机械工程材料第三讲金属的晶体结构和结晶.ppt

1,第四章 金属材料晶体结构和结晶,46h,金属材料的性能与其化学成分和内部的微观结构密切相关。化学成分不同的材料性能不同，化学成分相同而内部微观结构不同的材料性能也不同。所以了解金属材料的成分、微观结构与性能的关系是认识和使用材料的前提。,2,第一节金属的特性 迄今为止，在已知的一百多种化学元素中，80以上的元素是金属元素。金属就是那些在发生化学反应时失去价电子的元素。与非金属相比，固态金属具有以下主要特性： (1)优良的导电性和导热性。 (2)正的电阻温度系数，即随着温度不断升高，电阻不断增大使金属的导电性降低。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近绝对零度时电阻突然降低，乃至趋近于零。 (3)良好的塑性。 (4)有金属光泽，但不透明。 某些非金属也可能具有上述某些特征，但不会具有全部特性，也达不到金属所具有上述特性的程度。通常把这种非金属称为类金属。 固态金属的特性是由金属内部原子的构造特点和金属原子间的结合方式所决定的。,3,一、金属原子的结构特点 金属原子构造的特点是其最外层的电子数很少，一般只有13个，而且这些电子与原子核的结合力微弱，因而易于丢失，即脱离所属的原子核而成自由电子。而丢失最外层电子的金属原子变成正离子。对于过渡族金属原子不仅丢失最外层电子，还容易丢失次外层电子，以致过渡族金属具有多种化合价。 二、金属键 由于金属原子的结构特点，使得固态金属离子间的结合方式是以金属键结合，而金属键也就决定了金属的特性。由于金属中有大量的自由电子，在外加电场作用下金属内部的自由电子产生定向运动，形成电流，使金属具有良好的导电性，借助金属中正离子的振动和自由电子的运动可以传递热量，使金属具有良好的导热性；加热时，金属温度升高，正离子热振动的振幅加大，自由电子运动时与正离子的碰撞次数增多，阻碍自由电子的定向运动，电阻增大；温度降低时，正离子振动减弱，对自由电子运动的阻碍减小，电阻减小；由于金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在外力作用下原子位置发生相对移动时，金属键不会遭到破坏，使金属表现出良好的塑性；金属中的自由电子容易吸收可见光的能量，从而被激发到较高的能级，当其返回到原能级时，释放出所吸收的可见光能，使金属有光泽但不透明。,4,第二节金属的晶体构造 一、金属晶体的基本概念 1 、晶格 如果把组成晶体的原子(或离子、分子)看做是刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期性地堆垛而成，如图(a)所示。不同晶体的堆垛规律不同；为研究方便，假设将刚性球体缩为处于球心的点，称为结点。由结点所形成的空间点的阵列称为空间点阵。假想的用直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格，如图(b)所示。 晶格直观地表示了晶体中原子(或离子、分子)的排列规律。,(a),(b),晶体,5,2、 晶胞 从微观上看，晶体是无限大的、 为便于研究，常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞，如图所示。晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体。 3、晶格常数 晶胞各边的尺寸a、b、C、称为晶格常数，又称晶格尺寸。晶胞的大小和形状通过晶格常数a、b、c和各棱边之间的夹角、来描述。根据这些参数，可将晶体分为7种晶系14种晶格。其中立方晶系和六方晶系比较重要。,晶胞,晶格,z,6,7种晶系晶包参数14种晶格,0,0,0,0,0,0,0,0,7,晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半尺寸称为原子半径;处于不同晶体结构中的同种原子的半径是不相同的。 4、晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原于数目称为晶胞原子数。 5、致密度 晶胞中原于本身所占有的体积百分数称为致密度。 晶体中与任一原子距离最近且相等的原子数目称为配位数。显然，不同结构晶体的晶胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位数越大的晶体致密度越高。,8,2. 立方晶体中的晶面与晶向 （Miller指数的求法 ） 晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，如下图所示。,6、立方晶系的晶面和晶向表示方法 晶体中各方位上的原子面称为晶面，各方向上的原子列称为晶向。为便于研究，通常用符号来表示不同的晶面和晶向。表示晶面的符号称为晶面指数，表示晶向的符号称为晶向指数。下面简单介绍立方晶系的晶面指数和晶向指数的确定方法。 晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族。如下图所示。,9,（1）晶面指数 1）晶面指数的确定步骤为 建立坐标系:以任一原子为原点(注意原点不要放在待确定晶面上)，以过原点的三条棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单位建立坐标系； 求截距:求出待定晶面在三个坐标轴上的截距； 取倒数：取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加一圆括号，即为所求晶面的指数。其形式为(hkL)：如果是负指数，则应将负号“”放在相应指数的上方。,例如，求截距为1，, 晶面的指数时，取三个截距值的倒数为1，0，0，加圆括号成为(100)，即为所求晶面的指数。 再如，要画出晶面(221)，则取三指数的倒数12，12，1，即为该晶面在x，y,z三个坐标轴上的截距。 (hkl)代表的是一组互相平行的晶面。,10,2）立方晶胞中三种重要晶面指数,100包括(100)、(010)、(001)三个晶面-,11,III包括(111)、(111)、(111)、(11 1),110包括(110)、(101)、 (011)、(1 10)、(101)、 (011)六个晶面,X,Z,Y,12,（2） 晶向指数表示法 步骤：设坐标； 作平形线； 求值； 化简； 入方括弧uvw。 注意点：？,（2） 晶向指数表示法 1）步骤：设坐标：建立坐标系(方法同上)； 作平形线：过原点作所求晶向的平行线； 求值：求该平行线上原子投影点的三个坐标值 化简：按比例化为最小整数 加一方括号即为所求晶向的指数uvw。,例如，过原点某晶向上一点的坐标为1、15、2；将这三个坐标值按比例化为最小整数并加方括号，得2、3、4，即为该晶向的指数：又如，要画出110晶向，需要找出(1、1、0)坐标点，连接原点与该原子坐标点的直线即为所求晶向。,13,重要的晶向： 111、 110、100,与晶面指数类似， uvw代表的是一组互相平行、方向一致的晶向。 那些原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向称为晶向族，用uvw表示。立方晶系常见的晶向为，100110111 特别指出的是，在立方晶系中，指数相同的晶面和晶向是互相垂直的。,14,二、常见的金属的晶格类型 体心立方晶格 、 面心立方晶格、 密排六方晶格。,球体堆砌模型；晶格常数a 原子半径r=? 晶胞原子数n=? 配位数C=? 致密度K=? 应用举例：,15,1、 体心立方晶格,球体堆砌模型： 晶格常数：晶胞的各条棱边的长度, a ； 原子半径r：晶胞中相距最近的两个原子之间平衡距离的1/2 ，即 ； 晶胞原子数n: 指完完全全属于此晶胞所独有的原子数目，n11/8 8= 2 ； 致密度K ：晶胞中原子占有体积与整个晶胞体积的比值, 即Kn（4/3 r3）/ a3 0.68 = 68% ； 配位数C ： 晶格中与任一原子相距最近且等距离原子数目，C = 8 ; 应用举例：-Fe，Cr , V, W, Mo , Nb , -Ti , Ta 等约30余种金属。,16,原子半径 r =,2、面心立方晶格,球体堆砌模型:,晶格常数 a ;,a,晶胞原子数n = 1/8 8 +1/26=4,致密度 K=(n4/3r3）/a3 0.74 74,配位数C= 12 ； 应用举例：-Fe，Cu, Al ,Pb,Au,Ag,Ni等,17,3、密排六方晶格（简述） 球体堆砌模型； 晶格常数a，c ; 原子半径r=1/2 a ； 晶胞原子数n= 6 ; 配位数C=8 ; 致密度K= 0.74 ； 应用举例：Mg, Zn, Be 等,a,c,18,三种典型金属晶体结构特点,第56页,三种典型金属晶体结构特点,19,三、 晶体的各向异性,晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力就不同，晶体在不同方向上的性能各异，此即晶体的各向异性。 晶体的这种特性在力学性能、物理性能、化学性能上都能表现出来，是区别于非晶体的重要标志之一。 如图；体心立方晶体，在不同方向，受力是不同的。 再如石膏、云母、方解石等晶体常沿一定的晶面最易被拉断或劈裂。铁的单晶体在磁场中沿(100)方向的磁化，比沿（111)方向容易。所以，制造变压器铁心的硅钢片的（100)晶向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。目前工业生产上已通过特殊的轧制工艺生产出了(100)晶向平行于轧制方向的硅钢片，从而获得优良的导磁率。,20,四 、 实际晶体的结构特点,1. 单晶体与多晶体 （1）单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 （2）多晶体：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成。 （3）晶粒：这些小晶体称为晶粒。 （4）晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大，晶界面上原子排列是不规则的。,21,（5）显微组织：晶粒的尺寸(平均截线长)依金属的种类和加工工艺的不同而不同。在钢铁材料中，一般为10 10 mm，必须在显微镜下才能看到。在显微镜下观察到的金属材料的晶粒大小、形态和分布叫做“显微组织”。晶粒也有大到几个至十几个毫米，小至微晶、纳米晶。 （6）亚晶界：实际晶粒都不是完全理想的晶体，每个晶粒内部不同区域的晶格位向还有微小的差别，这些小区域叫做亚晶粒，尺寸一般约10 10 mm，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。 （7）伪等向性：在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向是任意的，整个晶体各方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，整块金属在各个方向上的性能是均匀一致的，这称为“伪等向性”。例如，工业纯铁在任何方向上，其弹性模量E均为210GPa。,-1,-3,-3,-5,22,1.3.2 Crystal defects 晶体缺陷,1. 点缺陷 （1） 几何特征（2）主要形式 （3） 对性能的影响 2. 线缺陷 （1）几何特征（2）基本类型（3）刃型位错模型分析（4）位错密度 （5）对性能的影响 3. 面缺陷 （1） 几何特征（2）主要形式 （3） 对性能的影响,五、实际晶体中的晶体缺陷,实际金属晶体内部的原子排列，并不象理想晶体那样完整和严守“规则”，由于各种原因使原子的规则排列遭到破坏，存在着局部和区域的晶体缺陷。晶体缺陷对金属材料的性能有很大影响。根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。,23,1、 点缺陷点缺陷是指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。 （1) 几何特征如图； （2)主要形式：空位、间隙原子、 置换原子 。 （3) 对性能的影响 点缺陷导致的晶格畸变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,点缺陷的几种形式 图中： 2空位； 1，6置换原子； 3间隙原子； 4空位对； 5空位与间隙原子。,24,2、线缺陷 线缺陷是指二个维度尺寸很小而在另一个维度上尺寸相对很大的缺陷。即”位错“,晶体局部滑移造成的刃型位错,刃型位错模型,螺型位错模型,25,晶界（a）及亚晶界（b）示意图,3、 面缺陷指晶体内部呈面状分布的缺陷。常见的有晶界和亚晶界,晶界层内原子排列折中位置,晶粒细则晶界增多，金属的强度、硬度也较高，这就是“细晶强化”的基本原理。亚晶界也形成晶格畸变，有强化金属的作用。,26,实际金属的晶体结构特征,实际金属的晶体结构特征,实际金属的晶体结构特征,实际金属的晶体结构特征,27,六、金属的同素异构(晶）转变,1、同素异构转变有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这种现象称为同素异构转变。如通常所说的锡疫，即为四方结构的白锡在13下转变为金刚石立方结构的灰锡。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即固态相变。在金属中，除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。 2固态转变的特点 固态转变又称二次结晶或重结晶，它有着与结晶不同的特点： 发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。因为这些部位或与新相结构相近，或原子扩散容易。 因固态下扩散困难，所以固态转变的过冷倾向大。固态相变组织通常要比结晶组织细。 固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂。,28,纯铁的冷却产生同素异晶转变，由于面心立方晶格-Fe中铁原子的排列比-Fe紧密，故由-Fe转变为 -Fe时，金属的体积将发生膨胀。反之，由-Fe转变为-Fe时，金属的体积要收缩。 这种体积变化使金属内部产生的内应力称为组织应力。 -Fe常温下是铁磁性物质，770发生转变，磁性消失，无晶格类型的变化。,3、纯铁同素异晶转变,29,第三节 金属的结晶过程,物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型： 一种是形成晶体，我们称之为结晶； 另一种是形成非晶体，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。 金属材料的凝固过就是结晶过程。结晶是由一种相(液相)转变为另一种相(固相)的过程，即是相变过程。,30,一、结晶的热力学条件 由热力学第二定律可知，物质遵循能量最小原理，即物质总是自发地向着能量降低的方向转化。 图给出了在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关系曲线，无论是液体还是晶体，其自由能均随温度升高而降低，两者斜率不同，液相的斜率大于固相，两曲线交点的温度T0为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。,当T=T0时，G液=G固，两相共存； 当TT0时，G液G固，金属结晶成固体，而G=G固-G液0，为结晶的驱动力； 由此可知过冷是结晶的必要条件，T越大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。,GL液体自由能,Gs固体自由能,T,G,自由能,T1,T0,G,31,二、冷却曲线和过冷度 结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。结晶的驱动力是实际结晶温度(T1)下晶体与液体的自由能差Gv，而理论结晶温度(T0)与实际结晶温度(T1)的差值称为过冷度( T)，即 T=T0T1。 图是通过实验测定的液体金属冷却时温度和时间的关系曲线，称为冷却曲线。由于结晶时放出结晶潜热，曲线上出现了水平线段。,纯金属结晶时的冷却曲线,孕育期,过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大,32,1结晶的基本规律 结晶过程由晶核形成和晶核长大两个基本过程组成。 如图液态金属的结构介于气体(短程无序)和晶体(长程有序)之间，即长程无序、短程有序。因此，在液态金属中存在许多有序排列的小原子团，这些小原子团或大或小，时聚时散，称为晶胚。在T0温度以上，由于液相自由能低，这些晶胚不可能长大，而当冷却到T0以下后，便处于热力学不稳定状态，经过一段时间(称为孕育期)，那些达到一定尺寸的晶胚将开始长大。,三、结晶过程,这些能够继续长大的晶胚称为晶核。晶核形成后，便向各个方向不断地长大。在这些晶核长大的同时，又有新的晶核产生，就这样不断形核，不断长大，直到液体完全消失为止。每一个晶核最终长成为一个晶粒，两晶粒接触后便形成晶界。,纯金属的结晶过程,气体结构示意图,液体结构示意图,晶体结构示意图,33,2晶核的形成方式 晶核的形成方式有两种，即自发形核和非自发形核。 (1)自发形核:晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成。又称均匀形核。 (2)非自发形 :晶核依靠 液体中存在的固体杂质或容器壁形核。 又称非均匀形核。 人工晶核：在金属的结晶过程，人工加入非自发晶核物质。,34,当过冷液体(处于T0以下未发生结 晶的液体)中形成晶胚时，一方面体系的体积自由能要降低，另一方面，由于晶胚产生了新界面，增加了界面自由 能。体系自由能总的变化 G总是上述两项能量之和。 G总随晶胚半径r的增加而存在极大值 G*，如图所示，该极大值即为形核时需克服的能垒，极大值所对应的r值即为临界晶核半径 rc。只有rrc的晶胚才称为晶核，此时，随晶核长大， G总下降。 在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核是同时存在的，但以非自发形核方式发生结晶为普遍。,35,3.晶核的长大方式树枝状,晶核长大的两种方式 （1）均匀长大：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行，由于自由晶体表面总是能量最低的密排面，因而晶粒在结晶过程中保持着规则的外形，只是在晶粒互相接触时，规则的外形才被破坏。 （2）树枝形式长大：实际金属结晶时冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，如图所示这是由于晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。 在树枝生长过程中，由于液体流动、振动等因素影响，使某些晶枝发生偏斜或折断，因而形成亚晶粒结构。,一次晶轴,二次晶轴,三次晶轴,36,4、多晶体 金属液体中晶核的形成先后不一，长大的条件也不同，因而形成的晶粒大小、形状和位向各不相同，晶粒之间最后形成过渡的界面成为晶界，晶界把晶粒连结组成多晶体，最后结晶的晶界原子呈不太规则的过渡排列，晶界对金属性能有很大的影响。,37,四、晶粒度 1、晶粒大小对金属性能的影响 ： 实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。 晶粒大小可用单位面积上的晶粒数目或者晶粒平均截线长度(平均直径)来表示。,下表列出了纯铁晶粒大小对其强度和塑性的影响,38,2、影响晶粒度的因素 金属结晶后单位体积中晶粒总数Z与结晶过程中的形核率N(单位时间在单位体积内所形成的晶核数)和成长速率G(单位时间界面向前推进的距离)之间存在如下关系： 上式表明，凡是增大N/G值的方法，都会细化晶粒。 并非任何金属材料都要求晶粒愈细愈好。 在高温下，较粗晶粒金属比细晶粒金属具有更高的强度。 制造电机变压器的硅钢片，就要求晶粒粗大，因为晶粒粗大的硅钢片磁滞损耗较小，电磁效率高。所以，对于材料晶粒大小的要求，必须根据实际需要而定。 3、细化晶粒的方法 研究发现有两个途径： 一是增加形核率N；二是降低长大速率G ；,N=0.9(),N,G,3/4,39,3、工业上控制晶粒大小的方法 （1）提高冷却速度细化晶粒： 不同过冷度T对形核率N和成长速率G的影响如图所示。过冷度等于零时，结晶没有发生; 过冷度增大，形核率和长大速率都增大，过冷度增大至一定值时，形核率N和长大速率G达到最大值。之后，随过冷度的增大，N和G反而逐渐减小，因过冷度很大，开始结晶温度非常低，造成液态金属中原子扩散困难.,过冷度的大小取决于冷却速度，冷却速度大则过冷度大。,40,提高金属结晶冷却速度的方法: 降低金属液的浇注温度、采用金属模、水冷模、连续浇注等。 对于大截面的铸锭或铸件，欲获得大的过冷度是不容易实现的，更难以使整个体积范围内均匀冷却以得到较均匀的晶粒度，因此工业生产中常采用变质处理和振动搅拌等方法来细化晶粒。 （2）变质处理:是在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。通常在钢中加入铝、钒等。铝合金中加入钛、锆等，用于一些大型铸件。 （3）采用机械振动、超声振动和电磁搅拌等方法,使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。,41,特点:组织致密、均匀，力学性能好，但一般都很薄，对铸锭的性能影响不大，但若采取强制水冷等措施，扩大增厚表层细晶粒区，对改善提高金属性能有积极意义。,第四节、金属铸锭与焊缝组织 金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的基础坯材，其组织性能对金属型材有很大的影响，铸锭的表层和中心因冷却结晶条件不同,其组织不同。 （1）三个具有不同特征的结晶区（如图示） 1)表层细晶区 液态金屑注入低温铸锭模时，接触金属模壁的液态金属层被激冷，很大的过冷度使形核率很大，同时金属模壁还能促进非自发晶核的产生，因此在铸锭表层形成细晶粒区。,42,2)柱状晶粒区 在表层细晶粒区形成的同时，模壁 温度逐渐升高，使金属液的冷却速度逐渐降低，过冷度减小，形核率降低而长大率变化不大，由于垂直模壁方向散热