。類型：類型：主要包括晶體的外表面、堆垛層錯、晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。1. 1. 晶界晶界根據(jù)晶體中各晶粒之間的位向差不同，又可將晶界分為大角度晶界（10）和小角度晶界（10）兩類。1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷對稱傾對稱傾側(cè)側(cè)晶界晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差一般為幾十分到幾度。大晶粒中的小晶粒稱為亞

26、晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界亞晶界1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷返回返回晶界的特點：晶界的特點： 原子排列不規(guī)則。原子排列不規(guī)則。 熔點低。熔點低。 耐蝕性差。耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。聚。 阻礙位錯運動，是強化部位，因而實阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。際使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 顯微組織的顯示顯微組織的顯示1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷位錯密度位錯密度 ：單位體積中位錯線的總長度, 或單位面積上位錯線

27、的根數(shù),單位cm2位錯線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實驗和理論研究表明:晶體的強度和位錯密度有如圖的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)晶體中位錯密度很低時,晶體強度很高；相反在晶體中位錯密度很高時,其強度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯密度很高易實現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強度的提高提供途徑。1.3 1.3 實際晶體中的缺陷實際晶體中的缺陷晶體晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為

28、結(jié)晶。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。 物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。而結(jié)晶過程是相變過程。一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點時，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點：是近程有序遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)，見右圖；存在著能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程局部的近程有序局部的近程有序二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 研究液態(tài)金屬結(jié)晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態(tài)金屬的溫度與時間的關(guān)系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或

29、熱分析曲線，見右圖。TmTT理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度T = Tm - T時間時間溫溫度度純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 液態(tài)金屬必須冷卻到理論結(jié)晶溫度Tm以下某一個溫度T時才開始結(jié)晶，這個現(xiàn)象稱為過冷。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程三三. . 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 過冷后，液固相自由能之差G就是金屬結(jié)晶的驅(qū)動力，過冷度越大，驅(qū)動力越大。TmTT液體和晶體自由能隨溫度變化液體和晶體自由能隨溫度變化1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程 形核長大過程形核長大過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶結(jié)晶過程示意圖1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程1. 1. 形核形核 液態(tài)金屬在結(jié)晶時，其形核方式一般