《晶体的结构和结晶》PPT课件.ppt

第一节 金属的晶体结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 合金的结晶 第四节 铁碳合金相图,第二章 金属的晶体结构与结晶, 1-1金属的晶体结构,一、晶体的概念 晶体：原子在空间呈长程有序排列的固态物质。 非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。没有固定的熔点，且各向同性。 二、晶体的特征 1、原子在空间呈长程有序排列； 2、是各向异性的； 3、有固定的熔点； 4、有特定的几何外形。,1. 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。,三、晶体中几个基本概念,为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体。 刚性球体原子浓缩成一个点（空间点阵）用假想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）取出一个有代表性的最小几何单元单位晶体（晶胞）。,2.晶胞：晶体中有代表性的最小的几何单元，称为晶胞。,3.晶格常数：晶胞的三个棱边的尺寸 a、b、c。用埃（）表示。 1=10-8cm 各棱间的夹角用、表示。,四、三种典型的晶体结构： 体心立方、面心立方、密排六方。,1.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 2.晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 3.配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 4.致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,体心立方晶格的参数,体心立方晶格,原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,面心立方晶格的参数,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格, 12 实际金属的晶体结构,一、 多晶体结构和亚结构 单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发生改变的晶体。 多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。,实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。 既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各向异性？为什么？,多晶体由许多晶格位向不同的晶粒组成， 其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为各向同性。,二、 晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。, 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位 间隙原子 置换原子,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。 c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。, 线缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷),刃型位错：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刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。,位错密度：单位体积位错线总长度。 = L/V(cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响：以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,强度,面缺陷（一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域）, 晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原子排列紊乱，具有非晶态特征。,晶界的重要特性：,1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬度高细晶强化。 2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。固态下结构的改变首先从晶界开始。,晶界示意图, 亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于2 。,1.几个重要概念：,合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质叫合金。 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。 相：金属或合金中，具有相同化学成分，相同结晶构造，并有明显界面分开的独立组成部分。 组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌。,三、合金的晶体结构,一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能； 与周围的非同相物质之间有确定的界面； 不同的相可予以机械性分离。,相的基本属性,2.合金中的基本相 根据固态下，合金的组元间作用方式不同，合金的相结构（基本相）分为两种，即固溶体和金属间化合物。,1)固溶体 固态下各组元之间互相溶解而形成的均匀的晶态固体称固溶体. 固溶体中保持原来晶体结构的组元叫溶剂，其它溶入且晶格消失的组元称溶质。,固溶体的结构与分类,根据溶质原子在溶剂晶格中的位置分： （1）间隙固溶体 形成间隙固溶体的条件：r质/r剂0.59，过渡族元素Fe、Mn等）为溶剂与尺寸小的非金属元素C、N、B、H形成。 （2）置换固溶体,按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度分 （1）有限固溶体 间隙固溶体一定是有限固溶体。 （2）无限固溶体 在置换固溶体中，当溶质与溶剂原子半径差别较小，在化学元素周期表上的位置靠近，且晶格形式也相同时，可能形成无限固溶体。否则，是有限固溶体。所以无限固溶体一定是置换固溶体，反过来不成立。间隙固溶体一定是有限固溶体，反过来不成立。,固溶体的结构特点与性能特点,固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。 由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫固溶强化是金属材料的强化方法之一。 固溶体本身的强度、硬度低，塑性和韧性好，是材料的基本相。,2） 金属间化合物（中间相） 两组元间相对尺寸差，电负性差等都有一定溶限，当溶质原子的加入量超过此溶限时便会形成一种新相，即中间相。中间相的晶体结构不同于此相中的任一组员。由于中间相具有一定的金属属性，所以亦称为金属间化合物。 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属间化合物, 或称中间相。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，两组元有一定比例，并可用化学式AmBn表示其组成。,金属间化合物的分类 根据形成条件和结构特点不同，金属间化合物可分为： （1）正常价化合物 特征是：严格遵守化合价规律，成分固定，可用化学式表示，不能形成固溶体。（Mg2Si),金属间化合物特点： 熔点、硬度高、脆性大。适用于第二相质点强化或 弥散强化。,（2）电子化合物（电子浓度起主要作用） 电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。 特征是：虽然可用化学式表示，但成分不固定，即在电子化合物的基础上可以溶解一定量的组元，形成以该化合物为基的固溶体。,价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。,虽然它们可以用分子式表示，但大多数不符合化学价规律，而是按电子含量规律来进行化合的，只要电子含量达到某一范围，就会形成具有一定结构的相，所以它们的形成是以电子含量起主导作用的。电子含量不同，形成的化合物的晶格结构就不同。,电子浓度：价电子数目与原子数目之比值。,与间隙固溶体相似，由过渡族金属同原子半径很小的非金属元素形成的化合物。 无论溶质原子是以间隙方式还是以置换方式进入晶格，总会对溶剂晶格造成一定程度的畸变。溶质与溶剂原子的尺寸差别越大，晶格畸变越大，畸变能越大，增大到一定容限时，原来的结构便不稳定，会重新组合形成新的相。 根据结构特征有分为两类： 1）间隙相 r非/r金 0.59，具有复杂的晶体结构，如Fe3C。,3、间隙化合物（原子尺寸因素起主要作用）,a. 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间隙化合物。 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。,b. 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。 如Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 间隙相与间隙固溶体的区别？,钢中常见间隙化合物的硬度及熔点,（三）金属化合物的结构特点与性能特点,1、金属化合物的晶格类型与组成它的任何组元都不相同，是单相。 2、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。 3、金属化合物是强化相。,工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。,机械混合物 单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物不是一种单一相,与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。, 1-3 纯金属的结晶,一、几个概念 1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。,2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。,理论结晶温度T0与开 始结晶温度Tn之差叫做 过冷度（undercooling)，用T表示。 T= T0Tn,液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。,结晶的条件,1. 必需要有过冷度。 过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为236 C。 2. 与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。 3. 与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低， 过冷度大。,冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。,二、结晶过程 液态金属结晶是在结晶温度平台由形核和晶核长大两个密切联系的基本过程来实现的。,二、结晶过程,晶核的形成与长大。 晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。,晶核的形成 1）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。 2）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。,实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,晶核的长大方式,树枝状结晶,三、金属结晶后晶粒的大小 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用单位体积内或单位 面积上晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶 粒度。 标准晶粒度级别共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍 显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 常温下，金属晶粒越细小， 晶界面积越大，它的强度、 硬度越高；对外应力的分散使 塑性和韧性提高，即细晶强化。,晶粒的大小取决于晶核的形核率和长大速度。（P13） 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长大的因素， 都能细化晶粒 提高过冷度 过冷度 T， N（形核速率）， G（长大速率）， N/G增大， 晶粒越细小。,过冷度对N、G的影响,四、铸态下细化晶粒的方法,Al-Si合金组织,变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。,铸铁变质处理前后的组织(变质剂为硅铁或硅钙合金),电磁搅拌细化晶粒示意图,振动，搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,五、铸锭的宏观组织,1、表层细晶区 当金属液浇入锭模后，表层金属受到模壁的急冷作用，形成大量晶核，再加上模壁及杂质的异质形核，形成了表层的细晶区。