第一章金属的结晶构造和结晶过程

第二节金属的结晶构造和结晶过程 金属与合金的晶体构造及其结晶过程 基本概念 金属 合金 由一种金属元素所组成 如Cu Al Mg Zn 由一种金属元素为主 加入其他金属 或非金属 元素所组成 例 Fe C 铁碳合金 钢 铸铁 Cu Zn 铜锌合金 黄铜 1 第一节金属的晶体结构 一 晶体与非晶体 1 晶体 原子在三维空间内的周期性规则排列 长程有序 各向异性 有固定熔点 2 非晶体 原子在三维空间内不规则排列 长程无序 各向同性 无固定熔点 3 在自然界中除少数物质 如普通玻璃 松香 石蜡等 是非晶体外 绝大多数都是晶体 如金属 合金 硅酸盐 大多数无机化合物和有机化合物 甚至植物纤维都是晶体 3 金属晶体模型 二 晶格 晶胞 晶格常数 名词术语 晶体非晶体晶格晶胞晶格常数 原子呈有序排列 原子呈无序排列 描述原子排列规律的空间格子 组成晶格的最基本单元 晶胞的棱边长度 将晶体中原子排列 假想成空间的几何格架 5 6 二 晶格 晶胞 晶格常数 7 二 晶格 晶胞 晶格常数 晶胞 空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞 是构成空间点阵的最基本单元 晶胞表示方法三个棱边的长度a b c及其夹角 表示 二 晶格 晶胞 晶格常数 晶面 晶格中原子所构成的平面 晶向 原子所构成的方向 三 金属中常见的三种晶格类型 常见金属晶格类型 体心立方晶格Mn Mo W Cr V Fe Fe等 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞中 八个原子处于立方体的角上 一个原子处于立方体的中心 角上八个原子与中心原子紧靠 体心立方晶胞特征 晶格常数 a b c 90 体心立方晶格 原子个数 每个晶胞实际占有的原子个数 分析时要认真考虑每个原子的空间状况 在体心立方晶胞中 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞 因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1 8 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞 所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个 体心立方晶格 原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为 体心立方晶格 致密度 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度 也称密排系数 致密度越大 原子排列紧密程度越大 体心立方晶胞的致密度为 晶胞 或晶格 中有68 的体积被原子所占据 其余为空隙 面心立方晶格 面心立方晶格Cu Ag Pb Ni Fe等 面心立方晶格 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠 面心立方晶胞的特征 晶格常数 a b c 90 面心立方晶格 原子个数 4 原子半径 致密度 0 74 74 密排六方晶格 密排六方晶格Mg Zn Be Cd等 密排六方晶格 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上 在上下底面的中心各分布一个原子 上下底面之间均匀分布三个原子 密排六方晶胞的特征 晶格常数 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达 两相邻侧面之间的夹角为120 侧面与底面之间的夹角为90 密排六方晶格 原子个数 6 原子半径 致密度 0 74 74 R a 2 第二节金属的结晶 一 金属的冷却曲线和过冷现象 金属的结晶 冷却曲线 热分析法 液态金属转变为固态金属的过程 一 金属的冷却曲线和过冷现象 Tm是理论结晶温度T1是实际结晶温度 纯金属结晶冷却曲线 二 金属的结晶过程 形核和长大 特点 二 金属的结晶过程 晶核长大 沿着有利于散热的方向按树枝状方式生长 晶核 在理论结晶温度以下 液态中某些原子小集团自发地聚集成为结晶核心 术语 二 金属的结晶过程 晶粒大小及其控制 细晶强化的基本原理 v形核 v长大 细晶强化的方法 增大过冷度 T 中 小型零件 形核率 v长大 变质处理 形核率 震动 搅拌结晶 v长大 形核率 金属晶粒愈细小 力学性能愈好 三 金属的同素异晶转变 金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变 特点 转变发生于固态在一定温度下进行晶格类型发生变化 1538 L 体心 912 体心 1394 面心 Fe Fe Fe 三 金属的同素异晶转变 纯铁的同素异构转变曲线 三 金属的同素异晶转变 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜热 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向 金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化 因而容易在金属中引起较大的内应力 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础 钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变 四 实际金属的晶体结构 单晶体与多晶体 29 四 实际金属的晶体结构 如果晶体中所有原子排列位向一致 这个晶体称为单晶体 也就是说单晶体是由一个晶粒组成的 单晶体只有通过特殊的方法才能制取 如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体 实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体 每一个单晶体称为一个晶粒 其边界称为晶界 单晶体具有各向异性 而多晶体则具有各向同性 第三节合金的基本显微组织结构 一 合金的相结构 合金 两种或两种以上的金属与金属 或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质 组元 组成合金最基本的物质 可以是元素 也可以是化合物 如一元 二元 三元合金 合金系 给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称 如Fe C Fe Cr等 相 合金中结构相同 成分和性能均一的组成部分 一 合金的相结构 组织 由不同形态 大小 数量和分布的相组成的综合体 如单相 两相 多相合金 金属及其组织一般应用显微镜才能看到 所以常称显微组织 一 合金的相结构 相的分类 合金中的相按结构可分为 固溶体和金属化合物 固溶体 晶体结构与其某一组元相同的相 金属化合物 组元之间形成的新相 其结构不同于任何组元 一 合金的相结构 固溶体 合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一 均匀的物质 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体 与固溶体晶格相同的组元为溶剂 一般在合金中含量较多 另一组元为溶质 含量较少 固溶体用 等符号表示 A B组元组成的固溶体也可表示为A B 其中A为溶剂 B为溶质 例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用 表示 亦可表示为Cu Zn 一 合金的相结构 置换固溶体溶质原子取代溶剂原子间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中 35 一 合金的相结构 间隙固溶体 置换固溶体 特点 一 合金的相结构 溶质原子对晶格畸变影响示意图 一 合金的相结构 金属化合物 合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质 特点 一 合金的相结构 渗碳体 Fe3C 晶格结构示意图 一 合金的相结构 金属化合物的特性力学性能 金属化合物一般具有复杂的晶体结构 熔点高 高硬度 低塑性 硬而脆 当合金中出现金属化合物时 通常能提高合金的强度 硬度和耐磨性 金属化合物是工具钢 高速钢等钢中的重要组成相 物化性能 具有电学 磁学 声学性质等 可用于半导体材料 形状记忆材料 储氢材料等 一 合金的相结构 机械混合物 各组元在固态下以混合的形式存在 特点 二 二元合金相图 合金相图是用来表示合金在不同成分 温度下的组织状态 以及它们之间相互关系的一种图形 亦称状态图或平衡图 是研制新材料 制定合金熔炼 铸造 压力加工和热处理工艺等的重要工具 二 二元合金相图 二元合金相图的建立 金相法膨胀法电阻法热分析法 以Cu Ni系相图为例 配制一系列成分不同的Cu Ni合金 测定上述合金的冷却曲线找出各合金的临界点以温度为纵坐标 以成分为横坐标的图中 将各临界点连接起来即得到Cu Ni合金相图 二 二元合金相图 匀晶相图 二 二元合金相图 匀晶相图 特点 液态 固态均无限互溶同类 Cu Ni Cu Au Au Ag Fe Cr等 a b ab 液相线 ab 固相线 L L S S L 液相区 S 固相区 L S 液固共存区 二 二元合金相图 L 匀晶相图结晶过程分析 冷却曲线 结晶过程 二 二元合金相图 共晶相图 共晶相图 液态无限互溶 有共晶转变 形成共晶组织相图分析 点 线 区结晶过程 冷却曲线 组织转变 47 二 二元合金相图 相图分析 点 线 区 点 线 区 二 二元合金相图 共晶相图