绪论,第一章金属的结构与结晶.ppt

1 绪论本课程主要学习内容 使用条件 性能 组织 结构 化学成分 加工工艺 2 0 1金属材料的性能一 金属材料的使用性能使用性能 金属材料在使用时抵抗外界作用的能力 1 力学性能 如强度 硬度 塑性 韧性等 2 化学性能 如抗腐蚀 抗氧化等 3 物理性能 如电磁性能等 3 二 金属材料的工艺性能工艺性能 金属材料适应实际生产工艺要求的能力 主要包括 铸造性 锻造性 深冲性 冷弯性 切削性 淬透性 焊接性等 如440MPa的15MnVN钢的焊接性 九江长江大桥 跨度216米 始建于1973年12月 1992年公路桥建成通车 4 0 2影响金属材料性能的因素一 化学成分组成金属材料的各种元素的种类及其浓度 一般用重量百分数 成分抗拉强度 MPa 延伸率 铝20 8032 40铜200 24045 50纯铁250 33025 55 5 二 加工工艺铸造 锻造 轧制 特别是热处理工艺 能够改变其组织和结构 使性能发生很大的变化 三 组织组织 用肉眼 或借助于各种不同放大倍数的放大镜和显微镜所观察到的金属材料内部的情景 6 1 宏观组织 用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的组织 主要反映金属内部的各种缺陷 2 电镜组织 用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜所观察到的组织 主要反映金属内部的精细组织 7 3 显微组织 用100 2000倍的显微镜所观察到的组织 反映了晶粒的种类 形状 大小以及各种晶粒的相对数量和相对分布 通常所说的组织就是指显微组织 8 9 10 11 12 13 14 15 16 第一章金属的结构与结晶 17 1 1金属的晶体结构一 晶体的概念1 晶体 原子 离子 呈规则排列的物质 2 晶体结构 结构 构成晶体的原子在三维空间的具体的排列方式 3 晶格 表示晶体中原子排列形式的空间格子 建立 原子简化成点 用假想线连接点 18 19 4 晶胞 组成晶格的最基本的几何单元 用晶胞来表示晶体结构 晶胞在空间的重复堆垛就组成了晶格 晶格常数 晶胞的棱边长度 用a b c表示 轴间夹角 晶胞的棱间夹角 用 表示 20 21 5 空间点阵 点阵 表示晶体中原子排列规律的空间格架 空间点阵一共只有14种 6 简单晶格 空间点阵的一个阵点代表一个原子 复杂晶格 空间点阵的一个阵点代表一个原子团 22 23 二 三种常见的金属晶格金属键 金属原子失去价电子成为正离子 由高速运动的自由电子与金属正离子的引力使金属结合晶体 由于金属键的特点 金属晶体大多具有高对称性的紧密排列的趋势 90 以上的金属属于下列三种密排的晶格 24 25 一 体心立方晶格 bcc 1 晶胞特点 8个原子组成一个立方体 立方体的体中心有一个原子 在体对角线上原子相互接触 2 晶格常数 a a b c 2 26 27 28 3 原子半径 4 晶胞的原子数 2个 5 致密度 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比 为0 68 29 30 31 6 八面体晶格间隙 间隙的中心位于立方体的面心 为不对称的扁八面体 Fe R 1 24A 上下间隙尺寸 0 38A水平面间隙尺寸 1 57A 碳的原子尺寸为1 54A 进入间隙时 上下原子要做较大的膨胀 7 常用金属 Fe Cr Mo W V 32 33 二 面心立方晶格 fcc 1 晶胞特点 8个原子组成一个立方体 立方体的每一面的中心有一个原子 在面对角线上原子相互接触 2 晶格常数 a a b c 2 34 35 36 3 原子半径 4 晶胞的原子数 4个 5 致密度 0 74 37 38 39 6 八面体晶格间隙 间隙的中心位于立方体的体心 Fe 间隙尺寸 1 05A 碳的原子尺寸 1 54A 间隙周围原子位置稍微改变可容纳碳原子 7 常用金属 Fe Ni Al Cu Pb 40 41 三 密排六方晶格 hcp 1 晶胞特点 12个原子组成一个简单六方体 上下两个六方面的中心各有一个原子 而且在两个六方面之间还有三个原子 2 晶格常数 a 六方面的边长 c 上下六方面的间距 42 3 原子半径 r a 2 4 晶胞的原子数 6个 5 致密度 0 74 理想hcp上下面和中心原子相接触 a c 1 633 6 常用金属 Mg Zn Be 43 44 三 晶面及晶向晶面 晶体中由原子组成的平面 晶向 晶体中由原子排列成的方向 45 一 晶面指数1 建立坐标系 以待定晶面之外某一个原子为原点 以晶胞的三个棱边为三个坐标轴 以晶格常数作为相应坐标轴的度量单位 2 求出该界面在三个坐标轴上的截距 3 将三个截距之值变为倒数 46 4 将这三个倒数按比例化为最小整数 并加上一圆括号 5 倒数出现负值时 晶面指数中的这一数字之上冠以负号 6 晶面指数表示一组相互平行的晶面 47 ABC晶面 111 AED晶面 122 48 二 晶向指数1 建立坐标系 以某一个原子为原点 通过该点平行于晶胞的三个棱边为三个坐标轴 以晶格常数作为相应坐标轴的度量单位 2 定出该晶向上任两点的坐标 用末点坐标减去始点坐标 49 3 将相减的结果按比例化为最小整数 并加上一方括号 4 结果中出现负值时 晶向指数中的这一数字之上冠以负号 5 晶向指数表示一组相互平行 方向一致的晶向 50 51 三 晶面及晶向的原子密度体心立方晶格中 原子密度最大的晶面是 110 晶向是 111 面心立方晶格中 原子密度最大的晶面是 111 晶向是 110 52 53 四 晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同 因而晶体在不同方向上的性能有所差异 如冷轧硅钢片 当易于磁化的 100 晶向平行于轧制方向时 得到优异的磁导率 54 1 2金属的实际结构和缺陷一 多晶体结构1 单晶体 内部的晶格位向完全一致的晶体 2 晶粒 晶体中存在的内部晶格位向完全一致 而相互之间位向不相同的小晶体 55 3 多晶体 由多个晶粒组成的晶体 实际使用的金属材料均为多晶体 4 伪各向同性 由于多晶体中各个晶粒的位向不同 所以不表示出单晶体的各向异性 56 57 5 晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面 6 亚晶 每个晶粒内部在晶格位向彼此差别小于2 的小区域 由于尺寸很小 需要在电子显微镜下才能观察到 7 亚晶界 亚晶和亚晶之间的界面 58 59 二 晶格缺陷晶格缺陷 晶体结构中原子排列在局部区域的某些不规则现象 根据晶格缺陷在空间的几何特征 可分为三大类 60 1 点缺陷 缺陷在三个方向的尺寸都很小 不超过几个原子间距 1 空位 晶格结点上的原子由于热振动脱离了结点位置 在原来的位置上形成的空结点 2 间隙原子 位于晶格间隙中的原子 3 置换原子 占据在基体晶格结点位置上的另一种元素的原子 61 62 2 线缺陷 缺陷在两个方向的尺寸很小 而第三个方向上的尺寸很大 刃型位错 晶体的右上部分相对于右下部分发生局部滑移 相当于晶格的上半部分插入了一个半原子面 该多余半原子面的边缘产生的位错线 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道 63 64 65 66 3 面缺陷 缺陷在一个方向的尺寸很小 而其余二个方向上的尺寸很大 可分为晶界 亚晶界和相界三类 67 68 4 晶界特性 1 晶界有界面能 晶粒越细晶界越多 能量越高 越不稳定 晶粒有自发长大的趋势 晶界容易被腐蚀 新相的晶核往往优先在晶界上形成 69 70 2 晶界内吸附 由于晶界处原子排列比较混乱 杂质原子向晶界处偏聚 3 细晶强化 由于晶界对材料的塑性变形起阻碍作用 所以晶粒越细 界面积越大 材料的强度越高 71 72 73 1 3金属的结晶与铸锭一 结晶的基本过程 一 结晶的宏观现象 74 1 过冷现象 金属的实际结晶温度低于理论结晶温度 熔点 2 过冷度 金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差 T Tm Tn 03 同一成分的金属 冷却速度愈大 则过冷度也愈大 4 临界过冷度 Tk 过冷度有一最小值 若过冷度小于这个值 结晶过程就不能进行 75 二 结晶过程的微观现象1 形核 在液体中形成一些微小的作为结晶核心的固体 晶核 2 结晶就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程 76 77 二 结晶时晶核的形成和成长过程 一 晶核形成时能量的变化1 结晶过程的动力当 T 0时 此时 G 0 液体中形成晶核时 这个区域中原子由液相转变为固相 使体积自由能降低 结晶才有可能自发进行 78 79 2 结晶过程的阻力当液体中出现晶核时 由于新增加了液 固界面 因而增加了表面自由能 阻碍了结晶的进行 3 晶核形成时能量的变化形成晶核时 总的自由能变化为体积自由能的减少和表面自由能的增加 设晶核为球状 半径为r 则自由能变化为 80 81 82 rk 临界晶核半径 半径为rK的晶核叫做临界晶核 1 当rrk时 随看r的增大 系统 G减小 可自动长大 83 二 晶核的形成1 结构起伏 液态金属中存在许多类似晶体中原子排列的原子集团 其特点是尺寸较小 大小不一 而且极不稳定 时散时聚 称为结构起伏 2 晶胚 当液态金属的温度低于熔点时 由于固态的体积自由能比液态低 结构起伏就有可能成为结晶的核心 称为晶胚 84 当晶胚尺寸 临界晶核尺寸时 晶坯不能稳定长大 不能成为晶核 当晶坯尺寸 临界晶核尺寸时 晶坯能稳定长大 就成为成为晶核 晶坯尺寸随过冷度的增大 液体温度的降低 而增大 85 3 临界晶核半径对式 2 微分 并令其等于0 则有 即临界晶核半径随过冷度的增大而减小 86 87 4 临界过冷度最大晶坯尺寸随过冷度的增大而增大 1 当 T Tk时 rmax rk 不能转变为晶核 2 当 T Tk时 rmax rk 液态金属中有一定数量晶胚的尺寸 rk 可以稳定长大 成为晶核 使液态金属发生结晶 5 晶核 尺寸等于或者大于临界半径的晶胚能自动长大 称为晶核 88 三 晶体的长大形态大多数金属结晶时 固相表面出现某些偶然凸起的部分 它们伸入到过冷度更大的液体中 其生长速度会加快而进一步伸向液体中生长 同时在其侧面产生分枝 形成树枝状组织 也称枝晶成长 89 90 91 92 三 过冷度对晶核形成和长大的影响形核率 N 单位时间 单位体积的液体中生成的晶核数量 成长率 G 单位时间晶核长大的尺寸 93 一 过冷度的影响1 过冷度为零时 晶核的形核率和成长率均为零 2 随过冷度增大 形核率和成长率都增大 并在一定的过冷度时达到最大值 3 此后过冷度进一步增大 形核率和长大率又逐渐减小 94 95 二 影响原因1 晶体和液体的自由能之差 F 是形核和长大的动力 随过冷度增大而增大 2 液体中原子的迁移能力 D 是形核和成长的必要条件 随过冷度增大而减小 96 3 过冷度较小时 虽然原子的迁移能力较大 但自由能之差较小 所以形核率和成长率较小 4 过冷度较大时 虽然自由能之差较大 但原子迁移能力较小 所以形核率和成长率也较小 5 只有在过冷度中等时 形核率和成长率才能够达到最大值 97 四 细化晶粒的措施 一 增加结晶时的冷却速度1 结晶的冷却速度愈大 则过冷度愈大 2 在一般工业生产条件下 金属结晶的冷却速度不可能太大 所以 过冷度增大使形核率及成长率增加 3 由于形核率的增加大于成长率的增加 晶粒随过冷度的增加而细化 98 99 二 变质处理1 变质处理 金属结晶时在液态金属中加入某种难熔杂质 变质剂 来细化金属的晶粒 以达到改善其机械性能的目的 2 原理 液态金属中有未熔杂质存在时 在这些固体质点表面形成晶核可以降低形核阻力 大大提高了形核率 三 金属结晶时 采用机械方法 电磁波或超声波搅拌等进行振动或搅动 使部分枝晶断裂 提高形核率 100 101 五 金属铸锭的组织 一 金属铸锭的组织铸锭剖面组织由三种不同外形的晶粒组成 1 表面细晶粒层 1 模壁温度低 表层金属冷却速度大 过冷度大 形核率高 2 模壁表面可起到变质剂的作用 促进形核 102 2 柱状晶粒层 1 随着细晶区的形成 模壁温度升高 过冷度减小 不易形成新的晶核 而巳形成的细晶区中某些晶粒可以长大 2 散热的方向性 垂直于模壁方向散热最快 晶体沿其相反方向择优生长成柱状晶 103 104 3 中心等轴晶粒区 1 中心液体温度巳全