金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals

1、金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) Crystal Structure of Metals為什么要研究金屬的結(jié)構(gòu)？一、晶體的概念1、晶體 原子（離子、分子）在三維空間作有 規(guī)則的周期性重復(fù)排列所構(gòu)成的物體。 即：（long-range order）金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals晶體非晶體金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals2、空間點(diǎn)陣（Space lattice） 將晶體中原子或離子抽象為純幾何點(diǎn)（陣點(diǎn) lattic

2、e point），即可得到一個(gè)由無數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列空間點(diǎn)陣（晶格）。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 3、晶胞 (Unite cells ) 從晶格中確定一個(gè)最基本的幾何單元來表達(dá)其排列形式的特征，這種最基本的幾何單元稱為晶胞。（代表原子排列特征的最基本幾何單元）。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals1、體心立方晶格金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationof

3、Metals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 晶格常數(shù)：a=b=c, =900 晶胞中原子位于立方體的八個(gè)頂角和中心 晶胞原子數(shù)：1/88+1=2 原子半徑：r= a/4 屬于這種晶格的金屬有： -Fe,Cr,W,Mo,V,Nb 等。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals2、面心立方晶格金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Structurean

4、dCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 晶格常數(shù)：a=b=c, =900 晶胞中原子位于立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心 晶胞原子數(shù)：1/88+1/26=4 原子半徑： r = a/2 屬于這種晶格的金屬有：-Fe，Al, Cu, Ag, Au, Pb 等。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals3、密排六方晶格金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystalliz

5、ationofMetals 晶格常數(shù)：a=bc, =900，=1200； a六方柱體底邊長，c上下底面的距離； 六方晶格晶胞中，原子位于六方柱體的十二個(gè)頂角， 上下底面中心，六方柱體中還有三個(gè)原子。 晶胞原子數(shù)：1/612+1/22+3=6 原子半徑：r = a/2 屬于這種晶格的金屬有：Mg， Zn， Cd（鎘），Be等。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals四、三種典型晶格的致密度及晶面、晶向分析 1、晶格致密度 晶格的致密度是指晶胞中，原子球所占的體積與 晶胞體積之比值：V原子 / V晶胞金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrysta

6、llizationofMetals體心立方晶格的致密度：（ 32%的空隙）面心立方晶格的致密度：0.74 （ 26%的空隙） 密排六方晶格的致密度：0.74 （ 26%的空隙）簡單立方晶格的致密度：0.52 （ 48%的空隙） 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 一般而言，晶格致密度大，空隙體積小，晶 格溶解其他原子的能力就小。 體心立方晶格中雖然空隙所占體積較大，但它 的空隙分散，單個(gè)空隙的尺寸?。欢嫘牧⒎骄Ц?雖然空隙體積小，但空隙集中，空隙尺寸大。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals

7、因此對(duì)于同一溶質(zhì)，在面心立方晶格中的溶解 度往往大于在體心立方晶格中的溶解度。 如： 碳在-Fe中的最大溶解度為2.11%，而在 -Fe中的最大溶解度為0.0218%金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals2、晶格的配位數(shù) 所謂晶格的配位數(shù)是指晶格中任一原子周圍所緊 鄰的且等距離的原子數(shù)。顯然配位數(shù)越大，晶格中的 原子排列越緊密。 體心立方晶格的配位數(shù)：8 面心立方晶格的配位數(shù)：12 密排六方晶格的配位數(shù)：12金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals3、晶面及晶向指數(shù)（密勒指數(shù)） 晶面：若干原子連成的平

8、面。 晶向：各種方向上的原子列。 研究晶體結(jié)構(gòu)常需分析不同晶面、晶向的原子分 布特點(diǎn)，故需定義晶面、晶向指數(shù)密勒指數(shù)金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 晶面指數(shù)的定義： 、在晶格中設(shè)置坐標(biāo)軸X、Y、Z，坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)位于 待定指數(shù)的晶面之外、求出待定晶面在各個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，并用晶軸 的單位長度（晶胞的晶格常數(shù)）作為截距的單位， 2-2，3b-3，1c-1 、取截距的倒數(shù)，然后化為最小的簡單整數(shù)，加上 小括號(hào)，即得晶面指數(shù)。若晶面與晶軸相截于負(fù) 方向，則將負(fù)號(hào)標(biāo)于該數(shù)的上方。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationo

9、fMetals 晶向指數(shù)的定義： ， 、以晶胞的晶軸為坐標(biāo)軸，以晶 胞的邊長為坐標(biāo)軸的長度單位、使待定晶向的直線通過坐標(biāo)原點(diǎn)或通過原 點(diǎn)作一直線平行于待定晶向、在通過原點(diǎn)的直線上選出距原點(diǎn)最近的 一個(gè)結(jié)點(diǎn)，確定該結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值、將三個(gè)坐標(biāo)值化為互質(zhì)整數(shù)，再加上方括 號(hào)，即為該待定晶向的晶向指數(shù)。如果 其中某一數(shù)值為負(fù)，則將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該 數(shù)值上方。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals4、晶面及晶向的原子密度 晶面的原子密度是指晶面上單位面積的原子數(shù)。 晶向的原子密度是指晶向上單位長度的原子數(shù)。 體心立方晶格： 100晶面1/a2 晶向 1/a 11

10、0晶面 2 晶向 0.7/a 111晶面 2 晶向 1.16/a金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals所以體心立方晶格： 最大原子密度晶面是：110晶面最大原子密度晶向是：晶向同樣對(duì)于面心立方晶格： 最大原子密度晶面是：111晶面 最大原子密度晶向是：晶向金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals5、晶體的各向異性 由于晶體中不同晶面、晶向上的院子密度 不同，故晶體在不同方向上的性能也不同，呈 現(xiàn)各向異性，這是晶體區(qū)別于非晶體的重要標(biāo) 志之一。 如：體心立方的鐵晶體，在晶向上 E=290000MN/m2

11、；而在晶向上， E=1350000MN/m2金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals第二節(jié) 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷1、多晶體結(jié)構(gòu) 單晶體：晶體內(nèi)部晶格方位完全一致 多晶體：晶體內(nèi)部包含很多小晶體，每個(gè)小 晶體內(nèi) 部晶格方位完全一致，而各 個(gè)小晶體之間彼此的晶格方位都不 相同。 晶粒： 組成金屬晶體的小晶體，因其外型呈 不規(guī)格 的顆粒狀故稱晶粒。 晶界： 晶粒之間的界面。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals晶界的特性： a.晶界處能量高，雜質(zhì)多。 b.晶界易被腐蝕。 c.晶界熔點(diǎn)比晶內(nèi)低。 d.相變

12、首先在晶界處發(fā)生。 e.晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此晶界不易發(fā) 生塑性變形。 亞晶：每個(gè)晶粒內(nèi)部，存在晶格位向有微 小差異的小區(qū)域，位向差很小10-20， 最多 1-2，這些小區(qū)域稱為亞晶。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals返回金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals返回金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals2、晶體缺陷 點(diǎn)缺陷（零維缺陷） 晶格空位：晶格中的原子脫離晶格結(jié)點(diǎn)，形成空位。 間隙原子：從晶格結(jié)點(diǎn)上脫離的原子轉(zhuǎn)移到晶格間隙。 間隙原子。 晶格

13、中晶格空位，間隙原子的存在，會(huì)改變其周圍原子 的平衡，造成晶格畸變。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 線缺陷（一維缺陷） 位錯(cuò)是晶體中普遍存在的，也是最重要的一種缺陷。 位錯(cuò)包括刃型位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)及混合位錯(cuò)。位錯(cuò)線 周圍的原子不同程度地偏離了平衡位置，使周圍的 晶格發(fā)生了畸變。 面缺陷（二維缺陷） 晶界，亞晶界金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals螺型位錯(cuò) 刃型位錯(cuò) 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandC

14、rystallizationofMetals第三節(jié) 金屬的結(jié)晶與鑄錠一、結(jié)晶的概念 金屬由液體凝固為晶體的過程，稱為結(jié)晶。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals1、熱分析法 將純金屬放入加熱爐內(nèi)的坩堝中加熱使之熔化， 然后緩慢冷卻，用記錄儀將冷卻過程中的溫度與時(shí) 間記錄下來，得到冷卻曲線，從而可測的金屬的實(shí) 際結(jié)晶溫度的方法，稱為熱分析法。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals2、過冷度 金屬實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。 T=Tm-T0金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCryst

15、allizationofMetals3、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 由于液體與晶體的結(jié)構(gòu)不同，其在同一溫度下 的自由能是不同的，液相與固相的自由能曲線的交 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即是理論結(jié)晶溫度。 當(dāng)溫度低于理論結(jié)晶溫度時(shí)，由于液相的自由 能高于固相，液相就會(huì)向固相轉(zhuǎn)變，即發(fā)生結(jié)晶， 結(jié)晶的推動(dòng)力就是液相與固相的自由能差F, F 越大結(jié)晶越容易。而過冷度T越大，F(xiàn)越大。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 自由能F溫度TTmT1TF液相固相金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals二、金屬的結(jié)晶規(guī)律 金屬的結(jié)晶規(guī)律與

16、非金屬的結(jié)晶規(guī)律一樣，都是 分兩個(gè)步驟：晶核的形成 晶核的成長 金屬從液態(tài)冷卻過程中，首先產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子 排列小集團(tuán)（晶胚），隨著溫度的降低，形成穩(wěn)定的 晶核，晶核形成的初期，原子排列規(guī)則，但隨著晶核 的成長，由于棱角處的散熱條件優(yōu)于其它部位，因而 便得到優(yōu)先成長，即呈“枝晶成長”，首先長出枝干， 再長出分枝，最后把晶間填滿。過冷度越大，枝晶成 長的特點(diǎn)越明顯。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 金屬實(shí)際結(jié)晶過程中，結(jié)晶開始時(shí)， 晶核數(shù)量少，結(jié)晶很慢；隨著溫度的降 低，晶核大量形成并成長，結(jié)晶速度加 快。當(dāng)晶體長大并相互抵觸時(shí)，結(jié)晶速 度又

17、變慢。正是由于結(jié)晶過程中各晶體 的成長相互抵觸、相互限制，所以最后 形成的晶粒具有不規(guī)則的外形，并產(chǎn)生 各種缺陷。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals三、影響金屬結(jié)晶的因素 1、過冷度的影響 不同過冷度T對(duì)晶核形成率N和晶核成長 率G 的影響為拋物線。 當(dāng)過冷度較低時(shí)，晶核的形成率和成長率 均很小，隨著過冷度的增大，二者都增大，并 在一定的過冷度時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)過冷度進(jìn)一 步增大，二者又逐漸減小，直至過冷度很大時(shí)， 又先后趨于零。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 過冷度對(duì)晶核形成率和成長率的

18、上述影響， 主要是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過程中有兩個(gè)相反因素在同 時(shí)起作用： 過冷度越大，液相與固相的自由能差F越大， 結(jié)晶的推動(dòng)力越大。 過冷度越大，液體中原子的遷移能力或擴(kuò)散能 力越小，晶核的形成和成長越難。金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals 當(dāng)過冷度很大時(shí)，金屬不再通過結(jié)晶方式凝固， 而是形成了非晶態(tài)的金屬激冷凝固工藝。 如：金屬鎳 Tm=1725K， Tg=425K， 臨界冷速 Vc=31010K/s 通過激冷凝固工藝目前已經(jīng)能夠生產(chǎn)寬100mm, 長350m，厚10m-150m2m的非晶態(tài)金屬 薄板。如圖：金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶StructureandCrystallizationofMetals激冷凝固工