金属的晶体结构与结晶

第三章金属的晶体结构与结晶,第一节金属的结构第二节纯金属的结晶第三节金属的同素异构转变第四节合金的晶体结构第五节合金的结晶第六节金属铸锭的组织结构,3.1金属的结构,一、晶体的基本概念1、晶体与非晶体,固态物质,晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。,非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。,晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。,在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。,(2)晶格、晶胞、晶格常数,用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。,3.1金属的结构,二、常见金属的晶体结构1、体心立方晶格体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。,3.1金属的结构,体心立方晶格晶胞中的原子数n=1+8X1/8=2,2、面心立方晶格面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和-Fe等。,3.1金属的结构,面心立方晶格晶胞中的原子数n=6X1/2+8X1/8=4,3、密排六方晶格密排六方晶格如图所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、-钛和-铬等。,3.1金属的结构,密排六方晶格晶胞中的原子数n=3+2X1/2+12X1/6=6,三、金属的实际晶体结构1、单晶体与多晶体的概念单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。,晶粒,晶界,3.1金属的结构,2、晶体中的缺陷（1）点缺陷最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。,晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。,3.1金属的结构,（2）线缺陷晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错，如下图所示。,位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。,3.1金属的结构,（3）面缺陷面缺陷即晶界和亚晶界。晶界：晶粒之间原子无规则排列的过渡层,又称大角度晶界。亚晶界：晶粒内部亚组织之间的边界，一系列刃型位错所形成的小角度晶界。,晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。,3.1金属的结构,结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。一、纯金属的冷却曲线和冷却现象1、冷却曲线,3.2纯金属的结晶,以极缓慢速度冷却,实际冷却条件下的冷却,2、过冷现象,3.2纯金属的结晶,金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。即TT0T1纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。,冷却速度越大，则过冷度越大。,3.2纯金属的结晶,二、金属的结晶过程,3.2纯金属的结晶,晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。,纯金属结晶过程,三、金属结晶后的晶粒大小1、晶粒大小对金属力学性能的影响金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。,实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。,这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。,3.2纯金属的结晶,2、细化晶粒的方法（1）增加过冷度增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。,3.2纯金属的结晶,形核率N、长大速度G与过冷度T的关系,（2）变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。（3）振动处理金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。,3.2纯金属的结晶,3.3金属的同素异构转变,同素异构转变金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）等。,3.3金属的同素异构转变,意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不可能通过多种热处理来改变其组织和性能。,以铁为例,3.4合金的晶体结构,一、基本概念,1、合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。,2、组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。,3、合金系合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。,3.4合金的晶体结构,4、相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。,5、组织组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。,合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综和体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。,3.4合金的晶体结构,3.4合金的晶体结构,根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。,二、合金晶体结构的类型,1、固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。,固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种：置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所示。按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。,3.4合金的晶体结构,间隙固溶体溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限溶解溶质原子。,3.4合金的晶体结构,固溶体的性能由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。,3.4合金的晶体结构,2、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。,3.4合金的晶体结构,如碳钢中的Fe3C。,金属化合物的特点：金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高，硬度高，而脆性大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。,3.4合金的晶体结构,Fe3C的晶体结构,共晶转变从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种不同固相的机械混合物，则该转变过程称为共晶转变。共析转变在固态下由一种单相固溶体同时析出两种不同固相的机械混合物，则该转变过程称为共析转变。,3.5合金的结晶,3.6金属铸锭的组织结构,铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。,金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。,3.4合金的晶体结构,一、表面细晶粒区（外壳层）,浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核，在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区的成分均匀，强度高