金属的结构与结晶.ppt

第二节 金属的结构与结晶,一、晶体与晶格,晶体与晶格的概念 固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换。,晶体 的概念就是原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列；大多数的金属是晶体。 非晶体 则是无规则的堆积在一起。非晶体则如松香、玻璃、沥青。,晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列； 非晶体内部质点是散乱排列的。,金属中的原子堆垛：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的 。,晶格：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格 晶胞：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。 由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。,金属晶格晶胞 原子,2. 晶格类型,体心立方晶格： 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。 具有体心立方晶格的金属有：-Fe（温度低于912的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、-Ti（温度在8831668的钛）等。,体心立方晶格,面心立方晶格：,面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。 属于面心立方的金属有：-Fe（温度在9121394的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等。,面心立方晶格,密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、锌（Zn）、-Ti（温度低于883的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。,密排六方晶格：,密排六方晶格：,密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、锌（Zn）、-Ti（温度低于883的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。,晶胞中的原子数,原子排列 晶胞,密排立方晶格,密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、锌（Zn）、-Ti（温度低于883的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。,金属的晶体结构,面心立方晶格,体心立方晶格,密排六方晶格,渗碳体晶格,晶格致密度,从原子堆垛可看出，上述三种晶格中原子排列的紧密程度不一样，面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，经计算，晶格中有74%的空间被原子所占据，即这两种晶格的致密度均为0.74，其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原煤子排列较松散，其致密度为0.68。,3.晶面与晶向,晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。 晶向指数：表示晶向方位符号。,晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。 晶面指数：表示晶面方位的符号。,各向异性,在一个单晶体中，由于各晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力也不同，。因此，在各方向上的物理、化学和力学性能也不同，这一现象被称为各向异性。,二、晶体结构与晶体缺陷,1. 多晶体结构,单晶体： 我们把晶体内部的晶格向位完全一致的 晶体叫做单晶体。,单晶体 也叫 晶粒,晶粒 之间的交界即为 晶界,2. 晶体缺陷,理想晶体：原子完全按一定的次序规则排 列的晶体。,晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。 按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。,这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响。 如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。,点缺陷 空位和间隙原子,晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。,线缺陷 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，称为位错。,在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。,螺型位错,刃型位错,面缺陷晶界和亚晶界,面缺陷包括晶界和亚晶界。 晶界是晶粒与晶粒之间的界面。另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。,晶界示意图,实验证明：,晶界和亚晶界越多、位错密度越大，金属的强度越高。 在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。,三、金属的结晶与铸锭组织,1. 纯金属的结晶过程,结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。,晶核形成：自发形核与非自发形核 晶核长大： 金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。,结晶过程,经历了形核长大形核长大. 的过程,液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了 。,2. 冷却曲线与过冷度,冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。 曲线分析：随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降。,理论结晶温度：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用T0表示。 实际结晶温度：实际生产中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用Tn表示。 过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即TnTO，这种现象称为过冷现象。 与过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度，用T表示。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度也越大。 T= T0-Tn,3. 影响晶粒大小的因素,纯金属结晶终了就得到由许多个外形不规则的晶粒所组成的多晶体。一般金属结晶后多获得这种多晶体的结构。如果控制结晶过程，使结晶后获得只有一个晶粒的金属，称为单晶体。,（1）过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 （2）未熔杂质 在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 （3）振动 在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。,4. 铸锭组织,实际受各种因素的影响，铸造金属的组织是多种多样的。,表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，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。,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，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，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。,中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，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。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。,力学性能 表层硬 柱状区有方向形 中心疏松、多杂质,铸锭中的组织缺陷,缩孔：大多材料凝固后体积收缩，留下的空腔就形成缩孔，缩孔是不可避免的，减少危害措施可后加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。 疏松：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留下得缺陷。中部比边缘多，尺寸大得铸件比小尺寸铸件严重。型材的轧制可减小或消除其不利的影响。 气孔：液体中的气体在凝固中未排出在凝固体内形成的缺陷。气体的来源析出型(气体在液、固中的溶解度不同)和反应型(凝固过程中发生的化学反应生成)。 夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。 成分偏析：在多组元材料中，不同位置材料的成分不均匀叫做偏析。按其区域分为宏观偏析(不同区域的成分不同