工程材料学-2金属的晶体结构与结晶课件.ppt

1、 工工 程程 材材 料料 学学南京航空航天大学 梁文萍第二章 金属的晶体结构与结晶 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织 学习重点：学习重点：1.三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。2.实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系。3.结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。学习难点

2、：学习难点：晶面指数与晶向指数的确定晶面指数与晶向指数的确定,结晶机理。结晶机理。学习要求和难点 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识C60 物质由原子组成。原子的结物质由原子组成。原子的结合方式和合方式和排列方式排列方式决定了物质的决定了物质的性能。性能。固体物质大多为固体物质大多为晶体晶体,其原其原子排列规则有序。子排列规则有序。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识2.1.1 2.1.1 晶体与非晶体晶体与非晶体晶体晶体：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子）：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子）在三在三 维空间呈一定的规则周期性排列。维空间呈一定的规则周期性

3、排列。非晶体非晶体：原子排列没有规律的固体物质。：原子排列没有规律的固体物质。晶体晶体非晶体非晶体原子排列长程有序原子排列长程有序随机排列随机排列有固定的熔点有固定的熔点无固定的熔点无固定的熔点物理、化学及机械性能的各向异性物理、化学及机械性能的各向异性各向同性各向同性有特定的几何外形有特定的几何外形无定形无定形晶体的特点：晶体的特点：2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识2.1.2 2.1.2 晶体的表征晶体的表征晶格与晶胞晶格与晶胞1.1.晶格晶格：把粒子把粒子(原子或分子原子或分子)在空间的平衡位置抽象为规则在空间的平衡位置抽象为规则排

4、列的几何点（排列的几何点（结点结点），用一），用一系列相互平行的直线将节点连系列相互平行的直线将节点连接起来形成的空间格架称为接起来形成的空间格架称为晶晶格格。由结点形成的空间点的阵由结点形成的空间点的阵列称列称空间点阵空间点阵 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识2.2.晶胞：晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。组成晶格的最基本的几何单元。晶胞的确定要满足以下原则：晶胞的确定要满足以下原则：能充分反映整个空间点能充分反映整个空间点阵的对称性，阵的对称性，具有尽可能多的直角，具有尽可能多的直角，体积要最小。体积要最小。通常为角上有阵点的最小平行六面体通常为角上有阵点的最小平行六面体。2.

5、1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识3.3.点阵常数：点阵常数：描述晶胞空描述晶胞空间几何特征的数学参数，即平间几何特征的数学参数，即平行六面体的三个棱边长行六面体的三个棱边长a a、b b、c c和及相互间夹角和及相互间夹角、。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识 4.4.晶系：晶系：根据晶胞参数不同，将晶体根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。分为七种晶系。90%90%以上的金属具有立方晶系和六方以上的金属具有立方晶系和六方晶系。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，=12

6、0=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识5.5.原子半径原子半径：晶胞中原子密度最大方向晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。上相邻原子间距的一半。6.6.晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原一个晶胞内所包含的原子数目。子数目。7.7.配位数配位数：晶格中与任一原子距离最近晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。且相等的原子数目。8.8.致密度致密度：晶胞中原子本身所占的体积晶胞中原子本身所占的体积百分数。百分数。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识2.1.32.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法、

7、立方晶系晶面、晶向表示方法晶面：晶面：晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。晶向：晶向：空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。子列的方向。晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数（MillerMiller指数）指数）在分析晶体特在分析晶体特性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面，性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面，为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识（1 1）建

8、立坐标系）建立坐标系 结点为原点，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单三棱为方向，点阵常数为单位位 （原点在标定面以外，可（原点在标定面以外，可以采用平移法）；以采用平移法）；（2 2）求出该晶面在三个坐标上的）求出该晶面在三个坐标上的截距截距a a1 1 a a2 2 a a3 3 ；（3 3）计算其倒数）计算其倒数 b b1 1 b b2 2 b b3 3 ；（4 4）化成最小整数比）化成最小整数比h h：k k：l l；（5 5）记为）记为(h k l)(h k l)，负号记在字母，负号记在字母上方上方 。1.晶面指数晶面指数标定方法：标定方法：2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知

9、识举例：举例：2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识注意注意:晶面指数特征与晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识晶面族：晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识（110）（110）（101）（101）（011）（01

10、1）XZY立方晶系常见的立方晶系常见的晶面晶面 2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识2.晶向指数晶向指数标定方法：标定方法：（1 1）建立坐标系）建立坐标系 结点为原点，三结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位棱为方向，点阵常数为单位 ；（2 2）求出晶向上任一点的坐标）求出晶向上任一点的坐标(x,(x,y,z)y,z)；（3 3）化成最小的整数比）化成最小的整数比u u：v v：w w；（4 4）记为）记为:u v w:u v w，负号记在字母，负号记在字母上方上方 。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识注意注意:1.1.晶向指数特征与原点位晶向指数特征与原点位置无关；置无关

11、；2.2.晶向具有方向性，如晶向具有方向性，如110110与与 方向相反；方向相反；3.3.每一指数对应一组平行每一指数对应一组平行的晶向。的晶向。110 XZY(221)221110110晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的集合。集合。用尖括号用尖括号表示表示 。2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、2.1 2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识立方晶系常见的立方晶系常见的晶向晶向：111111111111XZY 2

12、.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构结构特点结构特点:以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆结构。结构。90%90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：以上的金属都属于三种典型的晶体结构：体心立方体心立方(bcc)(bcc)面心立方面心立方(fcc(fcc)密排六方密排六方(hcp(hcp)2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构2.2.1 2.2.1 体心立方体心立方（Body-Centered Cubic,bcc)具有具有bccbcc结构的金属结构的金属:-Ti-Ti、V V、CrCr、-Fe-Fe、-Zr-Zr、

13、NbNb、MoMo、TaTa、WW 等。等。2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：晶胞的原子数量：点阵常数：点阵常数：a原子半径：原子半径：配位数：配位数：8致密度：致密度：68.04334233 aa ar43 21818 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方结构的晶格参数体心立方结构的晶格参数 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方晶格中原子排列密度体心立方晶格中原子排列密度具有具有fccfcc结构的金属结构的金属:-Fe-Fe、Al Al、-Co-Co、NiNi、CuCu、AgAg、AuAu、PtPt

14、等。等。2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构2.2.2 2.2.2 面心立方面心立方（Face-Centered Cubic,fcc)2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：晶胞的原子数量：点阵常数：点阵常数：a原子半径：原子半径：配位数：配位数：12致密度：致密度：74.04234433 aa ar42 4216818 面心立方结构的晶格参数面心立方结构的晶格参数 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构面心立方晶格中原子排列密度面心立方晶格中原子排列密度 2.2 2

15、.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构2.2.3 2.2.3 密排六方密排六方（Hexagonal Close-packed,hcp)具有具有hcphcp结构的金属结构的金属:-Ti-Ti、-Zr-Zr、BeBe、MgMg、ZnZn等。等。2.2.32.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法、六方晶系晶面、晶向表示方法六方晶系六方晶系：晶胞是边长：晶胞是边长为为a，高为，高为c的六方棱的六方棱柱体。柱体。四轴定向四轴定向：晶面符号一般写为（晶面符号一般写为（hkil），指），指数的排列顺序依次与数的排列顺序依次与a1轴、轴、a2轴、轴、a3轴、轴、c轴相对轴相对应，其中应，其中a1、a2、

16、a3三轴间夹角为三轴间夹角为120o，c轴与它轴与它们垂直。它们之间的关系为：们垂直。它们之间的关系为：i=（hk）。2.2.32.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法、六方晶系晶面、晶向表示方法 方法同立方晶系，方法同立方晶系，(hkil)为在四个坐标为在四个坐标轴的截距倒数的化简，轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式自然可保证关系式hki0 0。底面指。底面指数为数为(0001)。1、晶面指数：、晶面指数：2.2.32.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法、六方晶系晶面、晶向表示方法2、晶向指数：、晶向指数：1.1.平移晶向平移晶向(或坐标或坐标)，让原点为晶向上一点，让原点为晶向上一点，取另

17、一点的坐标，有取另一点的坐标，有:2.2.并满足并满足pqr0 0；3.3.化成最小、整数比化成最小、整数比 u：v：t：w4.4.放在方方括号放在方方括号 uvtw，不加逗号，负号记在上方，不加逗号，负号记在上方 。2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构密排六方结构的晶格参数密排六方结构的晶格参数晶胞的原子数量：晶胞的原子数量：点阵常数：点阵常数：a、c，原子半径：原子半径：配位数：配位数：12致密度：致密度：74.038233234623 aaa ar21632126112 633.138 ac三种不同结构的晶格参

18、数三种不同结构的晶格参数晶胞的原晶胞的原子数量子数量点阵点阵常数常数原子原子半径半径配位数配位数致密度致密度体心立方体心立方2a868%面心立方面心立方4a1274%密排六方密排六方6a、c1274%ar42 ar43 ar21 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子密排面、密排晶向比较体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子密排面、密排晶向比较b bc cf fc ch hp p 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方晶格的密排面、密排晶体心立方晶格的密排面、密排晶向向 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属

19、的典型晶体结构面心立方晶格的密排面、密排晶面心立方晶格的密排面、密排晶向向 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构密排六方晶格的密排面、密排晶向密排六方晶格的密排面、密排晶向六方底面六方底面底面对角线底面对角线 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构思考问题：思考问题：体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？主要差异是什么？2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方、面心立方为何不在

20、前述七大晶系之内？体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？体心立方晶格为单斜晶系体心立方晶格为单斜晶系 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？面心立方晶格为菱方晶系面心立方晶格为菱方晶系 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？n密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABABABABABABn面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为

21、为ABCABCABCABCABCABCn密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABABABABABABn面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为为ABCABCABCABCABCABC 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构面心立方晶格面心立方晶格的原子堆垛的原子堆垛1 1 11 1 1 2.2 2.2 纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构2.2.4 2.2.4 多晶型金属多晶型金属同素异构同素异构 金属在固态下由于温度金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的的改变而发生晶格改变的现象称为现象称为同素异构转变同素异构转变。铁的同素异构转变：铁的同素异构转变

22、：FeFeFe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线TtCooling curve 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构2.3.1 2.3.1 单晶体与多晶体单晶体与多晶体单晶体单晶体：一块晶体材料，其内部的晶体一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一位向完全一致时，即整个材料是一个晶体。个晶体。单晶体具有各向异性的特单晶体具有各向异性的特性。性。实用材料中如半导体集成电路实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。他一些供研究用的材料。多晶体多晶体：实际应用的工程

23、材料中，那怕是一实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之种由多个小晶体组成的晶体结构称之为为“多晶体多晶体”。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 工程上使用的材料绝大多数是多晶体。工程上使用的材料绝大多数是多晶体。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构伪各向同性：伪各向

24、同性：多晶体材料中，尽管多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。个现象称为多晶体的伪各向同性。晶粒晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做常把它们叫做“晶粒晶粒”。晶界晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称，或简称“晶晶界界”。2

25、.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构纯铁内的晶粒与晶界纯铁内的晶粒与晶界晶粒的位向晶粒的位向晶粒示意图晶粒示意图铅锭宏观组织铅锭宏观组织 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约11001100 m m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mmmm。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 2.3.2 2.3.2 实际材料中晶体缺陷实际材料中晶体缺陷 晶体缺陷：晶体缺陷：在每个晶粒的内部，并不象理想晶体那样，原在每个晶粒的内部，并不象理想晶体那样，原子

26、完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构1 1、点缺陷点缺陷 (Point Defects)(Point Defects)三维空间上相当于原子尺寸大小的缺陷，包括三维空间上相当于原子尺寸大小的缺陷，包括空位、间隙空位、间隙原子原子及异类及异类置换原子置换原子。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构n 空位空位：晶格中某些缺排原子的空结点。晶格中某些缺排原子的空结点。n 间隙原子间隙原子：挤

27、进晶格间隙中的原子。挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，可以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。n 置换原子置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。取代原来原子位置的外来原子称置换原子。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 点缺陷点缺陷破坏了原子的平衡状态，使破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲晶格发生扭曲，称，称晶晶格畸变格畸变。点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构（1 1）提高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡定向流动的电子在点缺陷处受到非平

28、衡力力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热发热)。（2 2）加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。(3)(3)使使强度强度、硬度硬度提高，提高，塑性塑性、韧性韧性下降。下降。2 2、线缺陷线缺陷(Line Defects)(Line Defects)2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具

29、的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的体形式就是晶体中的位错位错（DislocationDislocation）。）。位错：位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未移面上滑移区与未滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分为。分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边

30、缘就是刃型位错刃型位错。a.a.刃型位错刃型位错 (edge dislocationedge dislocation)刃位错的运动刃位错的运动 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构刃位错形成的动态说解刃位错形成的动态说解 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构b.b.螺型位错螺型位错(screw dislocationscrew dislocation)晶格中某晶面的上下原子发生错排，如同被刀刃部分晶格中某晶面的上下原子发生错排，如同被刀刃部分切开并上下扭曲成螺旋形。切开并上下扭曲成螺旋形。上层原子 下层原子螺位错的运动螺位错的运动 2.3 2.3

31、 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）电子显微镜下的位错 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构c.c.位错位错 的滑移的滑移c.c.位错密度位错密度：2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构=S/V=S/V 式中式中 V V晶体的体积（晶体的体积（cmcm3 3）S S位错线总长度（位错线总长度（cmcm）退火状态下，位错密度常在退火状态下，位错密度常在10106 6的数量级；的数量级；较大的冷塑性变形，位错

32、密较大的冷塑性变形，位错密度可达度可达101010-1210-12的数量级；的数量级；与整个晶体相比位错的数量还是非常少，所以其存在与整个晶体相比位错的数量还是非常少，所以其存在不会影响材料的基本晶体特性不会影响材料的基本晶体特性。金属的塑性变形主要由位错运金属的塑性变形主要由位错运动引起，故减少或增加位错密度都动引起，故减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。可以提高金属的强度。对于一般工程使用的块体金属：对于一般工程使用的块体金属：位错之间的交互作用使其移动位错之间的交互作用使其移动受到阻碍，故随着位错密度受到阻碍，故随着位错密度的增的增加金属的强度也一般提高加金属的强度也一般提高加工硬加

33、工硬化化。位错线附近异类原子浓度高于位错线附近异类原子浓度高于平均水平平均水平固溶强化、弥散强化固溶强化、弥散强化。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)d.d.位错对材料性能的影响位错对材料性能的影响 2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构3 3、面缺陷面缺陷(Surface Defects)(Surface Defects)2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外

34、一个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。包括的晶体缺陷。包括晶界晶界、亚晶界亚晶界。晶界晶界宽度为宽度为510510个原子间距，位向差一个原子间距，位向差一般为般为20402040。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构n亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2(10 2 )的的小晶块。小晶块。n亚晶粒之间的交界面亚晶粒之间的交界面称称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作。亚晶界也可看作位错壁位错壁。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位位

35、错错壁壁 晶界对性能的影响：晶界对性能的影响：n熔点低；熔点低；n耐蚀性差；耐蚀性差；n易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；n阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；的金属力求获得细晶粒；n是相变的优先形核部位；是相变的优先形核部位；n使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。2.3 2.3 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2.4.12.4.1结晶基础知识结晶基础知识凝固：物质由液态转变为固态。

36、凝固：物质由液态转变为固态。结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 一次结晶：一次结晶：LSLS晶态晶态 二次结晶：二次结晶：S S晶态或非晶态晶态或非晶态S S晶态晶态1 1结晶与凝固的区别结晶与凝固的区别 物质在液态和固态下的能量物质在液态和固态下的能量温度曲线温度曲线 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织FLFS温度温度 T T自由能自由能 F F0TnTmTF结晶结晶熔化熔化结晶的热力学驱动力：结晶的热力学驱动力：F=FS

37、FL0T越大，自由能差越大，自由能差F 越大，结晶的驱动力越越大，结晶的驱动力越大，结晶的倾向越大。大，结晶的倾向越大。2 2结晶的条件结晶的条件 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线过冷度过冷度：理论结晶温度与：理论结晶温度与 实际结晶温度之差。实际结晶温度之差。T=Tn Tm过冷现象过冷现象结晶的充分必要条件就是必须要有一定的过冷度。结晶的充分必要条件就是必须要有一定的过冷度。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大过冷度越大。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大过冷度越大。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2.4.

38、22.4.2结晶的过程结晶的过程是形核与长大交替进行的过程。是形核与长大交替进行的过程。纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图Nucleation-GrowthNucleation-Growth 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织液态金属的结构特征：液态金属的结构特征：（1）短程有序；）短程有序；（2）原子处于剧烈的热振动状态。）原子处于剧烈的热振动状态。结构起伏结构起伏、能量起伏能量起伏 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织1 1 形核：形核：在液态金属中形成稳定的具有晶体结构原子排列在液态金属中形成稳定的具有晶体结构原子排列规律的结晶核心

39、（晶核）。规律的结晶核心（晶核）。n自发形核自发形核：由近程有序结构液体中规则排列的原子团：由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成；形成；n非自发形核非自发形核：晶核依附于液体中存在的固态杂质微粒：晶核依附于液体中存在的固态杂质微粒的表面而形成。相对于自发形核要容易许多。的表面而形成。相对于自发形核要容易许多。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2 2 晶核的长大晶核的长大晶体长大示意图晶体长大示意图枝晶生长的形式枝晶生长的形式 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织图图5 54 4 铸锭表面树枝晶铸锭表面树枝晶n=2n=2C-1 C-1 n-n

40、-晶粒度，为显微镜放大晶粒度，为显微镜放大100100倍时，倍时，645.16mm645.16mm2 2面积内面积内的晶粒数；的晶粒数；C-C-晶粒度级别。晶粒度级别。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2.4.3 2.4.3 结晶晶粒大小及控制结晶晶粒大小及控制1 1 晶粒度与晶粒度级别晶粒度与晶粒度级别 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2 2 晶粒大小与机械性能间的关系晶粒大小与机械性能间的关系 晶粒越细，材料的综合机械晶粒越细，材料的综合机械性能越高。性能越高。可用细化晶粒的方法提高材可用细化晶粒的方法提高材料的强度（细晶强化）。料的强

41、度（细晶强化）。抗拉强度抗拉强度/N/Nm m-2-2屈服强度屈服强度/N/Nm m-2-2断后伸长率断后伸长率/%/%10 8 6 4 2 0.110 8 6 4 2 0.16060505040403030202010104.04.0晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织3 3 细化晶粒的途径细化晶粒的途径 （1 1）增加过冷度；）增加过冷度；（2 2）变质处理；）变质处理；（3 3）振动。）振动。黄铜晶粒度对硬度的影响黄铜晶粒度对硬度的影响 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织（1 1）

42、增加过冷度）增加过冷度 增加增加T ，使形核率，使形核率N N和长大速度都提高，但和长大速度都提高，但N N的的提高速度较提高速度较G G快，故增加快，故增加T 使使N/GN/G值增大，可有效地细值增大，可有效地细化晶粒。化晶粒。过冷度对形核率和生长速度的影响过冷度对形核率和生长速度的影响Al-SiAl-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织（2 2）变质处理）变质处理 在浇注前向液态金属中加入一些固态颗粒（在浇注前向液态金属中加入一些固态颗粒（变变质剂质剂），作为现成晶核

43、以提高形核率，或可以抑制），作为现成晶核以提高形核率，或可以抑制晶核的长大速度。晶核的长大速度。变质剂可以是单质元素或化合物，常见的变质变质剂可以是单质元素或化合物，常见的变质剂有剂有Ti Ti、Al Al、V V、ZrZr、硅铁等。、硅铁等。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织铸铁变质处理前后的铸铁变质处理前后的组织组织(变质剂为硅铁变质剂为硅铁或硅钙合金或硅钙合金)变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织（3 3）振动）振动 对结晶过程中的液态金属施加一定频率的振动波，对结晶过程中的液态金属施加一定频率的

44、振动波，产生的金属液对流会使成长中树枝晶臂断裂，从而增加产生的金属液对流会使成长中树枝晶臂断裂，从而增加了晶核数目，提高了形核率。了晶核数目，提高了形核率。电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图 常用的方法有常用的方法有机械震动、超声波机械震动、超声波振动和电磁搅拌等。振动和电磁搅拌等。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2.3.4 2.3.4 金属铸锭组织金属铸锭组织1 1 包括包括表面细

45、晶区，柱状晶区，中心等轴晶粒区。表面细晶区，柱状晶区，中心等轴晶粒区。金属铸锭组织示意图金属铸锭组织示意图1-1-表层细晶粒区表层细晶粒区 2-2-柱状晶粒区柱状晶粒区 3-3-中心中心等轴状晶粒区等轴状晶粒区表层等轴细晶区表层等轴细晶区 晶粒细小，取晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。模接触的表层得到等轴细晶区。柱状晶区柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，随模具温度的升高，只能随锭模的散热而

46、降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶断

47、晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织柱状晶区生长示意图柱状晶区生长示意图 2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2 2 对于钢锭等，一般不希望得到柱状晶粒区，对于塑性好对于钢锭等，一般不希望得到柱状晶粒区，对于塑性好的金属，希望得到柱状晶发达的铸锭组织。的金属，希望得到柱状晶发达的铸锭组织。控制铸锭组织的方法：控制铸锭组织的方法：n提高熔化温度，有利于柱状晶区的发展，反之亦然。提高熔化温度，有利于柱状晶区的发展，反之亦

48、然。n浇注温度和浇注速度的提高，将使温度梯度增大，有浇注温度和浇注速度的提高，将使温度梯度增大，有利于柱状晶区的发展。利于柱状晶区的发展。n铸锭模的冷却能力，铸锭模的冷却能力越大，越有利铸锭模的冷却能力，铸锭模的冷却能力越大，越有利于柱状晶的形成。于柱状晶的形成。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织2.3.5 2.3.5 铸造缺陷铸造缺陷缩孔缩孔 常见的常见的有缩孔、气孔、缩松、偏析、夹渣、白点等有缩孔、气孔、缩松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的它们对性能是有害的.n缩孔缩孔是由于是由于液态金属结晶液态金属结晶时体积收时体积收缩且补充不足而造成的。缩且补充不足而

49、造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除孔在锻轧前应切除.2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果n偏析偏析：合金中各部分化学合金中各部分化学成分不均匀的现象成分不均匀的现象。铸锭。铸锭在结晶时在结晶时,各部位结晶先后各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，点元素偏聚于最终结晶区，造成造成宏观上的成分不均宏观上的成分不均匀匀宏观偏析宏观偏析。适当控。适当控制浇注温度和结晶速度可制浇注温度

50、和结晶速度可减轻宏观偏析。减轻宏观偏析。2.4 2.4 纯金属的结晶和铸锭组织纯金属的结晶和铸锭组织缩缩松松n气孔气孔:液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的封铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。铸件中出现气孔则只能报废。缩松：缩松：实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固的固体封闭而得不到液体补充而收缩孔被凝固的固体封闭而得不到液体补充