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机械工程材料应用基础冯晓梅 第一章金属的晶体结构与结晶 1 1金属的晶体结构 a 晶体 材料的原子 离子 分子 在三维空间呈规则 周期性排列 b 非晶体 材料的原子 离子 分子 无规则堆积 和液体相似 亦称为 过冷液体 或 无定形体 区别 a 是否具有周期性 对称性 b 是否长程有序 c 是否有确定的熔点 d 是否各向异性 一 晶体基础 Na Cl NaCl晶体结构示意图 Cl 双钙钛矿型A2BB O6氧化物的晶体结构 晶体结构的描述 晶体结构描述了晶体中原子 离子 分子 的排列方式 理想晶体的晶体学抽象 空间规则排列的原子 刚球模型 晶格 刚球抽象为晶格结点 构成空间格架 晶胞 具有周期性最小组成单元 晶胞的描述 晶体学参数 a b c 晶格常数 a b c七个晶系 二 三种典型的金属晶体晶胞 体心立方晶胞bcc 面心立方晶胞fcc 密排六方晶胞hcp 属于此类结构的金属有 碱金属 难熔金属 V Nb Ta Cr Mo W a Fe Ti等 属于此类结构的金属的有 Al 贵重金属Au Ag Pt Fe Ni Pb Cu Co以及奥氏体不锈钢等 属于此类结构的金属有 a Be a Ti a Zr a Hf a Co Mg Zn等 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半 晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目 三 典型晶格的致密度和配位数 一 配位数是指在晶体结构中 与任一原子最近邻且等距离的原子数 二 致密度 K 是指晶胞中原子所占体积分数 即K nv V 式中 n为晶胞所含原子数 v 为单个原子体积 V为晶胞体积 1 体心立方晶胞BCC Body CenteredCube 68 8 2 3 1 2a 4 a b c a b g 90o BCC 致密度 配位数 晶胞原子数 原子半径 晶体学参数 晶胞 2 面心立方晶胞FCCFace CenteredCube 74 12 4 21 2a 4 a b c a b g 90o FCC 致密度 配位数 晶胞原子数 原子半径 晶体学参数 晶胞 3 密排六方晶胞HCPHexagonalClose Packed 74 12 6 a 2 a b c c a 1 633 a b 90o g 120o HCP 致密度 配位数 晶胞原子数 原子半径 晶体学参数 晶胞 四 立方晶系的晶面 晶向及晶体的各向异性在晶体中 由一系列原子所组成的平面称为晶面 任意两个原子之间的连线称为原子列 其所指方向称为晶向 表示晶面的符号称为晶面指数 表示晶向的符号称为晶向指数 一 晶面指数的确定方法1 选坐标以晶格中某一原子为原点 注意不要把原点放在所求的晶面上 以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴 2 求截距以相应的晶格常数为单位 求出待定晶面在三个坐标轴的截距 3 取倒数求三个截距值的倒数 4 化整数将所得数值化为最简单的整数 并用圆括号括起 即为晶面指数 如图所示 其形式为 hkl 二 晶向指数的确定方法1 设坐标以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系 通过原点作平行于所求晶向的直线 2 求坐标值以相应的晶格常数为单位 求出直线上任意一点的三个坐标值 3 化整数将所求坐标值化为最简整数 并用方括号括起 即为所求的晶向指数 例如 101 具体晶向指数如图所示 其形式为 uvw 注意 1 每一个晶面指数 或晶向指数 泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面 或晶向 2 立方晶系中 当晶向平行晶面时须满足hu kv lw 0 当晶向与晶面相互垂直时 晶向指数与晶面指数完全相同 即h uk vl w 3 原子排列情况相同但空间位向不同的晶面 或晶向 统称为一个晶面 或晶向 族 用 hkl 或 uvw 表示 三 晶体的各向异性晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面 不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的 下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面 晶向上的原子排列方式和紧密程度 体心立方晶格中 原子密度最大的晶面族为 110 称密排面 原子密度最大的晶向族是 111 称密排方向 面心立方晶格中 密排面为 111 密排方向为 110 1 2实际金属的晶体结构 一 多晶体结构和亚结构实际晶体 单晶体和多晶体单晶体 内部晶格位向完全一致 各向异性多晶体 由许多位向各不相同的单晶体块 晶粒 组成 晶粒之间由晶界隔开 各向同性 晶粒内部存在晶格位向有微小差别的亚结构 二 实际金属晶体缺陷理想晶体 晶体缺陷 偏离晶体完整性的微观区域 实际晶体 一 点缺陷 晶格结点处或间隙处 产生偏离理想晶体的变化 空位 晶格结点处无原子置换原子 晶格结点处为其它原子占据间隙原子 原子占据晶格间隙 间隙原子 置换原子示意图 晶格畸变 空位引起的晶格畸变 置换原子引起的晶格畸变 二 线缺陷 位错 二维尺度很小 另一维尺度很大的原子错排 刃型位错 螺型位错 三 面缺陷 一维尺度很小 而二维尺度较大的原子错排区域 区域 晶界 亚晶界 相界和表面等 四 缺陷与性能的关系对强度的影响 强度随缺陷的增加而增加对抗腐蚀性能的影响 降低抗腐蚀性能影响许多过程 包括变形与断裂 扩散 结晶 固态相变等 一 结晶基础金属从液态转变为固态 晶态 的过程称为结晶 液体金属在结晶时的温度 时间曲线称为冷却曲线 理论结晶温度T0 熔点或平衡结晶温度 与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度 用 T表示 T T0 T1 1 3纯金属的结晶与铸锭组织 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的 在恒温 恒压的条件下 单位体积的液体与固体的自由能之差为 Gv Lm T Tm 式中 负号表示由液态转变为固态自由能降低 Lm为熔化潜热 体系中各种能量的总和叫做内能 其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能 0 结论 结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度 可见 过冷度越大 结晶的驱动力也就越大 过冷度等于0 Gv也等于0 没有驱动力结晶不能进行 过冷度用来克服界面能 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 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 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团 它们时聚时散 称为晶坯 在T0以下 经一段时间后 即孕育期 一些大尺寸的晶坯将会长大 称为晶核 晶核形成后便向各方向生长 同时 又有新的晶核产生 晶核不断形成 不断长大 直到液体完全消失 每个晶核最终长成一个晶粒 两晶粒接触后形成晶界 晶体的长大1 平面长大 在冷却速度较小的情况下 纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大 当界面上偶有突出长大部分伸入到T较高的L中时 它的长大速度会 甚至会停止 而周围晶体会很快赶上来 突出部分消失 恢复到平面状态 正温度梯度 2 树枝状长大 当冷却速度较大 特别是存在有杂质时 晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度 形成负温度梯度 这时金属晶体往往以树枝状的形状长大 在长大中如有突出部分 必然伸到T较低的L中而继续长大 且晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会生长出新的枝晶 产生二次轴 导致枝晶方式长大 直到树枝间最后被填充 负温度梯度 实际金属的结晶主要以树枝状长大 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 晶粒细化 晶粒的大小取决于晶核的形核率和长大速度 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 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 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 振动 搅拌等对正在结晶的金属进行超声振动或搅动 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 四 金属铸锭组织最典型的铸造结构 整个铸锭明显分为三个各具特征的晶区 表层细等轴晶区在铸锭的表层形成的一层厚度不大 晶粒很细的区域 柱状晶区 中心粗等轴晶区 铸锭 件 的宏观组织通常由三个区组成 1 表层细晶区 浇注时 由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用 使表面形成一层很细的等轴晶粒区 2 柱状晶区 由于模壁温度升高 结晶放出潜热 使细晶区前沿液体的过冷度减小 形核困难 加上模壁的定向散热 使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区 3 中心粗等轴晶区 由于结晶潜热的不断放出 散热速度不断减慢 导致柱状晶生长停止 当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时 在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒 铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多 常见的有缩孔 气孔 疏松 偏析 夹渣 白点等 它们对性能是有害的 1 缩孔 缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的 可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制 钢锭出现缩孔在锻轧前应切除 2 偏析 合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析 铸锭 件 在结晶时 由于各部位结晶先后顺序不同 合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区