金属的结构与结晶.doc

第一章 金属的结构与结晶教学目的：掌握三种典型金属晶格的特性和金属的结晶规律，了解金属的实际结构与晶格缺陷本章重点：1、三种典型金属晶格及其特性 2、金属的结晶规律本章难点: 三种典型金属晶格及其特性参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，20052、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，20013、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997专业词汇：crystal, crystal structure, crystal boundary, crystal grain, crystal cell, crystal nucleus, crystal system, crystal plane, crystal direction, indices of crystal plane, crystal growth, crystal defect, indices of crystallographic direction, polycrystal, isotropy, anisotropy, efficiency of space filling, space lattice, dislocation, interstitial atom, metallic bond, equilibrium crystallization, nucleation rate, hexagonal close-packed structure, face-centered cubic structure, body-centered cubic structure 为什么要研究结构？因为物质的结构决定物质的性能，如碳元素：金刚石、石墨、碳纤维、炭黑等等，包括热处理性能。第一节 金属的晶体结构一、 金属键1、 金属键的概念金属或合金的每一个原子都贡献出它们的价电子，形成由整个固体金属所共有的“电子云”，这种键合类型就是金属键。2、 金属键的特点原子排列紧密，决定了金属具有强度高，塑性好，良好的导电性、导热性。二、 晶体的概念1、 晶体：原子（离子、分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列所构成的物体。即：长程有序（短程有序-非晶态；无序-纳米）物质为什么具有晶体结构？因为各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。2、 晶格：为了便于研究晶体中原子（离子）的排列情况，将构成晶体的原子（离子）抽象成纯粹的几何点结点或阵点，并用平行的直线把这些结点连接起来，构成一个三维的几何格子，称为晶格（点阵）。3、 晶胞：从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征，这种最基本的几何单元称为晶胞（代表原子排列特征的最基本几何单元）。4、 布拉菲晶格（点阵）每个晶胞有六个晶格常数（a,b,c;,），法国晶体学家A.Bravais曾用数学法证明六个晶格常数的变化只能形成7类型晶系14种晶格，称为布拉菲晶格。 a=b=c, =900 立方晶系 a=bc, =900 正方晶系 abc，=900 正交晶系 a=b=c, =900 菱方晶系 a=bc, =900，=1200 六方晶系 a=bc, =900 单斜晶系 abc，900 三斜晶系三、 三种常见的金属晶格金属元素中，百分之九十以上的金属晶体属于下列三种晶格形式：1、 体心立方晶格晶格常数：a=b=c, =900晶胞中原子位于正方体的八个顶角和立方体中心，由于每个顶角上的原子同时属于周围八个晶胞共有，所以体心立方晶胞中含有的原子数为2在立方体对角线上，三个原子球相切，故：原子半径r=a/4属于这种晶格的金属有：-Fe, Cr, W, Mo ,V, Nb 等。2、 面心立方晶格晶格常数：a=b=c, =900晶胞中原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心，晶胞原子数：1/8*8+1/2*6=4原子半径r=a/4属于这种晶格的金属有：-Fe, Al, Cu, Ag, Au, Pb 等。3、 密排六方晶格晶格常数：a=bc, =900，=1200；a-六方柱体底边长，c-上下底面的距离当c/a= 1.633时，为理想密排六方晶格晶胞中，原子位于六方柱体的十二个顶角，上下底面中心，六方柱体中还有三个原子，晶胞原子数：1/6*12+1/2*2+3=6原子半径r= a/2属于这种晶格的金属有：Mg, Zn, Cd（镉）,Be等四、 三种典型晶格的致密度及晶面、晶向分析1、 晶格致密度晶格的致密度是指晶胞中，原子球所占的体积与晶胞体积之比值：V原子/V晶胞体心立方晶格的致密度：0.68，即晶格中有32%的空隙面心立方晶格的致密度：0.74，即晶格中有26%的空隙密排六方晶格的致密度：0.74，即晶格中有26%的空隙简单立方晶格的致密度：0.52，即晶格中有48%的空隙一般而言，晶格致密度大，空隙少，晶格溶解其他原子的能力就小，但体心立方晶格中虽然空隙所占体积较大，但它的空隙分散，单个空隙的尺寸小；而面心立方晶格虽然空隙体积小，但空隙集中，空隙尺寸大，因此对于同一溶质，在面心立方晶格中的溶解度往往大于在体心立方晶格中的溶解度，如：C在-Fe中的溶解度远大于在-Fe中的溶解度。2、 晶格的配位数所谓晶格的配位数是指晶格中任一原子周围所紧邻的且等距离的原子数。显然配位数越大，晶格中的原子排列越紧密。体心立方晶格的配位数：8面心立方晶格的配位数：12密排六方晶格的配位数：123、 晶面及晶向指数（密勒指数）晶面：若干原子连成的平面。晶向：各种方向上的原子列。研究晶体结构常需分析不同晶面、晶向的原子分布特点，故需定义晶面、晶向密勒指数晶面指数的定义：a、在晶格中设置坐标轴X、Y、Z，坐标原点应位于待定指数的晶面之外。b、求出待定晶面在各个坐标轴上的截距，并用晶轴的单位长度（晶胞的晶格常数）作为截距的单位，2-2,3b-3,1c-1c、取截距得倒数，然后化为最小的简单整数，加上小括号，即得晶面指数。若晶面与晶轴相截于负方向，则将负号标于该数的上方。晶向指数的定义：，a、以晶胞的晶轴为坐标轴，以晶胞的边长为坐标轴的长度单位b、使待定晶向的直线通过坐标原点或通过原点作一直线平行于待定晶向c、在通过原点的直线上选出距原点最近的一个结点，确定该结点的坐标值d、将三个坐标值化为互质整数，再加上方括号，即为该待定晶向的晶向指数。如果其中某一数值为负，则将负号标注在该数值上方。4、晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度是指晶面上单位面积的原子数。晶向的原子密度是指晶向上单位长度的原子数。体心立方晶格：100晶面 1/a2 晶向 1/a110晶面 1.4/a2 晶向 0.7/a111晶面 0.58/a2 晶向 1.16/a所以体心立方晶格的最大原子密度晶面是：110晶面最大原子密度晶向是：晶向同样对于面心立方晶格，最大原子密度晶面是：111晶面最大原子密度晶向是：晶向5、 晶体的各向异性由于晶体中不同晶面、晶向上的院子密度不同，故晶体在不同方向上的性能也不同，呈现各向异性，这是晶体区别于非晶体的重要标志之一。如：体心立方的铁晶体，在晶向上E=290000MN/m2在晶向上E=1350000MN/m2第二节 金属的实际结构和晶体缺陷1、 多晶体结构 单晶体：晶体内部晶格方位完全一致 多晶体：晶体内部包含很多小晶体，每个小晶体内部晶格方位完全一致， 而各个小晶体之间彼此的晶格方位都不相同。 晶粒：组成金属晶体的小晶体，因其外型呈不规格的颗粒状故称晶粒。 晶界：晶粒之间的界面。 晶界的特性：a.晶界处能量高，杂质多。 b.晶界易被腐蚀。 c.晶界熔点比晶内低。 d.相变首先在晶界处发生。 e.晶界阻碍位错的运动，因此晶界不易发生塑性变形。 亚晶：每个晶粒内部，存在晶格位向有微小差异的小区域，位向差很小10-20，最多1-2，这些小区域称为亚晶。2、 晶体缺陷点缺陷（零维缺陷） 晶格空位：晶格中的原子脱离晶格结点，形成空位。 间隙原子：从晶格结点上脱离的原子转移到晶格间隙。 间隙原子。 晶格中晶格空位，间隙原子的存在，会改变其周围原子的平衡，造成晶格 畸变。线缺陷（一维缺陷） 位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。位错包括刃型位错，螺型位错及混合位错。位错线周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围的晶格发生了畸变。面缺陷（二维缺陷） 晶界，亚晶界第三节 金属的结晶与铸锭一、结晶的概念金属由液体凝固为晶体的过程，称为结晶。1、 热分析法 将纯金属放入加热炉内的坩埚中加热使之熔化，然后缓慢冷却，用记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，得到冷却曲线，从而可测得金属的实际结晶温度的方法，称为热分析法。2、 过冷度金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。T=Tm-Tn3、 金属结晶的热力学条件由于液体与晶体的结构不同，其在同一温度下的自由能是不同的，液相与固相的自由能曲线的交点对应的温度即是理论结晶温度。当温度低于理论结晶温度时，由于液相的自由能高于固相，液相就会向固相转变，即发生结晶，结晶的推动力就是液相与固相的自由能差F, F越大结晶越容易。而过冷度T越大，F越大。 自由能F F T 温度T T Tm二、 金属的结晶规律 金属的结晶规律与非金属的结晶规律一样，都是分两个步骤：晶核的形成 晶核的成长金属从液态冷却过程中，首先产生不稳定的原子排列小集团（晶胚），随着温度的降低，形成稳定的晶核，晶核形成的初期，原子排列规则，但随着晶核的成长，由于棱角处的散热条件优于其它部位，因而便得到优先成长，即呈“枝晶成长”，首先长出枝干，再长出分枝，最后把晶间填满。过冷度越大，枝晶成长的特点越明显。金属实际结晶过程中，结晶开始时，晶核数量少，结晶很慢；随着温度的降低，晶核大量形成并成长，结晶速度加快。当晶体长大并相互抵触时，结晶速度又变慢。正是由于结晶过程中各晶体的成长相互抵触、相互限制，所以最后形成的晶粒具有不规则的外形，并产生各种缺陷。三、 影响金属结晶的因素1、 过冷度的影响不同过冷度T对晶核形成率N(晶核形成数目/smm3)和晶核成长率G(mm/s)的影响为抛物线形，当过冷度较低时，晶核的形成率和成长率均很小，随着过冷度的增大，二者都增大，并在一定的过冷度时达到最大值；当过冷度进一步增大，二者又逐渐减小，直至过冷度很大时，又先后趋于零。 过冷度对晶核形成率和成长率的上述影响，主要是因为在结晶过程中有两个相反因素在同时起作用： 过冷度越大，液相与固相的自由能差F越大，结晶的推动力越大。 过冷度越大，液体中原子的迁移能力或扩散能力越小，晶核的形成和成长越难。当过冷度很大时，金属不再通过结晶方式凝固，而是形成了非晶态的金属激冷凝固工艺。如：金属镍 Tm=1725K, Tg=425K, 临界冷速Vc=31010K/s 通过激冷凝固工艺目前已经能够生产宽100mm,长350m，厚10m-150m2m的非晶态金属薄板。如图： T,K Tm b a Tg a b Vc S2、 未熔杂质的影响金属中的高熔点杂质，呈固态质点悬浮在金属液体中，这些未熔杂质在金属结晶过程中能够起到天然晶核的作用，可显著提高晶核的形成率，使金属晶粒细化，且这种作用远大于通过提高过冷度产生的影响。工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。第三节 金属铸锭的组织1、 表层细晶粒层液体金属刚浇入锭模后，由于模壁温度较低，表层金属剧烈冷却，过冷度大，且模壁的人工晶核作用，故铸锭表层形成细晶粒层。2、 柱状晶粒层表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形