工程材料金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

工程材料金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶2023/8/7第1頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)材料的認(rèn)識(shí)：宏觀（表現(xiàn)）；微觀（納，微米）微觀認(rèn)識(shí)。如：晶體結(jié)構(gòu)（上海光源視頻……）2023/8/7第2頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來(lái)?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的2023/8/7第3頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀2023/8/7第4頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過(guò)X-射線衍射或透射電鏡研究。Al的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的X-射線衍射譜透射電鏡衍射斑點(diǎn)2023/8/7第5頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）

透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

光鏡下電鏡下2023/8/7第6頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。

金屬鈦中的位錯(cuò)2023/8/7第7頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、什么（非）晶體？1、晶體。如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2、非晶體。如玻璃、瀝青等。

金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)2023/8/7第8頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、晶格與晶胞空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）2023/8/7第9頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸a、b、c；棱間的夾角用、、表示。2023/8/7第10頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、常見(jiàn)的三種金屬晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格2023/8/7第11頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/7第12頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見(jiàn)金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：2023/8/7第13頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.面心立方晶格

2023/8/7第14頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月面心立方晶格的參數(shù)2023/8/7第15頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格2023/8/7第16頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.密排六方晶格2023/8/7第17頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月密排六方晶格的參數(shù)2023/8/7第18頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格2023/8/7第19頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

實(shí)際晶體：理想晶體+晶體缺陷

晶體缺陷：實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。按空間尺寸分為三種：

1點(diǎn)缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子。

2線缺陷。主要是位錯(cuò)。

3面缺陷：主要是晶界和亞晶界第二節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2023/8/7第20頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．點(diǎn)缺陷。主要是空位、置換原子、間隙原子?？瘴婚g隙原子大置換原子小置換原子

點(diǎn)缺陷與性能：

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。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。2023/8/7第21頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．線缺陷。主要是位錯(cuò)。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。2023/8/7第22頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）2023/8/7第23頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、面缺陷。主要是晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。亞晶界亞晶粒之間的交界面。亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶塊。大角度晶界---晶界小角度晶界---亞晶界2023/8/7第24頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶界與性能：（1）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。（2）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。顯微組織的顯示2023/8/7第25頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)分類

單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組，各向異性。

實(shí)際金屬——多晶體

——偽各向同性純鐵組織晶粒示意圖2023/8/7第26頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶概念（凝固和結(jié)晶區(qū)別？）凝固：

L（液態(tài)）→S（固態(tài)）

，S可以是非晶體

結(jié)晶：

一次結(jié)晶：L→S晶態(tài)二次結(jié)晶：S→S晶態(tài)近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)2023/8/7第27頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象（宏觀）冷卻曲線：曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。過(guò)冷現(xiàn)象：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差TT=T0

–T1

純金屬的冷卻曲線2023/8/7第28頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、純金屬的結(jié)晶過(guò)程（微觀）1、結(jié)晶的基本過(guò)程

結(jié)晶由晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。

2023/8/7第29頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。2023/8/7第30頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、金屬晶粒的大小及影響因素

1.晶粒度2023/8/7第31頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，常溫下的力學(xué)性能越好？

2023/8/7第32頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大速度。

N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。過(guò)冷度ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，細(xì)化晶粒。3.控制晶粒度的因素①提高過(guò)冷度2023/8/7第33頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②變質(zhì)處理又稱孕育處理。即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。③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。2023/8/7第34頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2023/8/7第35頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月純鐵的同素異晶(allomorph)轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:1394°