晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

晶體的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶第1頁/共62頁1.晶格：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。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣。三、晶體中幾個基本概念為描述晶體內(nèi)部原子的排列，將原子視為剛性球體。剛性球體—原子濃縮成一個點（空間點陣）—用假想的直線連接起來，形成空間格子（晶格）—取出一個有代表性的最小幾何單元—單位晶體（晶胞）。第2頁/共62頁2.晶胞：晶體中有代表性的最小的幾何單元，稱為晶胞。第3頁/共62頁3.晶格常數(shù)：晶胞的三個棱邊的尺寸a、b、c。用埃（?）表示。1?=10-8cm各棱間的夾角用、、表示。第4頁/共62頁四、三種典型的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方、面心立方、密排六方。第5頁/共62頁第6頁/共62頁1.原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。2.晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。3.配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。4.致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。第7頁/共62頁體心立方晶格的參數(shù)第8頁/共62頁體心立方晶格原子個數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：ar43=

第9頁/共62頁面心立方晶格的參數(shù)第10頁/共62頁

a42r=：原子半徑原子個數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格第11頁/共62頁a21r=：原子半徑原子個數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格第12頁/共62頁§1－2實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)單晶體：晶體材料內(nèi)部原子規(guī)律排列，位向不發(fā)生改變的晶體。多晶體：由許多晶格位向不同的小晶體構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，稱為多晶體。實際晶體是由許多不同位向小單晶體組成的多晶體。這些小單晶體叫晶粒，晶粒與晶粒之間的交界叫晶界。既然實際晶體是多晶體組成，是否還存在著單晶體的各向異性？為什么？多晶體由許多晶格位向不同的晶粒組成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故認(rèn)為各向同性。第13頁/共62頁第14頁/共62頁二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線、面缺陷。第15頁/共62頁①點缺陷空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子第16頁/共62頁a.空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。b.間隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。c.置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。第17頁/共62頁點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，引起周圍晶格產(chǎn)生畸變，阻礙原子的移動，必需施加更大的外力，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴婚g隙原子小置換原子大置換原子第18頁/共62頁位錯：晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。②線缺陷—（在一維方向上尺寸較大的缺陷)

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。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“┬”表示。第19頁/共62頁第20頁/共62頁位錯上半部分原子受壓，下半部分原子受拉。離位錯線越近晶格畸變越大，應(yīng)力越大。第21頁/共62頁位錯密度：單位體積位錯線總長度。

=L/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為104~1012/cm2位錯對性能的影響：以位錯線為中心的管道區(qū)周圍晶格都發(fā)生了畸變，從而阻礙位錯的運動，使材料的強度提高。由于線缺陷的影響面比點缺陷大的多，因此對材料性能的影響也大的多。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。第22頁/共62頁強度第23頁/共62頁透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）第24頁/共62頁③面缺陷（一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域）㈠

晶界：多晶體中不同位向晶粒間的交界。小角度晶界是由相距一定距離的刃型位錯組成。大角度晶界原子排列紊亂，具有非晶態(tài)特征。晶界的重要特性：1）晶界相互交錯，原子排列紊亂，常溫下對晶體的滑動起阻礙作用，從而使晶粒小即晶界多的材料的強度、硬度高—細晶強化。2）因原子排列紊亂，能量高，原子易擴散，易受腐蝕。固態(tài)下結(jié)構(gòu)的改變首先從晶界開始。第25頁/共62頁晶界示意圖第26頁/共62頁㈡

亞晶界：亞晶粒的交界，位向差小于2o。晶界亞晶界ABCD第27頁/共62頁1.幾個重要概念：合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)叫合金。組元：組成合金的獨立的最基本的單元（一般是一種元素或一種穩(wěn)定的化合物）。相：金屬或合金中，具有相同化學(xué)成分，相同結(jié)晶構(gòu)造，并有明顯界面分開的獨立組成部分。組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌。三、合金的晶體結(jié)構(gòu)第28頁/共62頁一致的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式；相同的物理、化學(xué)性能；與周圍的非同相物質(zhì)之間有確定的界面；不同的相可予以機械性分離。相的基本屬性第29頁/共62頁2.合金中的基本相根據(jù)固態(tài)下，合金的組元間作用方式不同，合金的相結(jié)構(gòu)（基本相）分為兩種，即固溶體和金屬間化合物。1)固溶體固態(tài)下各組元之間互相溶解而形成的均勻的晶態(tài)固體稱固溶體.固溶體中保持原來晶體結(jié)構(gòu)的組元叫溶劑，其它溶入且晶格消失的組元稱溶質(zhì)。第30頁/共62頁固溶體的結(jié)構(gòu)與分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分：（1）間隙固溶體形成間隙固溶體的條件：r質(zhì)/r劑<0.59，過渡族元素Fe、Mn等）為溶劑與尺寸小的非金屬元素C、N、B、H形成。（2）置換固溶體Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體第31頁/共62頁按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度分（1）有限固溶體間隙固溶體一定是有限固溶體。（2）無限固溶體在置換固溶體中，當(dāng)溶質(zhì)與溶劑原子半徑差別較小，在化學(xué)元素周期表上的位置靠近，且晶格形式也相同時，可能形成無限固溶體。否則，是有限固溶體。所以無限固溶體一定是置換固溶體，反過來不成立。間隙固溶體一定是有限固溶體，反過來不成立。第32頁/共62頁固溶體的結(jié)構(gòu)特點與性能特點固溶體的晶格類型與溶劑的相同，是單相。由于溶質(zhì)原子的溶入，使溶劑晶格產(chǎn)生畸變。溶質(zhì)原子與位錯的交互作用，使位錯運動的阻力增加，使材料的強度硬度提高，這種現(xiàn)象叫固溶強化—是金屬材料的強化方法之一。固溶體本身的強度、硬度低，塑性和韌性好，是材料的基本相。第33頁/共62頁2）金屬間化合物（中間相）兩組元間相對尺寸差，電負性差等都有一定溶限，當(dāng)溶質(zhì)原子的加入量超過此溶限時便會形成一種新相，即中間相。中間相的晶體結(jié)構(gòu)不同于此相中的任一組員。由于中間相具有一定的金屬屬性，所以亦稱為金屬間化合物。

合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬間化合物,或稱中間相。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，兩組元有一定比例，并可用化學(xué)式AmBn表示其組成。第34頁/共62頁金屬間化合物的分類根據(jù)形成條件和結(jié)構(gòu)特點不同，金屬間化合物可分為：（1）正常價化合物特征是：嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示，不能形成固溶體。（Mg2Si)金屬間化合物特點：熔點、硬度高、脆性大。適用于第二相質(zhì)點強化或彌散強化。第35頁/共62頁（2）電子化合物—（電子濃度起主要作用）電子濃度：價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比值。特征是：雖然可用化學(xué)式表示，但成分不固定，即在電子化合物的基礎(chǔ)上可以溶解一定量的組元，形成以該化合物為基的固溶體。價電子指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學(xué)鍵的電子。第36頁/共62頁雖然它們可以用分子式表示，但大多數(shù)不符合化學(xué)價規(guī)律，而是按電子含量規(guī)律來進行化合的，只要電子含量達到某一范圍，就會形成具有一定結(jié)構(gòu)的相，所以它們的形成是以電子含量起主導(dǎo)作用的。電子含量不同，形成的化合物的晶格結(jié)構(gòu)就不同。電子濃度：價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比值。第37頁/共62頁與間隙固溶體相似，由過渡族金屬同原子半徑很小的非金屬元素形成的化合物。無論溶質(zhì)原子是以間隙方式還是以置換方式進入晶格，總會對溶劑晶格造成一定程度的畸變。溶質(zhì)與溶劑原子的尺寸差別越大，晶格畸變越大，畸變能越大，增大到一定容限時，原來的結(jié)構(gòu)便不穩(wěn)定，會重新組合形成新的相。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征有分為兩類：1）間隙相r非/r金<0.59，具有簡單晶體結(jié)構(gòu)，如VC。2）間隙化合物r非/r金>0.59，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，如Fe3C。3、間隙化合物（原子尺寸因素起主要作用）第38頁/共62頁a.間隙相：r非/r金0.59時形成的具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點，非常穩(wěn)定。部分碳化物和所有氮化物屬于間隙相。VC的結(jié)構(gòu)第39頁/共62頁b.具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)r非/r金>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如Fe3C、Cr23C6等。Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格。間隙相與間隙固溶體的區(qū)別？Fe3C的晶格高溫合金中的Cr23C6第40頁/共62頁類型簡單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物化學(xué)式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點第41頁/共62頁（三）金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點與性能特點1、金屬化合物的晶格類型與組成它的任何組元都不相同，是單相。2、金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性。3、金屬化合物是強化相。第42頁/共62頁工業(yè)合金通過調(diào)整固溶體的溶解度及化合物的數(shù)量、大小、形狀、分布等，可使合金的機械性能在一個很大的范圍內(nèi)變化，以便滿足不同的性能要求。機械混合物單一固溶體：強度、硬度較低單一化合物：硬而脆機械混合物——不是一種單一相與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。第43頁/共62頁§1-3純金屬的結(jié)晶一、幾個概念1、結(jié)晶：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程叫凝固。若凝固后的固體為晶體稱為結(jié)晶。2、過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差。第44頁/共62頁理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度Tn之差叫做過冷度（undercooling)，用ΔT表示。

ΔT=T0—Tn

液體金屬在結(jié)晶時的溫度-時間曲線稱為冷卻曲線。第45頁/共62頁結(jié)晶的條件1.必需要有過冷度。過冷度的大小與金屬本性有關(guān)，如銅的過冷度為236oC。2.與金屬的純度有關(guān)，雜質(zhì)越多，過冷度越小。3.與冷卻速度有關(guān)，快冷，實際結(jié)晶溫度低，過冷度大。第46頁/共62頁冷卻速度越大，則開始結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。第47頁/共62頁二、結(jié)晶過程

液態(tài)金屬結(jié)晶是在結(jié)晶溫度平臺由形核和晶核長大兩個密切聯(lián)系的基本過程來實現(xiàn)的。

第48頁/共62頁二、結(jié)晶過程晶核的形成與長大。晶核的形成有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種。第49頁/共62頁⑴晶核的形成

1）自發(fā)形核從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。

2）非自發(fā)形核依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。第50頁/共62頁實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。晶核的長大方式第51頁/共62頁第52頁/共62頁樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第53頁/共62頁三、金屬結(jié)晶后晶粒的大小表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用單位體積內(nèi)或單位面積上晶粒數(shù)目來表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度級別來確定晶粒度。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別共分八級，一級最粗，八級最細。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對照來評級。常溫下，金屬晶粒越細小，晶界面積越大，它的強度、硬度越高；對外應(yīng)力的分散使塑性和韌性提高，即細晶強化。第54頁/共62頁晶粒的大小取決于晶核的形核率和長大速度。（P13）單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。

N/G比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒①提高過冷度過冷度△T↑，N↑↑（形核速率），G↑（長大速率），——N/G