工程材料及成形技術(shù)3-金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶課件

1、第三章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠一、晶體的概念 金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu) 晶體：指原子（離子、分子或原子團(tuán)）呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。 非晶體：指原子呈無(wú)序排列的固體。 在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) ?晶體和非晶體的區(qū)別？晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣。晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸 a、b、c（） 各棱間的夾角用、 表示。二、三種常見(jiàn)

2、的金屬晶格 晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系，十四種布拉菲點(diǎn)陣 。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a=b c，=90， =120立方六方四方菱方正交單斜三斜1、 體心立方晶格(bcc)晶格常數(shù)：a(a=b=c)2、面心立方晶格 （fcc）晶格常數(shù)：a3、密排六方晶格（hcp）晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng) a 和高 c， c/a=1.633三、晶格的致密度和配位數(shù)表示晶體中原子排列的緊密程度（其值越大越緊密）“致密度”晶胞中所包含的原子所占體積與該晶胞體積之比 k “配位數(shù)”晶格中任何一個(gè)原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù) 晶格類型體心立方晶格 bcc面

3、心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞結(jié)構(gòu)性能塑性較好塑性優(yōu)于體心立方晶格的金屬脆性較大晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度0.680.740.74配位數(shù)81212典型金屬-Fe,-Ti，Mo,W ,V -Fe,Al,Cu,Ni ,Au ,Ag等-Ti,Mg,Zn,鎘(Cd )等四、晶面和晶向分析晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。1.晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為： 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。 取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。2.晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為： 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)

4、原點(diǎn)作所求晶向的平行線。 求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為uvw。例一、已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，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234。例二、已知晶向指數(shù)為110, 畫(huà)出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。1102343.晶面族和晶向族晶面族 晶體中凡是具有相同的原子排列方式而只是空間位向不同的各組晶面的統(tǒng)稱，用hkl表示。晶向族 原子排列相同但空間位向不同的所有晶向的統(tǒng)稱，以表示。4.晶面和晶向的原子密度晶面（向）的原子密度指其單位面積（長(zhǎng)度）的原子數(shù)。 bcc中，具有最大原子密度的晶面是110，

5、具有最大原子密度的晶向是111。 fcc中，具有最大原子密度的晶面是111，具有最大原子密度的晶向是。 五、晶體的各向異性 晶體中由于各晶面和晶向上的原子排列密度不同，原子間相互作用力也不同，因而其不同晶面和晶向上的性能不同。實(shí)際金屬多為多晶體，表現(xiàn)為各向同性。一、單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：許多位向不同的小晶體組成的晶體。晶粒：彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒之間的交界面。第二節(jié)金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷單晶體多晶體晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。亞晶粒：每個(gè)晶粒內(nèi)有微小位向差的小區(qū)域（亞結(jié)構(gòu)）光學(xué)金相顯示的純鐵晶界金屬中的亞晶組織變形金屬晶粒尺寸約110

6、0m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷。按缺陷的幾何形狀點(diǎn)缺陷 (point defect)線缺陷（line defect）面缺陷 (plane defect)1.點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都很小的缺陷。以一個(gè)點(diǎn)為中心，在其周圍造成原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力 空位：原子被熱激活留下的空結(jié)點(diǎn) 間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴缓烷g隙原子引起的晶格畸變2. 線缺陷某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象 位錯(cuò)（

7、dislocation）：晶格中一部分晶體相對(duì)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。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)位錯(cuò)能夠在金屬的結(jié)晶、塑性變形和相變等過(guò)程中形成。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = S/V (cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為1041012/cm2（退火態(tài)最低） 位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 3.面缺陷主要指晶界和亞晶界晶體中不同區(qū)域之間的

8、晶格位向過(guò)渡造成 晶界寬度為510個(gè)原子間距，位向差一般為2040。亞晶界也可看作位錯(cuò)線的堆積或“位錯(cuò)壁”（小角度位向差）。亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則。熔點(diǎn)低。耐蝕性差。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)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。相變時(shí)優(yōu)先形核。 顯微組織的顯示三、金屬中的擴(kuò)散 金屬中發(fā)生的結(jié)晶、相變、再結(jié)晶、燒結(jié)、合金化過(guò)程都會(huì)擴(kuò)散。1、擴(kuò)散的概念和機(jī)制擴(kuò)散由于熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致原子、分子在介質(zhì)中遷移的現(xiàn)象 面心立方晶體的八面體間隙及（001）晶面原子的自由能與位置之間的關(guān)系原子遷移需越過(guò)的勢(shì)壘自擴(kuò)散異擴(kuò)散間隙擴(kuò)散間隙原子通過(guò)晶格

9、間隙之間的躍遷空位擴(kuò)散依靠空位大量的移動(dòng)，原子很快完成長(zhǎng)距離 遷移填隙擴(kuò)散晶格結(jié)點(diǎn)的原子會(huì)出現(xiàn)間隙，將鄰近點(diǎn)陣原 子擠到間隙中，并取而代之。所需能量換位擴(kuò)散 直接換位相鄰兩原子直接交換位置 環(huán)形換位同一平面數(shù)個(gè)原子瞬時(shí)軸旋轉(zhuǎn)換位機(jī)制換位機(jī)制填隙機(jī)制空位機(jī)制間隙機(jī)制2、影響擴(kuò)散的主要因素溫度擴(kuò)散常數(shù) cm2/s擴(kuò)散激活能 J/mol=8.31 J/molR 氣體常數(shù)絕對(duì)溫度 K晶體結(jié)構(gòu)體心面心空隙多，克服勢(shì)壘表面及晶體缺陷金屬的表面及內(nèi)表面，存在缺陷，晶格畸變，原子能量狀態(tài)，Q，易實(shí)現(xiàn)躍遷一、結(jié)晶的概念物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪?/p>

10、個(gè)相的過(guò)程稱為相變。 結(jié)晶過(guò)程是相變過(guò)程。3 金屬的結(jié)晶與鑄錠液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)1、冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度Tn。 Q：冷卻曲線上為什么會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)？TmTn純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線TmTnT液體和晶體自由能隨溫度變化2、過(guò)冷與過(guò)冷度純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度Tm(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下, 液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。過(guò)冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象。過(guò)冷度T = Tm Tn過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大，G越大。二、金屬的結(jié)晶過(guò)程1、結(jié)晶的基本過(guò)程包括晶核的形成、長(zhǎng)大同時(shí)進(jìn)行（有“孕育期

11、”） T0以下，較大尺寸且穩(wěn)定的晶坯晶核 2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即自發(fā)形核和非自發(fā)形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱自發(fā)形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非自發(fā)形核。非自發(fā)形核更容易、更普遍。自發(fā)形核非自發(fā)形核示意圖3、晶核的長(zhǎng)大方式實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。這是由于存在負(fù)溫度梯度（液相中過(guò)冷度隨離界面距離增加而增大），且晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸，樹(shù)枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度三、影響形核和成大的因素1、過(guò)冷度T的影響T，N、G （但N增加更快） 當(dāng)T太大時(shí)，原子擴(kuò)散能力，形核、長(zhǎng)大都困難2、未熔雜質(zhì)的影響 可熔化雜質(zhì) 未熔雜

12、質(zhì)懸浮于金屬液體中充當(dāng)晶核在金屬結(jié)晶時(shí)，加入某些難熔雜質(zhì)人工晶核（變質(zhì)劑） 細(xì)化晶粒變質(zhì)處理如鑄鋁ZL101中加入鈉鹽（NaCl、NaF）四、晶粒大小及控制1、晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響常溫下晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。細(xì)晶強(qiáng)化2、晶粒大小的控制 控制過(guò)冷度，提高液態(tài)金屬的冷卻速度： 隨過(guò)冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。 變質(zhì)處理（孕育處理）： 在澆注前向液態(tài)金屬內(nèi)加入某些難熔物質(zhì)（“變質(zhì)劑”、“人工晶核”）來(lái)促進(jìn)晶粒細(xì)化，改善力學(xué)性能。冷速過(guò)快 變形、開(kāi)裂，只適用于小鑄件，簡(jiǎn)單件電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖 振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。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（結(jié)晶后還要進(jìn)行軋制、鍛壓等壓力加工），而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。五、金屬鑄錠的組織及缺陷1、鑄錠的組織 表層細(xì)晶區(qū)-強(qiáng)過(guò)冷,非均勻形核。特點(diǎn)：無(wú)方向性、枝晶發(fā)達(dá)、組織致密柱狀晶區(qū)-過(guò)冷度減小,形核困難,沿散熱方向生長(zhǎng)。（主晶軸垂直于