工程材料精品课件：第一章 金属的晶体结构和结晶R.ppt

1、第一章 金属的结构与结晶,1-1 金属的晶体结构,一、晶体,1.晶 体：是指其中的原子(或离子)呈规则的周期性排列的物质。,反之为非晶体。,在不同的方向上测量非晶体性能时，其值不因方向而异的现象,在不同的方向上测量晶体性能时，其值因方向而异的现象,非晶体：,各向异性：,各向同性：,晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格。,晶胞的取法很多，一般取平行六面体。,晶胞：就是(这种)组成晶格的最基本的几何单元。,2.晶体与非晶体的区别：,晶 体原子排列有规则， 呈周期性，有一定熔点，各向异性 非晶体原子排列无规则，不呈周期性，无一定熔点，各向同性,晶体中原子排列的方式称为 。 结构不同，其性能也

2、不同。,3.晶体结构的描述,晶体结构,晶格常数(点阵参数)： 晶胞各边尺寸a、b、c。 （如右图）单位 (10-10m),晶胞各边之间的夹角以、表示。,钢球模型 晶格 晶胞,二、金属键与金属的特性,1 金属键：,固态金属所具有的特性，就是由金属键的本质产生的。如在固态金属中具有的特性如下：,有良好的导热性； 有良好的导电性； 有良好的延展性； 正电阻温度系数，等等,在固态金属中，电子云与正离子间的引力与正离子间及电子间的斥力相平衡而形成的结合方式，叫金属键。,金属键示意图,由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金属都具有紧密排列的趋向，以致其中绝大多数的金属晶体都属于三种密排的晶格形式。,三、

3、金属晶体中常见的三种晶格类型,度量晶体中原子排列的紧密程度的方法：,常用的有配位数、致密度。,A：配位数：,晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距的原子数。 （定性的）,B：致密度：,（定量的）,立方体：,即正方体 a=b=ca； =90o。,（一） 体心立方晶格 【bcc】 Body-Centered cubic crystal structure,八个原子占据立方体八个角，在立方体的体积中心还有一个原子。（如下图）,1. 晶胞内原子数： 1/88+1=2,2. 原子半径： a,3. 配位数： 8,4. 致密度：,体心立方晶胞示意图,（二）面心立方晶格 【fcc】 Face-Centered

4、cubic crystal structure,八个原子占据立方体八个角，在立方体各面中心还有一个。（如下图）,1. 晶胞内原子数： 1/88+1/26=4,2. 原子半径： a,3. 配位数： 12,4. 致密度：,面心立方晶胞示意图,（三）密排六方晶格【hcp】 Hexagonal-Close Packed crystal structure,以12个原子为顶点构成简单六方柱体 ， 在柱体上下两个底面中心还各有一个原子，另在两个底面之间还有3个原子（如下图）。 理论计算表明：c/a=1.633,1. 晶胞内原子数： 1/612+1/22+3=6,2. 原子半径：a/2,3. 配位数： 12

5、,4. 致密度：当 c/a=1.633时，K0.74=74%,密排六方晶胞示意图,三种典型金属晶格所对应的常见金属的例子如下：,由上表可以看出， Mg、Zn等最难以变形的具有密排六方晶格； -Fe、Cr等也是比较“硬”的具有体心立方晶格； Cu、Au、Ag等很“软”，容易变的形而具有面心立方晶格。这也从一个角度说明，晶体的晶格类型对晶体的性能的影响是非常大的。,四、晶面和晶向,晶格中原子中心所构成的平面。,晶面、晶向指数：,晶向：,晶面：,晶体中穿过两个以上原子中心的方向（直）线,表示各种晶面和晶向位向的统一标号,（一） 立方晶体中晶面指数的确定及表示方法,1. 确定坐标系：,2. 求截距：,

6、3. 取倒数：,确定三要素：原点、坐标轴、单位长度,求出待定晶面在三个轴上的截距,取这些截距的倒数,4. 化简：,将上述倒数化为最小的整数，并加上园括号“( )”，即为晶面指数。如（110）,在立方晶体晶格中最常用有三个晶面，如右图所示，分别为：,晶面指数一般可记为 。如果晶面得到负截距则在所得到指数上方冠以负号，如（ ）,(hkl),（110）、,（111）、,（100）,最常用有三个晶面，,（二） 立方晶体中晶向指数的确定及表示方法,1. 确定坐标系：,确定三要素：原点、坐标轴、单位长度,2. 引平行线：,3. 求坐标：,通过坐标原点引一直线平行于所求的晶向,求出该直线上任一点的坐标,4.

7、 化简：,按比例化为最小整数，加一方括号，“ ”，即为所求晶向指数。如112,晶向指数一般可记为 。如果晶向得到负坐标值则在所得到指数上方冠以负号，如 ,注意：,一个晶面指数或晶向指数是代表一组相互平行的,另外：,在立方晶格中，具有相同指数的晶面与晶向之间是相互垂直的。,在立方晶体晶格中 最常用有三个晶向， 如右图所示，分别为：,、110,111,、100,最常用有三个晶向，,晶面或晶向（在其上原子的排列方式是相同的）,uvw,（三） 晶面族hkl及晶向族,晶面族hkl ：,表示位向不同但其原子排列相同的一组晶面,晶向族:,表示方向不同但其原子排列相同的一组晶向,如：表示(100)、(010)

8、、(001)等一组晶面 表示100、010、001等一组晶向,在立方晶体的晶格中： 最有实用意义晶面为111、110)、100所包含的晶面 最有实用意义晶向为、所包含的晶向,（ 四）晶面及晶向的原子密度,由公式可知：即使在同一晶体晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度也是不同的,以体心立方晶格为例：其中三种主要晶面和晶向的原子密度示于表1-2中,晶面面积,规律：原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶向。我们也称之为“密排面”和“密排方向”,表格1-2 体心立方晶格中三种主要晶面和晶向的原子密度,110,类似也可以得出面心立方及密排六方晶格的密排面和密排方向，归纳结果见下表：,以后我们将看到

9、，金属晶格的密排面及密排方向的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。,五、晶体的各向异性,对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向上测量某些量时，(如弹性模量E、强度极限b、屈服极限s、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀性等)，将得到不同的数值。如铁(Fe) 111方向E=2.80105MNm2 100方向E=1.30105MNm2 这就引出一个新的概念：,由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，导致了晶体在不同方向上的性能不同的现象。,各向异性是晶体区别于非晶体所特有的一个重要标志,晶体的各向异性：,1-2 实际金属的晶体结构,一、单晶体与多晶体,（一）单晶体：,其内部的晶格位向完全一致的一

10、块晶体,晶粒：,（这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体称为晶粒。 (尺寸为10-110-3mm),晶界：,晶粒之间的边界。 （如图）,（二）多晶体：,其内部由多个晶粒组成的晶体结构,多晶体晶粒示意图,多晶体晶粒显微照片,多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一般存在着大于15的位向差。 实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也可能存在着小差别（102012）,（三）亚晶粒：,（这些）在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶粒；与之对应的亚晶粒间的界面称为亚晶界。,二、实际金属晶体的缺陷,晶体缺陷：,实际晶体中原子排列不规律的地方。在这里晶格失去了完整性。,晶体缺陷按几何形状分为三类

11、： （点、线、面）,（一）点缺陷：,其几何特征是在x、y、z三方向上尺寸都很小（原子尺寸）。,常见的：,空 位：,在晶格结点的正常位置上没有原子（因热振动等离去）。,间隙原子：,在晶格间隙处有多余的原子。,空位和间隙原子示意图,点缺陷的存在使周围晶格发生畸变，产生局部内应力，对晶体的性能产生影响。,其中：间隙原子仅产生正畸变（原子受压应力）；而空位只产生负畸变（原子受拉应力）。,空 位,间隙原子,（二）线缺陷位错（线）：,其几何特征是在两个方向上尺寸很小，另一方向上尺寸很大（像一条线）也称一维缺陷。,位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列。,最基本位错之一是刃型位错（如图1-10），以符

12、号“”形象地表示。 位错还有其它类型的。,图1-10 刃型位错,位错密度：,单位晶体中位错线的总长度。,位错线可以借助于电镜观察到，呈一黑线（如图1-11）。,图1-11 实际晶体中的位错线,（三）面缺陷晶界和亚晶界：,其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方向上尺寸很大。,由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错在金属中的密度通常为 的存在,放映录像,1041012 cm/cm3，位错 对金属的机械性能有很大的影响。,这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。,而亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如图1-

13、12b）。可以把它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”。,（a）,（b）,晶界,图112 晶界（a）及亚晶界（b）示意图,图112 晶界（a）及亚晶界（b）示意图,三、晶体缺陷对金属性能的影响,（一）产生伪各向同性：,由于金属是由很多晶粒组成，每个晶粒虽然有各向异性，但不同位向的各晶粒的综合作用结果，使实际金属的各方向上性能一样，好象是各向同性的，所以称为伪各向同性。,原因：晶粒平均直径 =10-110-3mm，1cm3有晶粒数106（个）。 所以：各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖了各向异性。,由于在金属晶体中存在着上述的晶体缺陷，破坏了晶格原子排列的规律性和完整性，并导致晶格的局部畸变，

14、从而对金属的性能、特别是机械性能产生很大的影响。,（二）对机械性能的影响：,缺陷晶格发生畸变畸变能 提高强度（点线缺陷降低韧性）。,晶界细化晶粒 晶界面积 面缺陷 强度并韧性（综合机械性能）,通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。通过后面的学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可使晶体的位错密度达到很高（1012cm/cm3）。,提高位错密度是目前提高金属强度的常用手段之一。,通过细化晶粒提高金属材料强度和韧性的的方法称为“细晶强化”,1-3 金属的结晶,一、结晶的基本概念,（一）凝固与结晶：,凝固 LS 的过程 （由液态转变为固态的过程） 结晶 LS晶的过程 （由液态转变为固态晶体 的过程）,

15、（二）理论结晶温度：,凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为 。符号 。,理论结晶温度 T0,理论上，上述温度 就是液态和晶态的分界线：,当TT0时SL （由固态转变为液态）,当TT0时LS （由液态转变为固态）,当TT0时LS （液态、固态平衡共存）,（三）自由能：,物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（F）称为自由能。,任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是 。,“自由能差”（F）,T0,如右图，液

16、体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能F随温度T的变化也不同。,T F； 但FLFS， 交点T0,当TnT0时 F=FL-FS L S晶,当TnT0时 F=FS-FL S晶L,当TnT0时 F=0 S晶L,可见，自由能差F是靠T=T0Tn来获得的，所以，T是结晶过程中的一个重要参数。,无驱动力，如平面上的球、等温的两物体,说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。,（四）过冷度：,实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差： T=T0-Tn,过冷度T越大则F越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。,一般情况下，,结晶潜热：,在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热

17、的形式向外界释放，我们称之为“结晶潜热”。,过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度T保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。,利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为“ ”。此法是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，过冷度T就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的“冷却曲线”。,热

18、分析法,纯金属结晶冷却曲线示意图,（五）冷却曲线：,物体在液态冷却结晶过程中所作出的-T曲线。（如右图）,冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是实际结晶温度。,二、金属结晶的基本过程,基本过程：晶核的形成与晶核 的长大。(如左图所示),（一）晶核的形成,金属结晶时,1. 均匀形核或自发形核：,形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。,形核方式有两种：,液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。当这种原子集团的半径大于某一个临界值rc时，它们继续长大会造成系统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核心。rc称

19、为晶核的临界半径，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。,2. 不均匀形核或非自发形核：,形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。,晶核：,就是能真正成长为晶体的原子集团。,（二）晶核的长大,晶核的长大方式：,金属的长大形式通常是枝晶长大（如图）,三、金属铸锭及金属铸件,在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成固态的，可分别得到金属铸锭（具有一定形状的金属块，通常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件（具有特定产品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而直接使用）。这个过程可称为铸造。,对于金

20、属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区 。,（一） 表面细晶粒区,模壁T冷却速度+人工晶核（模壁）晶粒等轴、细小、均匀。,三个部分组成,（二）柱状晶区,随时间推移 模型T冷却速度 T形核率下降,向模壁定向散热 晶粒定向长大,柱状晶,（三）中心等轴晶区,随时间进一步推移 散热能力 散热方向性均匀冷却且冷却速度,又：杂质聚集，枝晶折断 晶核 各向均长大,粗等轴晶,金属铸锭示意图,实际金属铸锭,（四）铸造缺陷,如前述的三层晶区 凝固条件不同，三区可相对增减,体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成；,在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域 （最后凝固所至）,气泡、

21、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。, 组织不均匀,缩孔,在缩孔周围形成的微小分散孔隙,疏松,区域偏析,四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素,在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的：,形核率N 形核数smm3 生长率G mm/s,最后得到的晶粒大小，与N、G有关 在体积一定时N晶粒尺寸； G晶粒尺寸 可见，晶粒的大小取决于比值N/G，N/Gd晶,（一）过冷度T的影响,在结晶过程中G、N与过冷度T和自由能差F有关： T FG、N。 但是随过冷度（T）的增大 G、N增大速度不同。,其结果 如左图所示,在工业上通常过冷度 TTK,所以，一般冷却速度， 则N/Gd晶机械性能,

22、形核率N和生长速度G与过冷度T的关系图,（二）未熔杂质的影响,金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相近的未熔杂质时，晶核可在其表面产生，而使形核容易形核率N ，使晶粒细化。,变质处理：人们为了得到优良性能的细晶粒时，通常故意加入某些难溶杂质（称“人工晶核”）来增加形核率，这种细化晶粒的方法，称“变质处理”。,如：Al中加入Ti Al-Si合金中加入Na 铸铁中加入硅钙等等，应用很广。,（三）振动和搅拌等,如机械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。 可形核率N ；细化晶粒。,第一章 结束,第一章 结束,第一章 结束,第一章 结束,第一章 结束,对 不 起 ！ 本 演 示 暂 时 不 能 用,