金属的晶体结构与结晶.ppt

第三章 金属的晶体 结构与结晶,物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。,C60,第三章 金属的晶体结构与结晶,晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体具有固定的熔点。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,第一节 金属的晶体结构,第一节 金属的晶体结构,在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，并在三维空间中紧密堆积，然后用一些假想的平行直线，将所有质点的中心连接起来，便构成了一个三维的几何格架。这个抽象出来的用于描述原子在晶体中的位置和排列方式的几何格架，称为晶格。晶格中各线的交点称为结点（或阵点）。,晶胞 从晶格中取一个最小的立体单元（最小的平行六面体）称为晶胞。晶格是晶胞在空间的叠加，晶胞是构成晶格的最基本几何单元。 晶胞的选择原则： 能充分反映整个空间点阵的对称性。 晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽可能多的直角。 体积要最小。,晶格常数,在晶胞中取某一点为原点（通常取在左下角后面一结点），建立坐标系，以晶胞的三个棱边作为坐标轴x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三边的长度a，b，c及相互间夹角，六个参数来表示晶胞的大小和形状，其中三棱边的长度a，b，c 称为晶格常数，它们反映了晶胞的大小。,晶向与晶面的概念,晶向：在晶胞中，通过若干原子中心（结点）连接一起的具有不同空间方位的直线晶向 任何两个结点间的连线即构成一个晶向。,晶面：在晶胞中，通过若干原子中心构成的二维平面晶面,二、常见的晶格类型,体心立方 BCC Body-centered cubic 面心立方 FCC Face-centered cubic 密堆六方 CPH Close-packed hexagonal,1、体心立方（BCC）,结构特征：每个角顶上各有 一个原子,体心中有一个原子 a=b=c，=90 每个晶胞中实际含有的原子数为1+81/8=2个 常见金属：-Fe，V，Ta，Nb， Cr，Mo，W等,2、面心立方 （FCC）,特征：每个角顶上各有一个 原子,各个面中心有一个原子。 a=b=c，=90 每个晶胞中实际含有的原子数为81/8+61/2=4个 常见金属：Ag，Au，Ni，Cu Pd，Pt，-Fe等,3、密堆六方,特征：12个顶角各一个原子、上下面中心各一个原子，体内3个原子（位于对称中心处） a=bc, =90， =120 通常： c/a=1.633 每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)12+2(1/2)+3=6个。 常见金属：Mg，Zn，Ti，Zr，等,三、晶格的致密度 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数，即 晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。 金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。,表3-1 三种常见金属晶格的结构特点,第二节 实际金属的结构, 单晶体结构 单晶体：结晶位向完全一致的晶体。即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。如单晶硅，水晶石，金刚石。单晶体在不同的晶面和晶向的的力学性质不同，这种现象称为各向异性。,一、多晶体结构,多晶体： 由众多外观不规则，位向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体结构。 一般实际材料均为多晶体。 晶粒：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，这些小晶体称为晶粒。 晶界：晶粒之间的交界面。晶界上原子排列是不规则的，晶界不一定是平整的。,多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-310-1 mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，叫做显微组织。,同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差也很小的小晶快，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界成为亚晶界。,二、晶体中的缺陷,晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。,晶体缺陷的类型：,1、点缺陷,点缺陷：点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷。,点缺陷的类型 ：,空位 在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。 间隙原子 在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。 置换原子 在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。,置换原子,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,2、线缺陷,线缺陷：线缺陷是指晶体内部一个方向尺寸较大，在另外两个方向上尺寸较小的缺陷，呈线状分布的缺陷，常见的是各种类型的位错（Dislocation）。,位错的形式 ：刃型位错 螺型位错 混合型位错,刃型位错,螺型位错,刃型位错：在晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，刃型位错。 多余原子列位于滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 多余原子列位于滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,3、面缺陷,面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，是指金属的晶界和亚晶界。,面缺陷的形式 ：晶界面 亚晶界面 相界面,一、金属的结晶 结晶：液态金属冷却到熔点温度时，原子由无序状态转变为按一定几何形状作有序排列的过程，称为结晶。 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。结晶可以是液固转变，也可以是固固相变。,第三节 金属的结晶,1、通过热分析法测定冷却曲线 将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的温度时间曲线(又称冷却曲线)，,1、通过热分析法测定冷却曲线,纯金属冷却曲线,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T= T0-Tn,1）、 冷却曲线分析 纯金属结晶时，在冷却曲线上出现水平台阶的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了向外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。 2）、 过冷现象 金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷。 过冷度T= T0Tn，过冷是结晶的必要条件。 同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。,2、纯金属的结晶过程,金属的结晶过程,液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核)，然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。,当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 形核有自发形核和非自发形核两种方式。 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心； 非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。,（1） 形核,形核和核长大方式,晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液固界面向液体中推移的过程。 长大方式：树枝状生长,（2） 晶核长大,（3）影响晶核形成和长大的因素,1）过冷度：从金属的结晶过程可知，一定体积的液态金属中，形成的晶核数目越多，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。随着过冷度的增大，晶核的数目增加，因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。 （但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减少。） 实际生产中，增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度以增加形核数目。如在铸造生产中，金属型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。,2）变质处理：金属结晶时，向液体金属中加入微量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。变质处理使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。 3）振动或搅拌机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,3、晶粒大小对金属力学性能的影响,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、塑性和韧性。 这是因为： 晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小； 晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好 。,强度和晶粒尺寸的关系Hall-Petch公式,纯铁的晶粒度与力学性能的关系,二、金属的同素异构转变,金属在固体下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构转变，又称为重结晶。 由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。 金属的同素异晶转变过程同样遵循形核、长大规律。,正因为纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。,图3-13 纯铁的冷却曲线,三、金属铸锭的组织特点,1-表面细晶区；2-柱状晶区；3-中心等轴晶区,金属的结晶过程 及纯铝铸